嵇正毓

(南京源恒環(huán)境研究所有限公司,南京　210036)

?

· 環(huán)境噪聲 ·

鋼彈簧減振器高頻失效淺析

嵇正毓

(南京源恒環(huán)境研究所有限公司,南京210036)

外力作用在固體上將使其產(chǎn)生整體加速運(yùn)動(dòng)和局部的彈性形變，如果固體的線度大于該固體中聲波的半波長(zhǎng)時(shí)，彈性形變就會(huì)在固體中形成聲波。所以當(dāng)鋼彈簧隔振器的展開(kāi)長(zhǎng)度大于彈簧鋼中聲波的半波長(zhǎng)時(shí)，鋼彈簧中也會(huì)形成固體聲波，高于該固體聲波頻率的振動(dòng)能量就會(huì)沿彈簧中傳播，使鋼彈簧隔絕高頻振動(dòng)失效，產(chǎn)生所謂的“穿流”現(xiàn)象。

鋼彈簧隔振器;固體聲波;高頻失效

鋼彈簧隔振器具有承重大、固有頻率低、耐高溫、性能穩(wěn)定、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，許多大型機(jī)械設(shè)備和環(huán)境惡劣場(chǎng)所的隔振減振工程都采用鋼彈簧隔振器。但是鋼彈簧隔振器也存在一些缺點(diǎn)，例如穩(wěn)定性較差，阻尼系數(shù)ξ小，整個(gè)隔振系統(tǒng)容易產(chǎn)生共振等。更重要的是鋼彈簧隔振器存在 “高頻穿流”現(xiàn)象，即高于某個(gè)頻率的振動(dòng)能夠通過(guò)鋼彈簧隔振器傳遞到基礎(chǔ)上，使鋼彈簧對(duì)高頻振動(dòng)失去隔振效果。因?yàn)槿硕舾械穆暡l率都遠(yuǎn)高于一般的振動(dòng)控制頻率，因此簡(jiǎn)單地采用鋼彈簧隔振器控制高頻振動(dòng)和音頻范圍內(nèi)的固體聲波是不適宜的。許多參考文獻(xiàn)中都有關(guān)于鋼彈簧隔振器高頻失效的闡述，但未見(jiàn)對(duì)這種現(xiàn)象產(chǎn)生原因的深入分析[1～3]。本文試圖從聲波產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，對(duì)鋼彈簧隔振器高頻失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，并進(jìn)一步提出防止鋼彈簧減振器高頻失效的措施和建議。

1　力的兩種效應(yīng)

當(dāng)外力作用于一個(gè)固體上，將會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)，第一使固體產(chǎn)生整體加速運(yùn)動(dòng)，第二使固體產(chǎn)生彈性形變[4]?，F(xiàn)對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析。

(1)作用力使固體產(chǎn)生整體加速運(yùn)動(dòng)

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，當(dāng)外力加在一個(gè)物體上時(shí)，該物體將產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律遵守牛頓第二定律：

F=ma

(1)

式中：F為作用力，單位牛頓，m為物體的質(zhì)量，單位為公斤，a為加速度，單位為米/秒2。本文認(rèn)為該作用力使物體遵循牛頓第二定律產(chǎn)生了加速度，所以將這種力稱作牛頓力。

(2)作用力使固體產(chǎn)生彈性形變

由于固體的分子之間存在間距和相互作用力，當(dāng)外界的作用力加在物體的某個(gè)部位時(shí)，將使該物體受力部位的分子與其相鄰的分子之間產(chǎn)生位移，由于介質(zhì)中分子間的位移會(huì)產(chǎn)生反向的彈性力，這種彈性力與位移的關(guān)系遵守胡克定律:

F=-kx

(2)

式中： k為彈性模量，單位為牛頓/m2，x 為位移，單位為m。本文認(rèn)為該作用力使物體遵循胡克定律產(chǎn)生了形變，所以將這種力稱為胡克力，胡克力可能是機(jī)械力、電磁力、空氣動(dòng)力等等。

如果胡克力是隨時(shí)間周期性變化的，則在胡克力的作用下分子的位移也是隨時(shí)間往復(fù)變化的，于是固體中的質(zhì)點(diǎn)(運(yùn)動(dòng)規(guī)律相近的許多分子的組合)產(chǎn)生了振動(dòng)。由于分子之間的相互作用力，分子的振動(dòng)及其所攜帶的能量在固體中由近及遠(yuǎn)地傳播開(kāi)來(lái)，于是固體中出現(xiàn)了聲波[1]。

