旋转机械设备基础隔振试验

摘要

　　旋转机械是一类最常见也是最重要的机械装置，广泛应用于各工业领域，如机床、压缩机、电机、航空发电机以及汽轮发电机等。旋转机械在运行的过程中，会因很多内在或外在因素引起转子振动，设备的振动不仅仅是影响其安全运行的重要因素，严重时甚至会给整个工业生产带来巨大的经济损失。研究并分析旋转机械系统的振动问题是保障设备稳定运行的关键措施之一。阻尼减振是常用的振动控制技术，金属橡胶隔振器具有阻尼特性大、抗冲击性强、耐高温、耐低温、耐腐蚀等良好性能，具有广阔的应用前景。

　　本论文在调研隔振技术及金属橡胶材料研究现状的基础上，针对旋转机械设备，结合其运行时基础振动的实际情况，提出应用金属橡胶隔振器为基础隔振手段，寻找旋转机械设备产生振动的原因，选择合适的隔振措施，借助隔振装置，耗散振动能量，减少或削弱振动的传播，有利于降低振动危害，提高设备寿命，优化噪声环境。

　　首先理论分析旋转机械的振动特性，并建立了旋转机械系统的动力学模型，讨论了主动隔振的绝对传递率、系统激振频率、运动响应等参量之间的关系，确定了基础支承和隔振器布置形式。制备了三组相对密度不同的金属橡胶元件，完成金属橡胶加载-卸载的静态实验，得到了金属橡胶元件的迟滞回线，根据金属橡胶的干摩擦耗能原理，说明了金属橡胶材料迟滞回线特征意义，计算获得了金属橡胶试块的等效弹性模量、等效刚度等。

　　以 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动试验台为例，进行了旋转机械基础支承的金属橡胶隔振器设计，并总结出基础隔振的一般设计方法。依照强度判定准则，对所设计的金属橡胶隔振器基于 ANSYS/Workbench 有限元软件进行非线性计算，验证了该隔振设计符合强度设计要求，发挥了摩擦耗能的作用。最终对旋转机械基础隔振的金属橡胶系统的力传递率进行计算，根据计算结果客观的评价了金属橡胶隔振元件在旋转机械系统振动中起到的隔振效果。

　　本文验证了金属橡胶在旋转机械设备基础隔振方面的有效性和可行性，为金属橡胶技术在旋转机械中的进一步应用起到促进作用，具有广泛的理论意义和实用价值。

　　关键词：旋转机械，隔振器，金属橡胶，基础隔振

ABSTRACT

　　Rotating machinery is one of the most common and most important mechanical devices, which are widely used in various industrial fields, such as machine tools, compressors, motors, aerogenerator and turbogenerator. During the operation of rotating machinery, the vibration of the rotor will be caused by many internal or external factors. The vibration of the equipment is not only an important factor affecting the safe operation of the machine, but it will even bring huge economic loss to the whole industrial production. Studying and analyzing the vibration problem of rotating machinery system is one of the key measures to ensure the stable operation of the equipment. Damping damping is a commonly used vibration control technology. Metal rubber isolator has good properties such as large damping characteristics, strong impact resistance, high temperature resistance, low temperature resistance, corrosion resistance and so on. It has a broad application prospect.

　　In this paper, based on the investigation of vibration isolation technology and the research status of metal rubber materials, in view of the actual situation of the rotating machinery and the basic vibration of its operation, the metal rubber isolator is used as the base isolation method to find the causes of the vibration of the rotating machinery and select the appropriate vibration isolation measures. The vibration device can dissipate vibration energy, reduce or weaken the propagation of vibration, reduce vibration hazard, improve equipment life and optimize noise environment. Firstly, the vibration characteristics of rotating machinery are analyzed theoretically, and the dynamic model of the rotating machinery system is established.

　　The relationship between the absolute transfer rate of active vibration isolation, the vibration frequency of the system, the motion response and so on is discussed, and the basic support and the arrangement of the vibration isolator are determined. Three groups of metal rubber components with different relative density were prepared, and the static experiment of loading and unloading of metal rubber was completed. The hysteresis loop of metal rubber components was obtained. According to the principle of dry friction energy consumption of metal rubber, the characteristic significance of the hysteresis loop of metal rubber material was explained. The equivalent elasticity of the metal rubber specimen was calculated. Modulus, equivalent stiffness, etc. Taking the ZDT-2Y/2W-3 rotating vibration test rig as an example, the design of the metal rubber isolator with the support of the rotary mechanical foundation is designed, and the general design method of the vibration isolation is summarized.

　　According to the strength criterion, the nonlinear calculation of the designed metal rubber isolator based on the ANSYS/Workbench finite element software proves that the vibration isolation design meets the requirements of strength design and exerts the effect of friction energy dissipation. Finally, the force transfer rate of the metal rubber system with the vibration isolation of the rotating machinery is calculated, and the vibration isolation effect of the metal rubber isolator in the vibration of the rotating mechanical system is objectively evaluated.

