CN104265828B - 一种仿生层间过渡振动能耗散结构 - Google Patents

一种仿生层间过渡振动能耗散结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于给机械结构减振降噪的阻尼结构，具体为一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层的材料弹性模量取值范围为7×1010~2.1×1011？Pa，仿生阻尼层的材料弹性模量取值范围为1×105~1×107？Pa，过渡缓冲层的材料弹性模量取值介于仿生阻尼层和弹性约束层之间，本发明可广泛用于各类机械或结构的减振降噪，尤其是应用于一些薄壳结构的曲面上。

Description

一种仿生层间过渡振动能耗散结构
技术领域
本发明涉及用于给机械结构减振降噪的阻尼结构，具体为一种仿生层间过渡振动能耗散结构。
背景技术
在进行机械结构减振降噪设计中，增加阻尼结构是一种行之有效的方法。然而，同一阻尼结构又通常有两种不同的形态：自由阻尼型结构和约束阻尼型结构，所谓自由阻尼型结构，是把一层具有大阻尼的粘弹性阻尼材料，通过一定方式，附着于需要做减振处理的机械结构上，这样，当机械结构振动时，粘弹性阻尼材料就会受到交变的拉压应力和应变，从而将机械振动能转化为热能进行耗散；约束阻尼型结构，是在上述自由阻尼型结构的基础上，又添加了一层弹性约束层，这样，机械结构振动时，粘弹性阻尼材料同时承受拉压变形和剪切变形，因此，增加了约束阻尼型结构的耗能效果。
专利号为201110054805.0的管道减振降噪方法及周期性阻尼结构，其特征在于：在管道外侧按一定的间隔粘附多个阻尼片。该结构在一定程度上能降低管道振动及辐射噪声。但是，上述专利的管道减振阻尼结构，为前面所述的自由阻尼型结构，其在振动能量耗散的能力方面是有一定限制的。
发明内容
本发明为了解决现有的阻尼结构的能量耗散能力有限的问题，提供了一种仿生层间过渡振动能耗散结构。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层所用材料的材料弹性模量取值范围为7×1010~2.1×1011Pa，泊松比取值范围为0.25~0.35，密度取值范围为2500~7850kg/m3，仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量取值范围为1×105~1×107Pa，泊松比取值范围为0.45~0.5，密度取值范围为800~1400kg/m3，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量取值介于仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量和弹性约束层所用材料的材料弹性模量之间，泊松比取值范围为0.3~0.45，密度取值范围为30~1200kg/m3。
自然界的动植物经过漫长的进化和优胜劣汰的选择，已经具有很好的力学特性，为机械结构的缓冲设计提供了一定的参考，对马蹄特有的“角质层/皮下层/弹性纤维脂肪层”组织结构进行分析，研究其优越的承重、耐磨、抗冲击性能。根据马蹄角质层对马蹄起到包裹、保护作用的原理，在本发明的仿生层间过渡振动能耗散结构中，可采用一种类马蹄角质层结构的弹性约束层，以增加需要保护的机械结构的抗冲击、耐磨性能；分析弹性纤维脂肪层对振动能高耗能的特性，在仿生层间过渡振动能耗散结构中设置了具有高振动能量耗散率的仿生阻尼层，以模仿实现弹性纤维脂肪层的类似功能；模仿皮下层所具有的弹性缓冲功能，设置了过渡缓冲层结构，类似于杠杆放大作用，可增加仿生阻尼层的剪切变形，同时，过渡缓冲层还具有类似弹簧的作用，能够储存瞬时冲击能；特别地在仿生层间过渡振动能耗散结构中增加了过渡缓冲层，大幅度增大仿生阻尼层的剪切变形效果，增大仿生层间过渡振动能耗散结构的损耗因子值，从而达到预期的减振效果；同时对各层所用材料进行了优选，保证了耗能的效果。
上述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，仿生阻尼层的靠里层加入了片状或颗粒状石墨，石墨可以增加仿生阻尼层内部摩擦，限制其内部长分子链的活动，加大了对外界振动能量的转化。