擊打一個(gè)自由狀態(tài)的金屬板，金屬板產(chǎn)生加速度向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出嗡嗡的響聲。這說(shuō)明一個(gè)力作用在固體結(jié)構(gòu)件上以后，其一部分表現(xiàn)為牛頓力效應(yīng)使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生了加速運(yùn)動(dòng)，而另一部分表現(xiàn)為胡克力效應(yīng)在介質(zhì)中形成了聲波。當(dāng)該結(jié)構(gòu)件是完全剛性的、且質(zhì)量較小，則作用力主要以牛頓力表現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)該結(jié)構(gòu)件是完全彈性的、且體積和質(zhì)量較大，或者被固定在一個(gè)巨大質(zhì)量的物體上不能產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，則作用力主要以胡克力表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)胡克力超出固體分子之間的彈性限度，則固體將發(fā)生形狀改變，甚至斷裂，此時(shí)的結(jié)構(gòu)件表現(xiàn)為塑性。

2　固體聲波產(chǎn)生的條件

設(shè)有一個(gè)隨時(shí)間周期性變化的力F=F0sinωt，作用到條狀固體彈性介質(zhì)上，如圖1所示。

圖1上方是一根條狀的彈性物體，其由一系列的質(zhì)點(diǎn)組成，其最大線度為a，聲波在其中傳播的速度為C。下方是固體中各質(zhì)點(diǎn)受力F作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的情況，其中小箭頭表示為各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的彈性力方向。從下方質(zhì)點(diǎn)的受力情況可以看出，當(dāng)該物體受到力作用后，在距受力點(diǎn)半波長(zhǎng)的范圍內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)受力的方向都相同(向下)，但超過(guò)半波長(zhǎng)以后質(zhì)點(diǎn)受力的方向改變?yōu)榉聪?為上)。假設(shè)彈性物體的長(zhǎng)度小于等于半波長(zhǎng)，顯然在半波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)均是同方向運(yùn)動(dòng)的，物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有振動(dòng)，也就是說(shuō)外加力起到了牛頓力的效應(yīng)，外部的作用力F0sinωt不可能在物體中形成固體聲波。但是如果該彈性物體的最大線度a大于半波長(zhǎng)，則超出半波長(zhǎng)的質(zhì)點(diǎn)的受力方向與前面的質(zhì)點(diǎn)相反，由于分子之間的相互作用，該反向力必然影響前面的質(zhì)點(diǎn)，使前面的質(zhì)點(diǎn)逐一改變運(yùn)動(dòng)方向，因此質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生了振動(dòng)。振動(dòng)在質(zhì)點(diǎn)間進(jìn)一步傳遞，使結(jié)構(gòu)件中形成了彎曲波，于是外加力或外加力中的一部分起到了胡克力的效應(yīng)。因此固體聲波形成的條件是結(jié)構(gòu)件為彈性介質(zhì)，且其最大線度必須大于固體聲波的半波長(zhǎng)，即a>0.5λ。以上雖然是通過(guò)固體中的彎曲波分析得到的，但對(duì)于固體中的縱波及其它波型同樣適用。

圖1　固體中聲波形成的條件Fig.1　Conditions of formation of sound waves in solids

因?yàn)楣腆w聲波的波長(zhǎng)λ取決于外部作用力的頻率和固體介質(zhì)的聲速，而聲速又與該固體的物理特性相關(guān)，所以物體中是否能形成固體聲波，要根據(jù)該固體的物理特性、最大線度和外部作用力的頻率共同決定。總體而言，物體越大、作用力的頻率越高，越容易產(chǎn)生固體聲波，反之越不容易產(chǎn)生固體聲波。

3　鋼彈簧減振器

典型的螺旋形鋼彈簧減振器如圖2所示，它是由一根彈簧鋼絲繞成的螺旋形圓柱體，圓柱體直徑一般要達(dá)到彈簧鋼絲直徑的4～12倍，螺旋的圈數(shù)由下式[5]決定：

(3)

式中G=8*1010N/m2，為彈簧鋼絲的切變彈性模量，d為彈簧鋼絲直徑，D為彈簧圈直徑，n為彈簧總?cè)?shù)。以500kg的荷載為例設(shè)計(jì)鋼彈簧減振器，若采用直徑14mm彈簧鋼絲制作彈簧，且取彈簧圈直徑為85mm、彈簧總?cè)?shù)為6，經(jīng)計(jì)算得知鋼彈簧減振器高約0.126m，減振器需要彈簧鋼絲長(zhǎng)約1.6m。

