顆?；旌戏N類不同的阻尼器減振特性分析

張功學(xué)，曹海蘭

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021)

0 前言

顆粒阻尼技術(shù)作為一項(xiàng)振動被動控制技術(shù)，它將顆粒物質(zhì)填充到振動結(jié)構(gòu)內(nèi)部或附屬的空腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)振動引起顆粒之間以及顆粒與空腔壁之間的非彈性碰撞和摩擦，以此消耗能量，降低結(jié)構(gòu)的振動幅值，從而達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)振動的目的［1］。

顆粒阻尼器具有減振頻帶寬、減振效果好、成本低和附加質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和耐高溫的特點(diǎn)，特別適用于惡劣工作環(huán)境的場合。因此，有很好的應(yīng)用前景。現(xiàn)如今顆粒阻尼器在升降機(jī)的旋轉(zhuǎn)槳上、飛機(jī)的發(fā)動機(jī)輪片上、渦輪泵上得到了廣泛的應(yīng)用，在諸多生產(chǎn)線上的機(jī)械設(shè)備、載具等的減振控制上發(fā)揮了重要作用。但是由于阻尼顆粒的高度非線性及其影響因素的復(fù)雜性，難以直接進(jìn)行理論方面的研究，所以文中主要通過試驗(yàn)方法對安裝有顆粒阻尼器的簡支梁裝置進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案與內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括簡支梁、力和加速度傳感器、激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、以及動態(tài)信號分析儀。圖1 為顆粒阻尼試驗(yàn)裝置示意圖，在試驗(yàn)過程中，將不同混合種類的顆粒材料放入阻尼器中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號通過功率放大器的放大帶動激振器工作，激振器上裝有壓電式力傳感器，通過激振頭對簡支梁進(jìn)行激振;簡支梁振動時(shí)用加速度傳感器測得其加速度響應(yīng)，加速度傳感器和壓電式力傳感器通過信號調(diào)理器把正弦力信號和采集的加速度信號傳遞給動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，之后借助于裝有DHDAS 基本控制分析軟件的計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。試驗(yàn)中采用的簡支梁和阻尼器腔體參數(shù)見表1。

圖1 顆粒阻尼試驗(yàn)裝置示意圖

表1 主要部件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

顆粒阻尼器由顆粒物質(zhì)填充到阻尼容器中構(gòu)成。該試驗(yàn)中采用的顆粒物質(zhì)有高質(zhì)鋼球狀顆粒和沙子，其中高質(zhì)鋼球狀顆粒直徑有φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15 mm 7 種規(guī)格。金屬盒填充顆粒后密封，通過螺栓聯(lián)接固定于距簡支梁的固定端300 mm的位置，加速度傳感器為LC-0104T 型，靈敏度為100 mV/EU，安裝在距顆粒阻尼器80 mm 的位置。

首先用激振器對簡支梁進(jìn)行激振，測試簡支梁未加顆粒阻尼器時(shí)的加速度幅值。其次在質(zhì)量一定的情況下，在金屬盒中放入不同混合種類的顆粒材料。然后利用激振器產(chǎn)生的正弦簡諧力對簡支梁進(jìn)行激振，讓梁在豎直方向作簡諧振動，并帶動顆粒阻尼器一起振動。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器來改變激振頻率，該試驗(yàn)采用的激振頻率分別為20、30、40、60、80、120、140、160、200、250、300、350、400、450、500 Hz，記錄各個(gè)激振頻率下簡諧力的幅值和對應(yīng)的加速度幅值。

1.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

影響顆粒阻尼減振特性的因素有:顆粒的填充率、顆粒的粒徑大小、不同密度的顆粒材料、金屬盒的位置、顆粒層的高度以及混合種類的多少［2］。文中主要研究不同混合種類顆粒阻尼對簡支梁減振效果的影響，高質(zhì)鋼球狀顆粒的密度為7 850 kg/m3，沙子的堆積密度大約為1 500 kg/m3。試驗(yàn)在質(zhì)量一定的情況下，分別對單種顆粒 (φ4)、2 種顆粒 (φ4、φ6)、3種顆粒 (φ4、φ6、φ8)、4種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10)、5種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12)、6 種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14)、7 種顆粒(φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15)、8種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15、沙子)混合進(jìn)行試驗(yàn)，得到各種混顆粒合種類的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 振動系統(tǒng)的簡化模型

顆粒阻尼在共振峰附近的減振效果明顯，若激勵(lì)頻率在第一階共振頻率附近，系統(tǒng)在該頻帶內(nèi)會呈現(xiàn)單自由度系統(tǒng)的振動性態(tài)［3］。將阻尼梁簡化成單自由度系統(tǒng) (圖2)，方便研究顆粒阻尼在共振頻域內(nèi)的減振特性。

