常用隔振器介绍

     凡是能够支撑运动设备动力载荷,具有良好弹性恢复能力的材料或装置,都可以作为隔振材料或隔振元件使用。目前工程中标准化的隔振器主要包括如下几类:金属弹簧隔振器、橡胶隔振器、钢丝绳隔振器、金属橡胶隔振器和空气弹簧隔振器。本文将介绍以上五种隔振器的特点和常见结构形式,为工程中隔振器的选用提供参考。

 
 
    1. 金属弹簧隔振器:金属弹簧制造简便、价格低廉,具有隔振效率高、安装更换方便、对工作环境适应性强等优点,因此应用广泛。金属弹簧包括螺旋弹簧、碟簧、板簧、蜗卷弹簧(又称发条弹簧,多用于储能)以及其他异型弹簧等,其中螺旋弹簧、碟簧和板簧在隔振领域最为常见。碟簧和板簧刚度大,承载能力良好,簧片之间相互摩擦可提供较好的阻尼特性,但由于其制造难度较大、质量不易控制、隔振性能一般等原因,不如螺旋弹簧应用广泛。螺旋弹簧具有优良的可设计性和优良的综合力学性能,可达到较低的固有频率(低于5Hz)且性能稳定,其缺点在于阻尼过小,往往需要增加阻尼的措施;同时,为保证低频隔振性能需较大的静位移。
 
    2. 橡胶隔振器:利用橡胶高分子材料在外载作用下产生原子间距离变化的普弹变形和大分子链段的高弹变形,提供弹性和阻尼,达到隔振、缓冲的目的。橡胶隔振器具有高阻尼特性,能够有效抑制各方向的振动与冲击,且结构紧凑,工艺性好,可以做成各种复杂的形状。橡胶隔振器在船舶、轨道交通、汽车等领域获得了广泛的应用。橡胶隔振器一般分为压缩型、剪切型和压剪复合型三种,其中压缩型橡胶隔振器刚度大,承载能力强,行程小,隔振性能差,适用于静态位移小而动态位移虽短暂但很大的情况;剪切型橡胶隔振器刚度小,隔振性能好,可通过调整剪切角调整纵向和横向刚度,其承载能力较压缩型差。复合型隔振器综合两者特点。橡胶隔振器缺点在于行程小,刚度受振动频率影响较大,怕油污,易蠕变老化,性能容易受温度影响。
 
    3. 钢丝绳隔振器:钢丝绳隔振器是以钢丝绳作为弹性体,利用钢丝绳股与股、丝与丝之间的摩擦、滑移实现隔振缓冲。钢丝绳隔振器能够承受大变形,有渐软的刚度特性和良好的阻尼特性,具有优良的隔振和抗冲击性能;钢丝绳隔振器可承受剪切、横滚和拉压三向载荷,耐高温、耐污染、耐老化,其特有的绳结构可抑制金属隔振器常有的高频驻波效应。钢丝绳隔振器广泛应用于船舶机械的隔振,也应用于交通运输、航空航天等工程领域。根据钢丝缠绕方式不同,钢丝绳隔振器主要有螺旋形、拱形和鼓形三种。螺旋形钢丝绳隔振器采用一根钢丝绳螺旋缠绕于上下夹板,是最常见的钢丝绳隔振器,其加工难度较小,工艺成熟;拱形钢丝绳隔振器由数根不锈钢钢丝绳绕制而成,其三向刚度接近1:1:1,稳定性比螺旋形钢丝绳隔振器好,承载能力弱于螺旋形钢丝绳隔振器;球形隔振器上下夹板呈圆形,稳定性也优于螺旋形钢丝绳隔振器,承载能力最强。虽然钢丝绳隔振器具有良好的性能且应用广泛,但是它因为自身形状特点,很难和形状复杂的工程结构有机地结合,从而限制了它的进一步应用。
 
    4. 金属橡胶隔振器:金属橡胶隔振器是将一定质量的螺旋形金属丝有序排放模具中冷冲压成型而成的均值弹性多孔材料,金属弹簧内部有许多孔洞,通过金属丝的挤压和摩擦呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能,同时又保持金属的优异特性。金属橡胶环境适应性好,具有耐高温、高压、高真空、超低温的特点,不怕真空环境粒子撞击,可工作在腐蚀环境产生老化等特点,并在航天航空领域、大型工业设备减振密封领域等得到了实际应用,被用于橡胶材料不能应用的环境。金属橡胶的缺点在于承载能力较弱。
 
    5. 空气弹簧隔振器:空气弹簧(又称气囊)是在柔性密闭容器中加入压力空气(使用压强一般为0.3~0.8Mpa),利用压缩空气产生非线性弹性回复力,实现隔振和缓冲。空气弹簧隔振器是理论和应用较为成熟的一类非线性隔振器,具有承载能力强、固有频率低、隔振性能好等优点。空气弹簧隔振器的刚度随负载的变化而改变,从而保证固有频率不随负载量变化。空气弹簧隔振器除广泛应用于舰载装备隔振外,还经常用于高速列车、机载动力装置、高级客车、光学隔振平台等系统的隔振。按气囊的结构型式,空气弹簧隔振器可分成囊式、膜式和复合式三种。囊式空气弹簧主要通过橡胶气囊的挠曲获得弹性变形,囊式空气弹簧分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧,曲数越多,空气弹簧刚度越多,密封性也越差;膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊卷曲获得弹簧变形,其有效面积变化率比囊式空气弹簧低,尺寸也较囊式空气弹簧小,在相同尺寸和压强下其刚度较囊式空气弹簧低,但是其高压密封性不如囊式空气弹簧;复合式空气弹簧兼有两种变形方式。空气弹簧的不足在于气体泄漏,长时间的使用会导致隔振器内部气压减小,直接影响隔振器的隔振性能。
 
       工程上还常见多种隔振材料和阻尼器的组合使用以提升隔振或缓冲效果,如在金属弹簧外覆盖橡胶层、金属弹簧和液压阻尼器组合使用等;此外,采用双层隔振系统或浮筏系统亦可进一步提出隔振性能。
 
    结论及展望
 
    当然,隔振器的种类不止上述几种,科研人员也在不断探究新的隔振机理,如利用周期分布的材料或结构形成声子晶体可阻止对一定频率范围内的振动传播,利用记忆合金材料实现非线性刚度特性等。目前,隔振器逐渐从单一隔振材料向多种隔振材料组合和功能隔振材料的方向发展;从以隔振为单一目标向隔振与隔声兼容、隔振与抗冲兼容方向发展;从以位移、加速度等单一物理量隔振向最小能量传递和最小振动传递率等多目标的隔振方向发展;从单一结构、单一介质的无源隔振器向多结构和变结构、多介质和性能可变介质的半主动、主被动混合隔振器的方向发展。

 


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