上述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，仿生阻尼层的靠外层加入金属绕丝和金属颗粒，金属绕丝可以为直径范围为0.2~1mm的铝丝、铝箔材料丝、钢丝、铜丝等，金属颗粒可以为Al2O3、SiC、Fe、钢颗粒、Cu颗粒等，该仿生层间过渡振动能耗散结构中设有过渡缓冲层，过渡缓冲层增加了仿生阻尼层的剪切变形效果，仿生阻尼层由振动能转化为的热能也增加，所以为了满足热强度的要求，在仿生阻尼层的靠外层中加入金属绕丝和颗粒复合材料，有助于热能的耗散。
上述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，管体在圆周方向等分为3-8段，每段之间的间断距离为3-5mm；多段间隔后，整个结构的耗能为仿生阻尼层的剪切变形的耗能和间断处部分材料的拉伸应变耗能之和，故有更好的减振作用。
上述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量与仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量之比不小于10，过渡缓冲层与仿生阻尼层厚度之比不小于1.5，为了保证过渡缓冲层具有一定的剪切刚度，从而能够把基础层的剪切变形传递到仿生阻尼层，而不是其本身吸收了基础层的剪切变形；同时，能够保证对该仿生层间过渡振动能耗散结构的弯曲刚度不会有很大的影响。
上述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，弹性约束层所用材料为金属基复合材料，以金属为基体，并添加石墨纤维等为增强体，以增加需要保护的机械结构的抗冲击、耐磨性能。
本发明的仿生层间过渡振动能耗散结构，可广泛用于各类机械或结构的减振降噪，尤其是应用于一些薄壳结构的曲面上，例如，鼓风机外壳、各种管道、轴类零件、各类工程车辆等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的横截面图。
图3为加入过渡缓冲层的振动能耗散结构和未加入过渡缓冲层的振动能耗散结构的结构损耗因子对比图。
图4为驱动链轮的结构示意图。
图5为实施例二的实施示意图。
图中：1-过渡缓冲层，2-仿生阻尼层，3-弹性约束层，4-要保护的机械构件。
具体实施方式
实施例一，履带式行走系中“四轮（驱动链轮、托链轮、张紧轮和支重轮）”在行走运动中经常与履带板之间发生碰撞冲击，是履带式行走系中的主振动源，其中的驱动链轮在传递动力的同时还受到来自工作装置和地面的强大振动与冲击。对大型、特大型工程机械而言，其工作载荷大，当直接剥离表土、岩石等进行作业时，设备尾部剧烈的冲击载荷直接作用到驱动链轮上；另外当工程机械遇到需要翻越坚硬突出的障碍物时，由于设备落地时形成的振动冲击同样会对驱动链轮产生脉冲载荷，因此对驱动链轮实施减振技术就显得十分重要及必要。
图4为一种组合式驱动链轮示意图。从中可以看出，对驱动链轮现存的整体式结构进行了拆分，演变为由分离的内、外齿盘组合而成。每个内齿盘的外围轮缘处突出十个“大拇指”状圆筒，圆筒直径92mm，本发明的仿生层间过渡振动能耗散结构正好套在突出的十个圆筒上，该结构的过渡缓冲层厚13mm,所用材料为树脂玻璃，材料弹性模量取为4.59×109Pa，泊松比为0.35，密度为1200kg/m3；仿生阻尼层厚5.5mm,所用材料为3M公司的ISD-112，材料弹性模量取为2.67×106Pa，泊松比为0.49，密度为999kg/m3；在其靠里层添加颗粒状石墨，靠外层添加直径为1mm的不锈钢丝和钢颗粒，弹性约束层厚8mm,所用材料为铁基复合材料，材料弹性模量取为1.2×1011Pa，泊松比为0.25，密度为7550kg/m3.在圆周方向等分为3段，每段之间的间断距离为3mm。安装时用压力机把该仿生层间过渡振动能耗散结构压到内齿盘上，然后把装有仿生层间过渡振动能耗散结构的内齿盘再嵌入外齿盘中。此圆柱状层间过渡振动能耗散结构为一种对称阻尼结构，这样设计的好处在于，不论工程机械前进或后退，该耗能结构均可把作用在其行走系上的机械能转换成阻尼层材料的内摩擦能，并且以热能形式散逸掉，故在一定程度上可以降低车辆工作时的振动级别。
