CN112861281A - 一种机械设备的减振设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械设备的减振设计方法，主要是将减振装置的参数选型、减振装置设计与设备结合起来，通过模态分析和静力结构分析得到减振装置的振型、固有频率和静载最大位移，结合环境振动工况对减振装置进行振型评估、减振效率计算，最终完成满足振型、减振效率和静载最大位移的减振装置；本发明减振设计方法能够将设备和环境振动源之间进行有效隔振，使得从振动源传递到设备的振动幅值大幅衰减，从而降低环境振动对设备的影响，提高设备运行的稳定性和可靠性。

Description

一种机械设备的减振设计方法
技术领域
本发明属于机械振动技术领域，具体涉及一种机械设备的减振设计方法。
背景技术
机械振动是导致很多机械、电子、电器等设备损坏、失效的主要原因，会降低设备的使用寿命和可靠性。为了避免机械振动对设备造成不利影响，提高设备和产品的寿命、可靠性和稳定性，减振设计是一个无法回避的问题。
现有的减振设计，主要是增加减振装置或减振设备，但这些减振装置或减振设备的设计往往只能定性设计，却很难定量计算评估，减振效果也不甚理想。现有的关于减振设计相关的理论，也只能对简单的单自由度系统进行定量计算和评估，但实际应用中却都不是简单的单自由度系统模型，而是更复杂的模型。
因此，对于实际的设备的减振设计，由于缺少理论依据和设计方法，很难对设备进行有效的减振设计和评估，使得很多减振设计效果不佳，达不到预期目标。
发明内容
本发明提供了一种机械设备的减振设计方法，该方法可以对实际产品和模型进行减振设计，并可以定量计算隔振效率，解决实际设备减振设计效果不佳的问题，提高减振设计水平，从而提高设备工作的稳定性和可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机械设备的减振设计方法，包括如下步骤
步骤S1，模型简化，估算质量：对机械设备的模型进行简化处理，然后估算其总质量；
步骤S2，减振装置的参数初选：根据机械设备的总质量，初步选择减振装置的类型及主要参数，根据额定载荷确定隔振器数量；
步骤S3，减振装置的设计：主要包括减振装置的底座、顶板尺寸的设计以及减振装置的布置，所述减振装置的布置包括减振装置的位置及布置方向；
步骤S4，模态分析和静力分析：对步骤S1中简化处理的模型进行模态仿真分析和静力形变分析；
步骤S5，确定环境工况：主要是确定环境振动较大的一个或若干个频率f；
步骤S6，振型评估：主要是评估步骤S4中模态仿真分析结果的低阶振型与减振方向是否一致，若不一致，则需要根据模态仿真分析结果返回步骤S3修改减振装置的布置；
步骤S7，减振效率的计算，按以下公式进行
Figure 50472DEST_PATH_IMAGE002
，
式中η为减振效率，T为减振前后的加速度的幅值比，其数值按以下公式计算
Figure 295509DEST_PATH_IMAGE004
式中λ为工况振动频率与减振装置固有频率的比值，ξ为阻尼比；
步骤S8，减振效率和位移评估：主要是减振装置的减振效率和最大静载位移是否同时满足要求，若有一不满足，则返回步骤S2重新选择减振装置；
步骤S9，设计完成：确定最终减振装置规格参数和完成减振装置的设计。
优选的，所述步骤S1中的简化处理须保持与原始模型相同的总质量并且保证质量分布基本保持一致，模型中的零件或子组件可用等质量的方块等效替代。
选的，所述步骤S2中的减振装置类型包括但不限于钢丝绳减振装置、弹簧减振装置、空气弹簧减振装置、液压阻尼减振装置、硅橡胶减振装置以及不同类型和参数减振装置的组合。
优选的，所述步骤S2中的减振装置参数包括但不限于减振装置尺寸、固有频率、额定载荷、静变形、阻尼比等。
优选的，所述步骤S2中减振装置的选用原则是优先选取额定载荷较低的减振装置。
优选的，所述步骤S3中的减振装置的布置与质量分布一致，包括但不限于均匀对称布置和非均匀布置。
优选的，所述步骤S4中的模态仿真分析和静力形变分析主要是在自重作用下的线性分析。
优选的，所述步骤S5中的振动频率f为振动幅值相对较大的一个或若干个频率。
优选的，所述步骤S5中的环境工况获取途径包括但不限于实际测量、国家标准、企业标准。
优选的，所述减振设计方法的步骤S6的一阶振型与减振方向一致，是指模态一阶振型为平振并且与减振方向相同，即竖直方向的减振装置对应的一阶振型应为上下平振，同理，其他方向的减振方向也应与振型对应。
与现有减振技术相比，本发明的有益效果是：
本发明减振设计方法直接利用了控制系统中已存在的价值函数信号进行故障诊断，价值函数只包含量纲一致的电流变量，不需要增加额外的测量装置或提取、采集、构造新的信号；在不增加额外设备的情况下，该方法比基于定子电流进行信号分析的故障诊断方法具有更高的灵敏度；该方法具备较高的通用性，可对永磁同步电机多种典型故障进行诊断。
减振装置的设计可以通过本发明进行定量计算和有效评估减振效果，设计效果好；本方法实用性好，应用领域广，便于技术推广。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图；
图2减振效率计算公式曲线；
图3为本发明一种实施例的减振装置；
图4为本发明一种实施例的应用装配图。
图5为本发明一种实测工况频谱图。
各附图标记为：10—减振装置，11—减振装置顶板，12—减振装置底座，13—减振器，20—机械设备。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参照图1、图2所示，发明公开的一种机械设备的减振设计方法，包括如下步骤。
步骤S1，模型简化，将机械设备的模型进行简化处理，然后估算其总质量。模型的简化处理必须保持与原始模型相同的总质量并且保证质量分布基本保持一致，模型中的零件或子组件可用等质量的方块等效替代。