圖2　螺旋形鋼彈簧減振器示意圖Fig.2　Spiral steel spring damper diagram

4　鋼彈簧隔振器“穿流”現(xiàn)象原因分析

鋼彈簧隔振器是一種減振元件，其一端與振動(dòng)設(shè)備相接，另一端固定在基礎(chǔ)上，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)力作用到鋼彈簧隔振器上，根據(jù)前面的分析，振動(dòng)力一方面可能使其產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，另一方面可能使其產(chǎn)生彈性形變并形成固體聲波。因?yàn)殇搹椈筛粽衿鞯囊欢耸枪潭ㄔ谝粋€(gè)巨大的基礎(chǔ)上的，所以其不可能作整體運(yùn)動(dòng)，只能將作用力傳遞到基礎(chǔ)上，但是因?yàn)閺椈傻木彌_作用，導(dǎo)致傳遞到基礎(chǔ)上的力大大降低，這就使得減振器起到了減振作用。

另一方面設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)力使鋼彈簧局部產(chǎn)生彈性形變，顯然彈簧隔振器是彈性傳聲介質(zhì)，如果其鋼絲的展開(kāi)長(zhǎng)度大于其內(nèi)固體聲波的半波長(zhǎng)，則減振元件內(nèi)就會(huì)進(jìn)一步形成固體聲波，高于該半波長(zhǎng)頻率的振動(dòng)將以聲波的形式穿過(guò)了彈簧隔振器，這就產(chǎn)生了固體聲波的“穿流現(xiàn)象”，這種情況下以集中參量為基礎(chǔ)的單自由度的強(qiáng)迫振動(dòng)理論已經(jīng)不再適用。

以上面設(shè)計(jì)的荷載500kg的鋼彈簧減振器為例，彈簧鋼中的聲速為5 900m/s，鋼絲的展開(kāi)長(zhǎng)度是1.6m，則設(shè)備振動(dòng)力的頻率大于1 844Hz時(shí)鋼絲中就出現(xiàn)固體聲波。并且1 844Hz以上的振動(dòng)能夠以固體聲波的形式傳播到基礎(chǔ)上，彈簧鋼絲成了振動(dòng)波的傳遞通道，這就是所謂的“穿流現(xiàn)象”，鋼彈簧隔振器對(duì)高頻振動(dòng)失去減振作用。

5　鋼彈簧隔振器高頻失效的防止措施

分析鋼彈簧隔振器高頻失效的原因，主要原因是鋼絲展開(kāi)長(zhǎng)度超出了其固體聲波的半波長(zhǎng)，使高頻振動(dòng)以固體聲波的形式傳播到了基礎(chǔ)上，另外鋼彈簧本身的阻尼系數(shù)小，固體聲波在穿超鋼絲時(shí)聲能量未能被有效地吸收衰減掉。所以要防止鋼彈簧隔振器高頻失效可以采取以下措施：(1)在不影響減振效果的前提下盡量減小鋼彈簧隔振器的鋼絲展開(kāi)長(zhǎng)度和圈數(shù)，以提高失效頻率；(2)設(shè)法增加鋼彈簧隔振器的阻尼系數(shù)，例如用高分子阻尼材料涂刷在彈簧鋼絲上，利用高分子阻尼材料吸收鋼彈簧中的高頻固體聲波能量；(3)在鋼彈簧隔振器中串接一個(gè)力阻抗與鋼彈簧懸殊的元件(例如橡膠減振器、橡膠減振墊等)，使高頻固體聲波產(chǎn)生反射衰減。

[1]孫家麒,等.振動(dòng)的危害和控制技術(shù)[M].石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社, 1991.8.

[2]馮瑀正.輕結(jié)構(gòu)隔聲原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[3]陳繹勤.噪聲與振動(dòng)的控制[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1981.7.

[4]B.A.奧爾特，孫承平譯.固體中的聲場(chǎng)和波[M].北京:科學(xué)出版社,1982.12.

[5]趙松齡.噪聲的降低和隔離(下)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1985.12.

High Frequency Failure Analysis of Steel Spring Shock Absorber

JI Zheng-yu

(NanjingSourceConstantEnvironmentalResearchInstituteCo.,LTD,Nanjing210036,China)

The external force on the solid could cause the overall acceleration motion and the local elastic deformation of the solid. If the maximum line of the solid was larger than a half wavelength of the solid sound wave, the elastic deformation would form a sound wave in the solid. Thus, if the spreading length of steel spring vibration isolator was greater than a half wavelength of the sound waves in the spring steel, a solid sound wave could be formed in the spring steel. The vibration energy which was higher than the wave frequency would be propagated along the spring, and this can cause the high frequency vibration failure of isolated steel spring, resulting in the so-called “pass through” phenomenon.

Steel spring vibration isolator; solid sound wave; high frequency failure

2016-07-06

嵇正毓(1947-)，男，江蘇揚(yáng)州人， 1982年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系聲學(xué)專(zhuān)業(yè)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境噪聲和振動(dòng)控制技術(shù)。

X707

A

1001-3644(2016)05-0095-03