仿生层间过渡振动能耗散结构在工程机械的驱动链轮应用后的有益效果为：1）因工程机械作业工况变化多端，且十分恶劣，工程机械上的大多数套状（管、环）结构又属易损件，使用寿命约为2000~3000h，更换频繁，在这些套状结构上安装上此仿生层间过渡振动能耗散结构后，使用寿命可达10000~12000h；2）提高了工程机械司机的驾驶舒适性，在座椅处所测的振动水平降低8％；3）提高了工程机械作业生产率达12%。
实施例二：将仿生层间过渡振动能耗散结构应用到某轮式工程车辆悬挂结构中，该轮式工程车辆的一个轮胎质量m1=45kg，轮式工程车辆的车体及工作装置总质量m2=1200kg，轮胎的刚度k1=2.6×105N/m,车轮的结构损耗因子η1=0.05，仿生层间过渡振动能耗散结构的刚度k2=3.5×106N/m,仿生层间过渡振动能耗散结构的结构损耗因子η2=0.14，该结构过渡缓冲层所用材料为美国声涂料公司生产的DYAD609，材料弹性模量取为2.9×108Pa，泊松比为0.3，密度为1200kg/m3，厚度为3mm，仿生阻尼层所用材料为一种弹性凝胶，材料弹性模量取为6.1×106Pa，泊松比为0.499，密度为1130kg/m3，厚度为1.2mm，弹性约束层所用材料是由钢和石墨纤维制成的复合材料，材料弹性模量取为2.0×1011Pa，泊松比为0.33，密度为7850kg/m3，厚度为1.0mm。在圆周方向等分为6段，每段之间的间断距离为3mm。在两种不同的路面条件下（1.野外崎岖不平地面；2.农村耕地类路面）进行仿真分析。
下表为第一种路面条件下，安装仿生层间过渡振动能耗散结构前后的车体质心对路面输入的加速度响应的均方根值对比。（加速度单位：m/s2）
车辆行驶速度（m/s） 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.2
安装前 5.8 7.8 9.6 11.0 12.2 13.8 15.1
安装后 2.1 3.5 4.0 5.1 5.8 6.4 6.8
下表为第二种路面条件下，安装仿生层间过渡振动能耗散结构前后的车体质心对路面输入的加速度响应的均方根值对比。（加速度单位：m/s2）
车辆行驶速度（m/s） 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.2
安装前 3.8 4.2 5.8 6.0 6.2 7.0 7.3
安装后 1.9 2.2 2.8 3.2 3.5 3.9 4.0
从上述的两表中可以看出，在轮式工程车辆上安装仿生层间过渡振动能耗散结构后，车体质心对路面输入的加速度响应的均方根值大大降低，车体的振动减小，提高了司机驾驶时的舒适性。
实施例三：本发明也可应用于轻轨列车转向架的阻尼减振的设计中。转向架是轻轨列车重要组成部件之一，而构架是转向架的骨架，其结构设计的合理性直接影响到列车的运行品质。将仿生层间过渡振动能耗散结构应用在H型构架的横梁，横梁(基础层)的直径165mm,壁厚14mm,材料为钢板，材料弹性模量取为2.1×1011Pa，泊松比为0.25，密度为7800kg/m3；仿生阻尼层厚度为5mm,采用天然橡胶，材料弹性模量为7.629×106Pa，泊松比为0.45，密度为1000kg/m3，在其靠里层添加片状石墨，靠外层添加直径为0.5mm的铝丝和Al2O3颗粒，过渡缓冲层厚度为10mm,采用聚氨基甲酸脂片型料，材料弹性模量为1.172×108Pa，泊松比为0.45，密度为48kg/m3，弹性约束层厚度为3mm,材料为铝基复合材料，弹性模量为7.29×1010Pa，泊松比为0.33，密度为2780kg/m3。在圆周方向等分为4段，每段之间的间断距离为3mm。本发明应用于轻轨列车转向架，可使车内噪声级下降4dB左右。
实施例四：一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层所用材料的材料弹性模量取值为7×1010Pa，泊松比取值为0.25，密度取值为2500kg/m3，仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量取值为1×105Pa，泊松比取值为0.45，密度取值为800kg/m3，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量取值为3×107Pa，泊松比取值为0.3，密度取值为30kg/m3，仿生阻尼层的靠外层加入直径为0.2mm的铝丝和Al2O3颗粒，管体在圆周方向等分为3段，每段之间的间隔为3mm。