步骤S2，根据隔振对象的总质量，初选减振装置的类型及主要参数，根据额定载荷确定隔振器数量。优选的，减振装置类型为钢丝绳减振装置，还包括但不限于弹簧减振装置、空气弹簧减振装置、液压阻尼减振装置、硅橡胶减振装置以及不同类型和参数减振装置的组合；优选的，减振装置的参数包括减振装置尺寸、固有频率、额定载荷、静变形、阻尼比等；优选的，减振装置的选用原则是优先选取额定载荷较低的减振装置。
步骤S3，减振装置的设计：主要包括减振装置的底座、顶板尺寸的设计以及减振装置的布置，所述减振装置的布置包括减振装置的位置及布置方向/依次设计减振装置的底座、顶板尺寸以及位置和布置方向。
作为其中一种实施例，如图3所示，该减振装置是用于竖直方向的减振，减振装置10主要包括减振装置底座12、减振装置顶板11和减振器13，减振装置的设计包括减振装置10的尺寸的设计以及减振器13的布置，所述减振器13的布置包括减振器13的位置及布置方向；应用该减振装置10的机械设备20如图4所示，减振器13的布置要求与机械设备20的质量分布一致，布置形式包括但不限于均匀对称布置和非均匀布置。
步骤S4，振器带步骤S1的简化模型进行模态仿真分析、静力形变分析；模态仿真分析和静力形变分析为在自重作用下的线性分析。
步骤S5，确定环境工况振动频率f。振动频率f为振动幅值相对较大的一个或若干个频率中的较小频率，环境振动工况获取途径为实际测量，包括但不限于国家标准、企业标准。作为振动工况获取途径的一种实施例，请参照图5，图5所示频谱图是通过加速度计等惯性测量装置采集环境振动工况的时域数据，提取竖直方向上振动的时域数据进行频谱变换，得到竖直方向的频谱图，由图5可以看出，该环境工况的振动主要是图中箭头标识处振动频率f，该频率即是主要工况频率f。
步骤S6，振型评估：主要是评估步骤S4中模态仿真分析结果的低阶振型与减振方向是否一致，若不一致，则需要根据模态仿真分析结果返回步骤S3修改减振装置的布置；优选的，步骤S4模态仿真分析的一阶振型与减振方向一致，是指模态一阶振型为平振并且与减振方向相同，作为实施例，步骤S3减振装置的减振方向为竖直方向，则步骤S4模态仿真分析的一阶振型也应为上下平振，振动的固有频率记为为f n ，同理，其他方向的减振方向也应与振型对应。
步骤S7，减振效率的计算，按以下公式进行：
Figure 75246DEST_PATH_IMAGE005
。
式中η为减振效率，T为减振前后的加速度的幅值比，其数值按以下公式计算：
Figure 470455DEST_PATH_IMAGE006
式中λ为工况振动频率与减振装置固有频率的比值，ξ为阻尼比，图2为减振效率T、频率比λ以及阻尼比ξ之间的关系图，为保证减振性能，系统的阻尼比为0.1∽0.3。
步骤S8，减振效率和位移评估：主要是减振装置的减振效率和最大静载位移是否同时满足要求，若不满足，则返回步骤S2重新选择减振装置。
步骤S9，减振装置的振型、减振效率和最大静变形均满足要求后，完成设计。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种机械设备的减振设计方法，其特征在于：包括如下步骤
步骤S1，对机械设备的模型进行简化处理，然后估算其总质量；
步骤S2，根据机械设备的总质量，初步选择减振装置的类型及主要参数，根据额定载荷确定隔振器数量；
步骤S3，依次设计减振装置的底座、顶板尺寸以及位置和布置方向；
步骤S4，对步骤S1中简化处理的模型进行模态仿真分析和静力形变分析；
步骤S5，确定环境振动较大的一个或若干个频率f；
步骤S6，评估步骤S4中模态仿真分析结果的低阶振型与减振方向是否一致，若不一致，则根据模态仿真分析结果返回步骤S3修改减振装置的布置；
步骤S7，按以下公式进行减振效率的计算：
Figure 281719DEST_PATH_IMAGE002
，
式中η为减振效率，T为减振前后的加速度的幅值比，其数值按以下公式计算
Figure 792335DEST_PATH_IMAGE004
式中λ为工况振动频率与减振装置固有频率的比值，ξ为阻尼比；
步骤S8，减振装置的减振效率和最大静载位移是否同时满足要求，否则返回步骤S2重新选择减振装置；
步骤S9，确定最终减振装置规格参数，完成减振装置的设计。
2.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的简化处理与原始模型的总质量及质量分布保持一致，模型中的零件或子组件用等质量的方块替代。
3.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S2中的减振装置类型包括钢丝绳减振装置、弹簧减振装置、空气弹簧减振装置、液压阻尼减振装置、硅橡胶减振装置及其组合。
4.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S2中的减振装置参数包括减振装置尺寸、固有频率、额定载荷、静变形及阻尼比。
5.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S2中减振装置的选用原则是优先选取额定载荷较低的减振装置。
6.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S3中的减振装置的布置与质量分布一致，包括均匀对称布置和非均匀布置。
7.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S4中的模态仿真分析和静力形变分析是在自重作用下的线性分析。
8.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S5中的振动频率f为振动幅值相对较大的一个或若干个频率。
9.根据权利要求8所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S5中的环境工况获取途径包括实际测量、国家标准及企业标准。
10.根据权利要求1所述的一种机械设备的减振设计方法，其特征在于，所述步骤S6中的低阶振型与减振方向一致，是指模态一阶振型为平振。
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