由材料力學(xué)知［4］，簡支梁的剛度為

式中:E 為簡支梁的彈性模量;J 為梁截面彎曲慣性矩，J=bh3/12;l 為簡支梁的長度。

由瑞利法得［5］，簡支梁的固有頻率為:

式中:m 為金屬盒腔體和顆粒的總質(zhì)量;me為簡支梁的等效質(zhì)量。

由以上公式及梁的相關(guān)參數(shù)可得，系統(tǒng)的一階固有頻率為39.54 Hz。在試驗(yàn)過程中，得到的是加速度的幅值。通過數(shù)據(jù)處理，得出了不同顆?；旌系念w粒阻尼器的振幅與頻率的曲線圖，如圖3所示。

圖3 頻率與振幅的關(guān)系曲線圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

簡支梁系統(tǒng)在無外加顆粒阻尼器時(shí)的最大振幅為73.250 1 μm，加入顆粒阻尼器后，如圖3 所示，一階固有頻率從39.54 Hz 降到30 Hz，并且最大振幅明顯降低。與前人研究結(jié)果類似，顆粒阻尼器的加入對抑制共振區(qū)的振幅起到了很好的減振效果。

但是在非共振區(qū)域尤其在高頻階段看不出其減振效果。因此用減振度評價(jià)其減振效果，減振度就是用減振前、后的位移幅值差除以減振前的位移幅值。減振度越大，減振效果越好。繪制簡支梁的減振曲線圖(見圖4)。

對圖4 中(a)、(b)、(c)圖對簡支梁的減振效果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)果:

圖4 三種不同顆?；旌蠝p振曲線圖

(1)由圖4 (a)可知，4 種顆?；旌铣祟l率為400 Hz 之外，比2 種顆?；旌媳憩F(xiàn)出更好的減振效果。從整體的趨勢圖來看，3 種顆?；旌弦脖葐畏N顆粒的減振效果好。對比單種顆粒和2 種顆粒混合的情況，激振頻率在20 ～140 Hz 范圍內(nèi)，2 種顆?；旌系臏p振效果優(yōu)于單種顆粒;激振頻率在200 ～400 Hz范圍內(nèi)，單種顆粒的減振效果更好一點(diǎn)，并且在頻率為200 Hz 時(shí)，3 種情況下的減振效果達(dá)到最佳。從整體來看，3 種顆?；旌蠒r(shí)對簡支梁的減振效果更好一些。

(2)根據(jù)圖4 (b)可知，從減振曲線圖整體趨勢來看，4 種顆?；旌媳? 種顆?；旌媳憩F(xiàn)出更好的減振效果，6 種顆?；旌媳? 種顆粒混合的減振效果好一些。對比4 種顆粒和6 種顆?；旌系那闆r，激振頻率在20 ～200 Hz 范圍內(nèi)，4 種顆?；旌系臏p振效果與6 種顆粒混合的減振效果基本趨于一致。激振頻率在250 ～500 Hz 范圍內(nèi)，4 種顆?；旌系臏p振效果優(yōu)于6 種顆粒混合。從整體來看，4 種顆?；旌蠒r(shí)對簡支梁的減振效果更好一些。

(3)由圖4 (c)可知，從減振曲線圖整體趨勢來看，除了頻率為300 Hz 以外，6、7、8 三種顆粒混合的減振效果基本是相同的。

3 結(jié)論

(1)對8 種顆?；旌系恼w減振效果進(jìn)行分析，得出4 種顆?；旌蠒r(shí)對簡支梁的減振效果最佳。這是因?yàn)? 種顆?；旌蠒r(shí)，直徑小的顆粒能夠更好地填充到間隙中，顆粒之間的碰撞與摩擦更激烈，以此消耗大量的振動能量。5 種顆?；旌蠒r(shí)的減振效果最差，是因?yàn)橹睆叫〉念w粒不能很好地填充到間隙中，顆粒相互間的摩擦作用大大降低。

(2)基于上述結(jié)果可知，顆粒阻尼有著較好的減振效果。若汽車在不平的路面行駛時(shí)，可以利用顆粒阻尼對其進(jìn)行減振，提高駕駛的平順性。

［1］艾英，段勇．阻尼器顆粒層高度對阻尼特性的影響［J］．江蘇航空，2011(1):11－15．

［2］夏兆旺，單穎春，劉獻(xiàn)棟．基于懸臂梁的顆粒阻尼實(shí)驗(yàn)［J］．航空動力學(xué)報(bào)，2007，22(10):1740－1741．

［3］周宏偉，陳前，段勇．顆粒阻尼系統(tǒng)動力學(xué)特性研究［J］．振動與沖擊，南京:2008，27(5):109－111．

［4］張功學(xué)，候東生．材料力學(xué)［M］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2008:119－124．

［5］倪振華．振動力學(xué)［M］．西安:西安交通大學(xué)，1989:48－52．