实施例五：一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层所用材料的材料弹性模量取值为2.1×1011Pa，泊松比取值为0.35，密度取值为7850kg/m3，仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量取值为1×107Pa，泊松比取值为0.5，密度取值为1400kg/m3，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量取值为1×108Pa，泊松比取值为0.45，密度取值为1200kg/m3，仿生阻尼层的靠外层加入直径为1mm的铜丝和铜颗粒，管体在圆周方向等分为8段，每段之间的间隔为4mm。
实施例六：一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层所用材料的材料弹性模量取值为9×1010Pa，泊松比取值为0.28，密度取值为4500kg/m3，仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量取值为9×105Pa，泊松比取值为0.47，密度取值为1000kg/m3，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量取值4×108Pa，泊松比取值为0.36，密度取值为500kg/m3，仿生阻尼层的靠外层加入直径为0.4mm的钢丝和钢颗粒，管体在圆周方向等分为5段，每段之间的间隔为3.5mm。
实施例七：一种仿生层间过渡振动能耗散结构，为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层，中间层为仿生阻尼层，最外层为弹性约束层，其中弹性约束层所用材料的材料弹性模量取值为1×1011Pa，泊松比取值为0.32，密度取值为6500kg/m3，仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量取值为8×106Pa，泊松比取值为0.49，密度取值为1200kg/m3，过渡缓冲层所用材料的材料弹性模量取值3×109Pa，泊松比取值为0.42，密度取值为800kg/m3，仿生阻尼层的靠外层加入直径为0.8mm的铝箔材料丝和Fe颗粒，管体在圆周方向等分为7段，每段之间的间隔为5mm。

Claims (5)

1.一种仿生层间过渡振动能耗散结构，其特征在于为横截面为环形层状结构的管体，管体的里层为过渡缓冲层（1），中间层为仿生阻尼层（2），最外层为弹性约束层（3），其中弹性约束层（3）所用材料的材料弹性模量取值范围为7×1010~2.1×1011Pa，泊松比取值范围为0.25~0.35，密度取值范围为2500~7850kg/m3，仿生阻尼层（2）所用材料的材料弹性模量取值范围为1×105~1×107Pa，泊松比取值范围为0.45~0.5，密度取值范围为800~1400kg/m3，过渡缓冲层（1）所用材料的材料弹性模量取值介于仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量和弹性约束层所用材料的材料弹性模量之间，泊松比取值范围为0.3~0.45，密度取值范围为30~1200kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，其特征在于仿生阻尼层（2）的靠里层加入了片状或颗粒状石墨。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，其特征在于仿生阻尼层（2）的靠外层加入金属绕丝和金属颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，其特征在于管体在圆周方向等分为3-8段，每段之间的间隔为3-5mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种仿生层间过渡振动能耗散结构，其特征在于过渡缓冲层（1）所用材料的材料弹性模量与仿生阻尼层所用材料的材料弹性模量之比不小于10，过渡缓冲层与仿生阻尼层厚度之比不小于1.5。
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