摘要

　　旋轉機械是一類(lèi)最常見(jiàn)也是最重要的機械裝置，廣泛應用于各工業(yè)領(lǐng)域，如機床、壓縮機、電機、航空發(fā)電機以及汽輪發(fā)電機等。旋轉機械在運行的過(guò)程中，會(huì )因很多內在或外在因素引起轉子振動(dòng)，設備的振動(dòng)不僅僅是影響其安全運行的重要因素，嚴重時(shí)甚至會(huì )給整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。研究并分析旋轉機械系統的振動(dòng)問(wèn)題是保障設備穩定運行的關(guān)鍵措施之一。阻尼減振是常用的振動(dòng)控制技術(shù)，金屬橡膠隔振器具有阻尼特性大、抗沖擊性強、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等良好性能，具有廣闊的應用前景。

　　本論文在調研隔振技術(shù)及金屬橡膠材料研究現狀的基礎上，針對旋轉機械設備，結合其運行時(shí)基礎振動(dòng)的實(shí)際情況，提出應用金屬橡膠隔振器為基礎隔振手段，尋找旋轉機械設備產(chǎn)生振動(dòng)的原因，選擇合適的隔振措施，借助隔振裝置，耗散振動(dòng)能量，減少或削弱振動(dòng)的傳播，有利于降低振動(dòng)危害，提高設備壽命，優(yōu)化噪聲環(huán)境。

　　首先理論分析旋轉機械的振動(dòng)特性，并建立了旋轉機械系統的動(dòng)力學(xué)模型，討論了主動(dòng)隔振的絕對傳遞率、系統激振頻率、運動(dòng)響應等參量之間的關(guān)系，確定了基礎支承和隔振器布置形式。制備了三組相對密度不同的金屬橡膠元件，完成金屬橡膠加載-卸載的靜態(tài)實(shí)驗，得到了金屬橡膠元件的遲滯回線(xiàn)，根據金屬橡膠的干摩擦耗能原理，說(shuō)明了金屬橡膠材料遲滯回線(xiàn)特征意義，計算獲得了金屬橡膠試塊的等效彈性模量、等效剛度等。

　　以 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)試驗臺為例，進(jìn)行了旋轉機械基礎支承的金屬橡膠隔振器設計，并總結出基礎隔振的一般設計方法。依照強度判定準則，對所設計的金屬橡膠隔振器基于 ANSYS/Workbench 有限元軟件進(jìn)行非線(xiàn)性計算，驗證了該隔振設計符合強度設計要求，發(fā)揮了摩擦耗能的作用。最終對旋轉機械基礎隔振的金屬橡膠系統的力傳遞率進(jìn)行計算，根據計算結果客觀(guān)的評價(jià)了金屬橡膠隔振元件在旋轉機械系統振動(dòng)中起到的隔振效果。

　　本文驗證了金屬橡膠在旋轉機械設備基礎隔振方面的有效性和可行性，為金屬橡膠技術(shù)在旋轉機械中的進(jìn)一步應用起到促進(jìn)作用，具有廣泛的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：旋轉機械，隔振器，金屬橡膠，基礎隔振

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

　　隨著(zhù)現代科學(xué)研究技術(shù)的不斷發(fā)展以及現代化工業(yè)生產(chǎn)水平的逐步提高，大型旋轉機械作為工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設備，正在向著(zhù)大型化、自動(dòng)化和復雜化的方向發(fā)展，確保其運行過(guò)程中的安全顯得尤其重要[1]。若是這些大型設備發(fā)生故障問(wèn)題，就可能帶來(lái)巨大的結構破壞以及經(jīng)濟損失。高轉速運轉下的旋轉機械極易發(fā)生噪聲與振動(dòng)過(guò)大的狀況。

