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)

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· 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生整體加速運動和局部的彈性形變，如果固體的線度大于該固體中聲波的半波長時，彈性形變就會在固體中形成聲波。所以當鋼彈簧隔振器的展開長度大于彈簧鋼中聲波的半波長時，鋼彈簧中也會形成固體聲波，高于該固體聲波頻率的振動能量就會沿彈簧中傳播，使鋼彈簧隔絕高頻振動失效，產生所謂的“穿流”現象。

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、經久耐用等優(yōu)點，許多大型機械設備和環(huán)境惡劣場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，例如穩(wěn)定性較差，阻尼系數ξ小，整個隔振系統(tǒng)容易產生共振等。更重要的是鋼彈簧隔振器存在 “高頻穿流”現象，即高于某個頻率的振動能夠通過鋼彈簧隔振器傳遞到基礎上，使鋼彈簧對高頻振動失去隔振效果。因為人耳敏感的聲波頻率都遠高于一般的振動控制頻率，因此簡單地采用鋼彈簧隔振器控制高頻振動和音頻范圍內的固體聲波是不適宜的。許多參考文獻中都有關于鋼彈簧隔振器高頻失效的闡述，但未見對這種現象產生原因的深入分析[1～3]。本文試圖從聲波產生的機理出發(fā)，對鋼彈簧隔振器高頻失效現象進行分析，并進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

當外力作用于一個固體上，將會產生兩種效應，第一使固體產生整體加速運動，第二使固體產生彈性形變[4]?，F對這兩種情況進行分析。

(1)作用力使固體產生整體加速運動

根據經典力學理論，當外力加在一個物體上時，該物體將產生加速運動，其運動的規(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為物體的質量，單位為公斤，a為加速度，單位為米/秒2。本文認為該作用力使物體遵循牛頓第二定律產生了加速度，所以將這種力稱作牛頓力。

(2)作用力使固體產生彈性形變

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

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。本文認為該作用力使物體遵循胡克定律產生了形變，所以將這種力稱為胡克力，胡克力可能是機械力、電磁力、空氣動力等等。

如果胡克力是隨時間周期性變化的，則在胡克力的作用下分子的位移也是隨時間往復變化的，于是固體中的質點(運動規(guī)律相近的許多分子的組合)產生了振動。由于分子之間的相互作用力，分子的振動及其所攜帶的能量在固體中由近及遠地傳播開來，于是固體中出現了聲波[1]。

擊打一個自由狀態(tài)的金屬板，金屬板產生加速度向前運動，同時發(fā)出嗡嗡的響聲。這說明一個力作用在固體結構件上以后，其一部分表現為牛頓力效應使結構件產生了加速運動，而另一部分表現為胡克力效應在介質中形成了聲波。當該結構件是完全剛性的、且質量較小，則作用力主要以牛頓力表現出來；當該結構件是完全彈性的、且體積和質量較大，或者被固定在一個巨大質量的物體上不能產生加速運動，則作用力主要以胡克力表現出來。當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，此時的結構件表現為塑性。

2　固體聲波產生的條件

設有一個隨時間周期性變化的力F=F0sinωt，作用到條狀固體彈性介質上，如圖1所示。

圖1上方是一根條狀的彈性物體，其由一系列的質點組成，其最大線度為a，聲波在其中傳播的速度為C。下方是固體中各質點受力F作用產生運動的情況，其中小箭頭表示為各個質點的彈性力方向。從下方質點的受力情況可以看出，當該物體受到力作用后，在距受力點半波長的范圍內所有質點受力的方向都相同(向下)，但超過半波長以后質點受力的方向改變?yōu)榉聪?為上)。假設彈性物體的長度小于等于半波長，顯然在半波長范圍內所有質點均是同方向運動的，物體內質點沒有振動，也就是說外加力起到了牛頓力的效應，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，則超出半波長的質點的受力方向與前面的質點相反，由于分子之間的相互作用，該反向力必然影響前面的質點，使前面的質點逐一改變運動方向，因此質點產生了振動。振動在質點間進一步傳遞，使結構件中形成了彎曲波，于是外加力或外加力中的一部分起到了胡克力的效應。因此固體聲波形成的條件是結構件為彈性介質，且其最大線度必須大于固體聲波的半波長，即a>0.5λ。以上雖然是通過固體中的彎曲波分析得到的，但對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

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

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到彈簧鋼絲直徑的4～12倍，螺旋的圈數由下式[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為彈簧總圈數。以500kg的荷載為例設計鋼彈簧減振器，若采用直徑14mm彈簧鋼絲制作彈簧，且取彈簧圈直徑為85mm、彈簧總圈數為6，經計算得知鋼彈簧減振器高約0.126m，減振器需要彈簧鋼絲長約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”現象原因分析

鋼彈簧隔振器是一種減振元件，其一端與振動設備相接，另一端固定在基礎上，當設備運行時振動力作用到鋼彈簧隔振器上，根據前面的分析，振動力一方面可能使其產生加速運動，另一方面可能使其產生彈性形變并形成固體聲波。因為鋼彈簧隔振器的一端是固定在一個巨大的基礎上的，所以其不可能作整體運動，只能將作用力傳遞到基礎上，但是因為彈簧的緩沖作用，導致傳遞到基礎上的力大大降低，這就使得減振器起到了減振作用。

另一方面設備運行時振動力使鋼彈簧局部產生彈性形變，顯然彈簧隔振器是彈性傳聲介質，如果其鋼絲的展開長度大于其內固體聲波的半波長，則減振元件內就會進一步形成固體聲波，高于該半波長頻率的振動將以聲波的形式穿過了彈簧隔振器，這就產生了固體聲波的“穿流現象”，這種情況下以集中參量為基礎的單自由度的強迫振動理論已經不再適用。

以上面設計的荷載500kg的鋼彈簧減振器為例，彈簧鋼中的聲速為5 900m/s，鋼絲的展開長度是1.6m，則設備振動力的頻率大于1 844Hz時鋼絲中就出現固體聲波。并且1 844Hz以上的振動能夠以固體聲波的形式傳播到基礎上，彈簧鋼絲成了振動波的傳遞通道，這就是所謂的“穿流現象”，鋼彈簧隔振器對高頻振動失去減振作用。

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長度超出了其固體聲波的半波長，使高頻振動以固體聲波的形式傳播到了基礎上，另外鋼彈簧本身的阻尼系數小，固體聲波在穿超鋼絲時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長度和圈數，以提高失效頻率；(2)設法增加鋼彈簧隔振器的阻尼系數，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)，使高頻固體聲波產生反射衰減。

[1]孫家麒,等.振動的危害和控制技術[M].石家莊:河北科學技術出版社, 1991.8.

[2]馮瑀正.輕結構隔聲原理與應用技術[M].北京:科學出版社,1987.

[3]陳繹勤.噪聲與振動的控制[M].北京:中國鐵道出版社,1981.7.

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

[5]趙松齡.噪聲的降低和隔離(下)[M].上海:同濟大學出版社,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，江蘇揚州人， 1982年畢業(yè)于南京大學物理系聲學專業(yè)，研究員級高級工程師，主要研究方向為環(huán)境噪聲和振動控制技術。

X707

A

1001-3644(2016)05-0095-03