　　This paper validates the effectiveness and feasibility of metal rubber in the vibration isolation of rotating machinery and equipment, and promotes the further application of metal rubber technology in rotating machinery. It has extensive theoretical significance and practical value.

　　Keywords:Rotating machinery, Vibration isolator, metal rubber, base vibrationisolation

　　随着现代科学研究技术的不断发展以及现代化工业生产水平的逐步提高，大型旋转机械作为工业生产的关键设备，正在向着大型化、自动化和复杂化的方向发展，确保其运行过程中的安全显得尤其重要[1]。若是这些大型设备发生故障问题，就可能带来巨大的结构破坏以及经济损失。高转速运转下的旋转机械极易发生噪声与振动过大的状况。

　　振动会对机械设备产生很大的影响，干扰其稳定运行，因此针对旋转机械系统振动进行有效控制对于生产安全而言是十分必要的。深化振动理论、隔振降噪技术的研究，探究旋转机械的振动原因，通过隔振设计，实现振动能量的抑制，从而延长旋转机械的使用寿命，改善和优化人机工业环境是旋转机械产业内部亟待解决的热点问题。

　　一般情况下，对噪声与振动进行控制和削弱的方法就是改变扰动频率、对结构的改造以及动平衡的改善等等，但是最为有效和直接的方法之一是隔振[2-4]。隔振就是在设备的基础部位或是在设备出现振动的某些位置安装弹性单元，以削弱或隔离振动的传递，是一种常用的用于抑制振动的有效方法。隔振器是实施隔振的关键装置。

　　普通橡胶隔振器是目前应用比较广泛的隔振器类型，但在应用过程中，温度的剧烈变化或酸碱的腐蚀，极易使橡胶材料产生物理化学反应，产生龟裂、老化等现象，使其使用寿命大大缩短；有些非线性金属橡胶隔振器虽然性能优良，但结构比较复杂，加工困难，使用时又受到隔振频段的限制。利用金属橡胶重量轻、刚度可调、贮存寿命长、更换率低、阻尼性好等优良特点，设计适用于旋转机械用金属橡胶隔振器，提升旋转设备在特殊环境下的适用性，解决振动给旋转机械系统带来的危害。

　　金属橡胶隔振器内部是由金属丝之间相互交错而形成的空间网状结构，这种结构不仅近似于橡胶高分子结构并且其特性还与橡胶的特性相同，因此称其为金属橡胶。它是一类非线性迟滞干摩擦阻尼隔振器，主要依靠结构内部的各金属丝间的相互挤压、摩擦和滑移来耗散能量，以达到隔振减振的目的[5,6]。实践证明，国内外的众多学者在研究金属橡胶材料上都取得了很好的效果，并且他们将金属橡胶材料应用到产品中，现今金属橡胶产品的使用已非常广泛。

　　因此，根据旋转机械的振动特点，从理论研究和实验研究两方面入手，展开以金属橡胶材料为阻尼元件的隔振技术研究，通过对其基本性能、参数的研究，掌握金属橡胶隔振器的隔振规律，为旋转机械隔振设计提供技术参数，为金属橡胶在该领域的隔振应用提供方法支持，同时，为有效实现设备振动、冲击和噪声抑制奠定基础。

　　振动和冲击的来源很多，如机械的不平衡往复运动、空气动力学湍流、地震、公路和铁路运输等。振动会缩减零部件的使用年限，引起机械结构的疲劳磨损，造成仪器或设备的损坏等。所以，在工程技术当中一般要采用相对应的措施对结构或设备振动进行控制[7]。

　　1972 年 YaoJ.T.P.教授首先提出了振动控制技术[8]。在已往的 40 多年中，结构振动控制技术在国际范围内引起了巨大的关注和认可，众多国内外学者的研究成果已经慢慢从实验数据和结果应用到了实际工程中去，并获得了很好的效果。到目前为止，振动隔离技术已经成为机械振动噪声控制的核心技术之一。

　　在上面叙述的五种振动控制技术中，应用最为广泛的当为隔振。隔振其本质是在基础与设备间装置弹性衬垫例如软木块、弹簧、橡胶垫等来进行振动的隔离。按照振源性质区分，通常可以分为不同性质的两类隔振：主动隔振（积极隔振）是通过对振源施加隔振措施，防止对周围设备产生振动危害。被动隔振（消极隔振）是对周围设备、仪器采用隔振措施，防止或削弱外部振动对自己的影响，这类设备或仪表通常对外来振动干扰比较敏感。