　　振動(dòng)會(huì )對機械設備產(chǎn)生很大的影響，干擾其穩定運行，因此針對旋轉機械系統振動(dòng)進(jìn)行有效控制對于生產(chǎn)安全而言是十分必要的。深化振動(dòng)理論、隔振降噪技術(shù)的研究，探究旋轉機械的振動(dòng)原因，通過(guò)隔振設計，實(shí)現振動(dòng)能量的抑制，從而延長(cháng)旋轉機械的使用壽命，改善和優(yōu)化人機工業(yè)環(huán)境是旋轉機械產(chǎn)業(yè)內部亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　一般情況下，對噪聲與振動(dòng)進(jìn)行控制和削弱的方法就是改變擾動(dòng)頻率、對結構的改造以及動(dòng)平衡的改善等等，但是最為有效和直接的方法之一是隔振[2-4]。隔振就是在設備的基礎部位或是在設備出現振動(dòng)的某些位置安裝彈性單元，以削弱或隔離振動(dòng)的傳遞，是一種常用的用于抑制振動(dòng)的有效方法。隔振器是實(shí)施隔振的關(guān)鍵裝置。

　　普通橡膠隔振器是目前應用比較廣泛的隔振器類(lèi)型，但在應用過(guò)程中，溫度的劇烈變化或酸堿的腐蝕，極易使橡膠材料產(chǎn)生物理化學(xué)反應，產(chǎn)生龜裂、老化等現象，使其使用壽命大大縮短；有些非線(xiàn)性金屬橡膠隔振器雖然性能優(yōu)良，但結構比較復雜，加工困難，使用時(shí)又受到隔振頻段的限制。利用金屬橡膠重量輕、剛度可調、貯存壽命長(cháng)、更換率低、阻尼性好等優(yōu)良特點(diǎn)，設計適用于旋轉機械用金屬橡膠隔振器，提升旋轉設備在特殊環(huán)境下的適用性，解決振動(dòng)給旋轉機械系統帶來(lái)的危害。

　　金屬橡膠隔振器內部是由金屬絲之間相互交錯而形成的空間網(wǎng)狀結構，這種結構不僅近似于橡膠高分子結構并且其特性還與橡膠的特性相同，因此稱(chēng)其為金屬橡膠。它是一類(lèi)非線(xiàn)性遲滯干摩擦阻尼隔振器，主要依靠結構內部的各金屬絲間的相互擠壓、摩擦和滑移來(lái)耗散能量，以達到隔振減振的目的[5,6]。實(shí)踐證明，國內外的眾多學(xué)者在研究金屬橡膠材料上都取得了很好的效果，并且他們將金屬橡膠材料應用到產(chǎn)品中，現今金屬橡膠產(chǎn)品的使用已非常廣泛。

　　因此，根據旋轉機械的振動(dòng)特點(diǎn)，從理論研究和實(shí)驗研究?jì)煞矫嫒胧郑�展開(kāi)以金屬橡膠材料為阻尼元件的隔振技術(shù)研究，通過(guò)對其基本性能、參數的研究，掌握金屬橡膠隔振器的隔振規律，為旋轉機械隔振設計提供技術(shù)參數，為金屬橡膠在該領(lǐng)域的隔振應用提供方法支持，同時(shí)，為有效實(shí)現設備振動(dòng)、沖擊和噪聲抑制奠定基礎。

　　振動(dòng)和沖擊的來(lái)源很多，如機械的不平衡往復運動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)湍流、地震、公路和鐵路運輸等。振動(dòng)會(huì )縮減零部件的使用年限，引起機械結構的疲勞磨損，造成儀器或設備的損壞等。所以，在工程技術(shù)當中一般要采用相對應的措施對結構或設備振動(dòng)進(jìn)行控制[7]。

　　1972 年 YaoJ.T.P.教授首先提出了振動(dòng)控制技術(shù)[8]。在已往的 40 多年中，結構振動(dòng)控制技術(shù)在國際范圍內引起了巨大的關(guān)注和認可，眾多國內外學(xué)者的研究成果已經(jīng)慢慢從實(shí)驗數據和結果應用到了實(shí)際工程中去，并獲得了很好的效果。到目前為止，振動(dòng)隔離技術(shù)已經(jīng)成為機械振動(dòng)噪聲控制的核心技術(shù)之一。

