非线性钢丝绳隔震器研究现状

2010-09-11董方亮

河南化工 2010年18期

关键词：隔震震动洛阳

董方亮,崔扬

(1.洛阳有色金属加工设计研究院工业所,河南洛阳 471039;2.洛阳理工学院土木工程系,河南洛阳 471023)

非线性钢丝绳隔震器研究现状

董方亮1,崔扬2

(1.洛阳有色金属加工设计研究院工业所,河南洛阳 471039;2.洛阳理工学院土木工程系,河南洛阳 471023)

介绍了非线性钢丝绳隔震器的特点、发展方向及钢丝绳隔震器的应用。

钢丝绳隔震器;研究;应用

1 概述

国内外大量试验资料表明,空中核爆炸、触地核爆炸或钻地核爆炸条件下,即使工程结构不被破坏但其结构内部产生的地震动十分强烈,这种强烈的地震动将造成工程内部仪器、设备的损坏以及动物损伤甚至死亡。因此,爆炸震动是除了光辐射、早期核辐射、空气冲击波及反射性沾染等四种杀伤因素之外的第五因素。所以防护工程抗震措施的研究,对提高工程整体防护能力具有极其重要的意义。因此采用合理的隔震措施显得十分必要。

爆炸条件下,将人防工程强烈的震动作用到人体或设备能承受的容许值以下,可以在人防工程地板下面使用一种隔震性能好的材料,或者专门设计的隔震器,利用它们可以大量吸收爆炸能量的特性,使人防工程地板的震动参数大大降低。为满足地板隔震或隔震设计的需要,近年来做过大量隔震材料的隔震性能试验。试验材料包括:矿棉材料、钢弹簧、肖氏硬度为55°的弹簧橡胶材料、玻璃纤维材料、橡胶与弹簧组合材料、乳胶海绵材料、泡沫塑料。各种垫层材料,如碎石垫层、砂垫层,以及各种简易隔震材料。试验得到了大量的数据,由此设计了许多隔震效率很高的隔震标准元器件,统称为隔震器,比如橡胶隔震器、钢丝绳隔震器、橡胶—钢弹簧组合隔震器等等。

在地震工程隔震设计中主要是考虑地震对建筑物产生剪切破坏的水平震动,因而在设计中通常采用一层钢板、一层橡胶叠合的隔震器,这种隔震器水平向具有较高的隔震率;在动力机器的隔震设计中,主要是考虑动力机器运行时对周围建筑物产生破坏的垂直振动,故采用垂直向具有较高隔震率的隔震器,这时常用的都是单向隔震(振)为主的隔震器。但在核武器、常规武器爆炸时,不仅在垂直向,而且在水平径向、水平切向均引起较强的震动;因此对于爆炸震动的隔震,必须采用三向均具有较高隔震率的隔震器。现有的隔震器大多数属于线性隔震器,即力与变形之间的关系是线性的,如螺旋弹簧隔震器等,由于线性振动理论的发展已臻完善,因此线性隔震器的应用十分广泛,它们共同的特点是制造工艺简单、成本低、产品设计已基本规范化,由其构成的隔震系统具有简单的力学模型,响应计算方便,生产和使用部门都易于接受。但是,在输入震动幅值较大的情况下(如大于100),线性隔震器难以满足人员和设备的隔震要求,即使设计出来,仍然存在两个问题:一是隔震器占据的空间较大;二是隔震体系的自振频率太低,将导致正常条件下隔震器工作的失稳。

与线性隔振系统相比,非线性隔振系统具有更多的不确定性。由于叠加原理的失效,使响应不等于各周期干扰力单独作用下解的叠加;在单频干扰力作用下,其定常强迫振动解中,除有和干扰力同频成分外,还有成倍数频率成分存在,即发生超、次谐波共振;振动三要素不仅与系统本身特性有关,还与初始条件有关:初始条件、约束条件和激励信号的微变都将使响应发生明显变化;加之“跳跃现象”、“振动滞后”等现象,更增加了非线性隔振系统的复杂性。

随着隔震研究的深入和隔震技术的发展,适于各类不同场合的非线性隔震器应运而生。国内广泛使用的有用于汽车工业的叠板弹簧,其原理是利用钢板之间的干摩擦来降低由于道路不平而产生的振动和冲击;有用于民用工业的金属锥形螺旋弹簧,以及空气弹簧等。

其中钢丝绳隔震器在整个变形过程中每根钢丝绳之间将产生滑动摩擦,消耗大量能量,具有较高等效阻尼比;并且钢丝绳隔震器在较大变形范围内表现出非线性软化特性,刚度随变形增加而降低,隔震率提高。所以钢丝绳隔震器良好的宽频隔震性能特别适合爆炸冲击震动环境隔震的应用。

钢丝绳隔震器,则是最近三十年才发展起来的,与上述隔震器相比,它具有明显的四个优点:①非线性软特性;②多向隔震、高阻尼比;③耐腐蚀、耐高低温;④结构紧凑、质量轻。

钢丝绳隔震器的滞回模型如图1,由图1可以看出:当位移较小时,钢丝绳各股之间不产生滑移,不形成干摩擦,系统保持线性,即图中的直线段,这使它有力地支撑起荷载的质量;随着位移的增加,钢丝绳刚度变软而发挥软弹簧的作用,充分吸收外加冲击能量,降低被隔设备、元件对冲击震动的响应;当荷载消除后,钢丝绳的迟滞阻尼又能使余震很快消除,可见钢丝绳隔震器确实是理想的隔震元件。