　　根据隔离振动的结构区分，可以分为以下三种主要的隔振系统：单层隔振、双层隔振以及浮筏隔振。三种隔振体系分别有其各自的优劣：单层隔振是将弹性装置与机械设备当作是一个整体，弹性地安装在基础上，当激振力的频率大于设备本身频率的 2 倍时，证明隔振系统有效果。双层隔振是在单层隔振系统中再增加一个弹性支承着的中间质量，较之单层隔振系统的隔振效果更为显着，它能使从动力机械传到机体的振动传递隔离在低频区不少于 35dB，高频区可达 50dB。国内关于双层隔振系统设计、计算以及高阻尼的中间质量的制作方面已经逐步成熟，并在海军工程中开始实际应用。浮筏装置是继双层隔振后一个新的隔振技术。浮筏装置是把多台机械设备安装在一个公共的中间质量上（通常称为筏架），浮筏隔振适用于多激振源的振动隔离，常用在船体内部的振动隔离。减振浮筏装置一般均装有多种扰动力大小及频率各不相同机械设备，因此是一个具有多个激励源的双层隔振系统。筏架尺寸较大不宜视作刚体简化，需要考虑筏架构的弹性对隔振效果的影响。因此，在理论建模、设计计算、筏架设计、工艺制造等一系列间题上有较大难度。

　　因为在实际的振动系统当中也许会存在多个方向上的振动，因而可以按照所需的方向设计相对应的隔振装置。纵向振动相对横向振动对设备平衡或噪声的影响更大，所以主要针对旋转机械的纵向振动进行隔振。因此，本文采用单层隔振系统主动隔振技术，并利用金属橡胶的摩擦耗能，将其作为主要耗能材料来制备隔振器用于旋转机械系统隔振。

　　旋转机械设备基础隔振试验相关图表：

金属橡胶试块放置方式

旋转机械振动试验测试系统

常见基础隔振方案

金属橡胶隔振器布置形式

ZDT-2Y/2W-3 旋转振动试验台传感器测点布置

偏心距为 0mm 转速 1500r/min 时旋转机各测点振动时域曲线

偏心距为 0mm 转速 500r/min 时旋转机各个测点的加速度幅值对比

偏心距为 0mm 转速 1000r/min 时旋转机各个测点的加速度幅值对比

偏心距为 0mm 转速 1500r/min 时旋转机各个测点的加速度幅值对比

目 录

　　学位论文独创性声明
　　学位论文使用授权声明
　　摘 要
　　ABSTRACT
　　创新点摘要
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题的研究背景和意义
　　　　1.2 振动控制技术的研究内容及发展现状
　　　　1.3 旋转机械的振动与隔振发展现状
　　　　1.4 隔振装置的研究及发展现状
　　　　　　1.4.1 隔振装置的研究现状
　　　　　　1.4.2 金属橡胶的研究现状
　　　　1.5 本文主要研究内容
　　第二章 旋转机械振动特性分析
　　　　2.1 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动实验台介绍
　　　　　　2.1.1 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动试验台基本参数
　　　　　　2.1.2 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动试验台传动路线
　　　　2.2 旋转机械振动特性分析
　　　　　　2.2.1 旋转振动试验台系统模型
　　　　　　2.2.2 隔振效果评估指标
　　　　2.3 旋转机械振动的基本特性
　　　　2.4 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动试验台的模态分析
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 旋转试验台隔振设计与制备
　　　　3.1 旋转振动试验台隔振器设计
　　　　　　3.1.1 旋转振动试验台金属橡胶隔振器设计计算
　　　　3.2 金属橡胶弹性单元的制备
　　　　　　3.2.1 金属橡胶金属丝材料的选择
　　　　　　3.2.2 金属橡胶螺旋卷的缠绕与毛坯制备
　　　　　　3.2.3 金属橡胶隔振元件的冲压与后期处理
　　　　3.3 旋转机械基础支承隔振器设计一般方法
　　　　3.4 金属橡胶隔振元件的静态特性实验
　　　　　　3.4.1 静态实验装置
　　　　　　3.4.2 静态特性参数分析
　　　　　　3.4.3 静态试验结果分析
　　　　　　3.4.4 金属橡胶材料等效参数的确定
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 金属橡胶隔振单元的有限元仿真
　　　　4.1 强度判定准则
　　　　4.2 金属橡胶有限元模型建立
　　　　　　4.2.1 模型建立
　　　　　　4.2.2 网格划分
　　　　4.3 金属橡胶有限元模型参数设置
　　　　　　4.3.1 ANSYS/Workbench 中的单位制
　　　　　　4.3.2 材料的属性设置
　　　　　　4.3.2 约束和载荷的添加
　　　　4.4 金属橡胶有限元仿真结果分析
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 旋转机械的金属橡胶隔振试验研究
　　　　5.1 旋转机械基础隔振方法
　　　　5.2 旋转机械基础隔振试验工况确定
　　　　　　5.2.1 振动测试原理
　　　　　　5.2.2 隔振器的安装
　　　　　　5.2.3 基础隔振试验工况确定
　　　　5.3 旋转机械基础隔振测试数据处理与结果分析
　　　　　　5.3.1 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动振动试验台基础隔振测试曲线
　　　　　　5.3.2 ZDT-2Y/2W-3 旋转振动振动试验台基础隔振不同偏心工况的试验结果分析44
　　　　　　5.3.3 旋转机械金属橡胶基础隔振效果评价
　　　　5.4 本章小结
　　结 论
　　发表文章目录
　　参考文献
　　致 谢

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