　　在上面敘述的五種振動(dòng)控制技術(shù)中，應用最為廣泛的當為隔振。隔振其本質(zhì)是在基礎與設備間裝置彈性襯墊例如軟木塊、彈簧、橡膠墊等來(lái)進(jìn)行振動(dòng)的隔離。按照振源性質(zhì)區分，通常可以分為不同性質(zhì)的兩類(lèi)隔振：主動(dòng)隔振（積極隔振）是通過(guò)對振源施加隔振措施，防止對周?chē)�設備產(chǎn)生振動(dòng)危害。被動(dòng)隔振（消極隔振）是對周?chē)�設備、儀器采用隔振措施，防止或削弱外部振動(dòng)對自己的影響，這類(lèi)設備或儀表通常對外來(lái)振動(dòng)干擾比較敏感。

　　根據隔離振動(dòng)的結構區分，可以分為以下三種主要的隔振系統：?jiǎn)螌痈粽瘛㈦p層隔振以及浮筏隔振。三種隔振體系分別有其各自的優(yōu)劣：?jiǎn)螌痈粽袷菍�彈性裝置與機械設備當作是一個(gè)整體，彈性地安裝在基礎上，當激振力的頻率大于設備本身頻率的 2 倍時(shí)，證明隔振系統有效果。雙層隔振是在單層隔振系統中再增加一個(gè)彈性支承著(zhù)的中間質(zhì)量，較之單層隔振系統的隔振效果更為顯著(zhù)，它能使從動(dòng)力機械傳到機體的振動(dòng)傳遞隔離在低頻區不少于 35dB，高頻區可達 50dB。國內關(guān)于雙層隔振系統設計、計算以及高阻尼的中間質(zhì)量的制作方面已經(jīng)逐步成熟，并在海軍工程中開(kāi)始實(shí)際應用。浮筏裝置是繼雙層隔振后一個(gè)新的隔振技術(shù)。浮筏裝置是把多臺機械設備安裝在一個(gè)公共的中間質(zhì)量上（通常稱(chēng)為筏架），浮筏隔振適用于多激振源的振動(dòng)隔離，常用在船體內部的振動(dòng)隔離。減振浮筏裝置一般均裝有多種擾動(dòng)力大小及頻率各不相同機械設備，因此是一個(gè)具有多個(gè)激勵源的雙層隔振系統。筏架尺寸較大不宜視作剛體簡(jiǎn)化，需要考慮筏架構的彈性對隔振效果的影響。因此，在理論建模、設計計算、筏架設計、工藝制造等一系列間題上有較大難度。

　　因為在實(shí)際的振動(dòng)系統當中也許會(huì )存在多個(gè)方向上的振動(dòng)，因而可以按照所需的方向設計相對應的隔振裝置。縱向振動(dòng)相對橫向振動(dòng)對設備平衡或噪聲的影響更大，所以主要針對旋轉機械的縱向振動(dòng)進(jìn)行隔振。因此，本文采用單層隔振系統主動(dòng)隔振技術(shù)，并利用金屬橡膠的摩擦耗能，將其作為主要耗能材料來(lái)制備隔振器用于旋轉機械系統隔振。

　　旋轉機械設備基礎隔振試驗相關(guān)圖表：

金屬橡膠試塊放置方式

旋轉機械振動(dòng)試驗測試系統

常見(jiàn)基礎隔振方案

金屬橡膠隔振器布置形式

ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)試驗臺傳感器測點(diǎn)布置

偏心距為 0mm 轉速 1500r/min 時(shí)旋轉機各測點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域曲線(xiàn)

偏心距為 0mm 轉速 500r/min 時(shí)旋轉機各個(gè)測點(diǎn)的加速度幅值對比

偏心距為 0mm 轉速 1000r/min 時(shí)旋轉機各個(gè)測點(diǎn)的加速度幅值對比

偏心距為 0mm 轉速 1500r/min 時(shí)旋轉機各個(gè)測點(diǎn)的加速度幅值對比

目 錄

　　學(xué)位論文獨創(chuàng )性聲明
　　學(xué)位論文使用授權聲明
　　摘 要
　　ABSTRACT
　　創(chuàng )新點(diǎn)摘要
　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題的研究背景和意義
　　　　1.2 振動(dòng)控制技術(shù)的研究?jì)热菁鞍l(fā)展現狀
　　　　1.3 旋轉機械的振動(dòng)與隔振發(fā)展現狀
　　　　1.4 隔振裝置的研究及發(fā)展現狀
　　　　　　1.4.1 隔振裝置的研究現狀
　　　　　　1.4.2 金屬橡膠的研究現狀
　　　　1.5 本文主要研究?jì)热?br /> 　　第二章 旋轉機械振動(dòng)特性分析
　　　　2.1 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)實(shí)驗臺介紹
　　　　　　2.1.1 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)試驗臺基本參數
　　　　　　2.1.2 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)試驗臺傳動(dòng)路線(xiàn)
　　　　2.2 旋轉機械振動(dòng)特性分析
　　　　　　2.2.1 旋轉振動(dòng)試驗臺系統模型
　　　　　　2.2.2 隔振效果評估指標
　　　　2.3 旋轉機械振動(dòng)的基本特性
　　　　2.4 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)試驗臺的模態(tài)分析
　　　　2.5 本章小結
　　第三章 旋轉試驗臺隔振設計與制備
　　　　3.1 旋轉振動(dòng)試驗臺隔振器設計
　　　　　　3.1.1 旋轉振動(dòng)試驗臺金屬橡膠隔振器設計計算
　　　　3.2 金屬橡膠彈性單元的制備
　　　　　　3.2.1 金屬橡膠金屬絲材料的選擇
　　　　　　3.2.2 金屬橡膠螺旋卷的纏繞與毛坯制備
　　　　　　3.2.3 金屬橡膠隔振元件的沖壓與后期處理
　　　　3.3 旋轉機械基礎支承隔振器設計一般方法
　　　　3.4 金屬橡膠隔振元件的靜態(tài)特性實(shí)驗
　　　　　　3.4.1 靜態(tài)實(shí)驗裝置
　　　　　　3.4.2 靜態(tài)特性參數分析
　　　　　　3.4.3 靜態(tài)試驗結果分析
　　　　　　3.4.4 金屬橡膠材料等效參數的確定
　　　　3.5 本章小結
　　第四章 金屬橡膠隔振單元的有限元仿真
　　　　4.1 強度判定準則
　　　　4.2 金屬橡膠有限元模型建立
　　　　　　4.2.1 模型建立
　　　　　　4.2.2 網(wǎng)格劃分
　　　　4.3 金屬橡膠有限元模型參數設置
　　　　　　4.3.1 ANSYS/Workbench 中的單位制
　　　　　　4.3.2 材料的屬性設置
　　　　　　4.3.2 約束和載荷的添加
　　　　4.4 金屬橡膠有限元仿真結果分析
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 旋轉機械的金屬橡膠隔振試驗研究
　　　　5.1 旋轉機械基礎隔振方法
　　　　5.2 旋轉機械基礎隔振試驗工況確定
　　　　　　5.2.1 振動(dòng)測試原理
　　　　　　5.2.2 隔振器的安裝
　　　　　　5.2.3 基礎隔振試驗工況確定
　　　　5.3 旋轉機械基礎隔振測試數據處理與結果分析
　　　　　　5.3.1 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)振動(dòng)試驗臺基礎隔振測試曲線(xiàn)
　　　　　　5.3.2 ZDT-2Y/2W-3 旋轉振動(dòng)振動(dòng)試驗臺基礎隔振不同偏心工況的試驗結果分析44
　　　　　　5.3.3 旋轉機械金屬橡膠基礎隔振效果評價(jià)
　　　　5.4 本章小結
　　結 論
　　發(fā)表文章目錄
　　參考文獻
　　致 謝

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