嵇正毓

(南京源恒环境研究所有限公司,南京　210036)



· 环境噪声 ·

钢弹簧减振器高频失效浅析

嵇正毓

(南京源恒环境研究所有限公司,南京210036)

外力作用在固体上将使其产生整体加速运动和局部的弹性形变，如果固体的线度大于该固体中声波的半波长时，弹性形变就会在固体中形成声波。所以当钢弹簧隔振器的展开长度大于弹簧钢中声波的半波长时，钢弹簧中也会形成固体声波，高于该固体声波频率的振动能量就会沿弹簧中传播，使钢弹簧隔绝高频振动失效，产生所谓的“穿流”现象。

钢弹簧隔振器;固体声波;高频失效

钢弹簧隔振器具有承重大、固有频率低、耐高温、性能稳定、经久耐用等优点，许多大型机械设备和环境恶劣场所的隔振减振工程都采用钢弹簧隔振器。但是钢弹簧隔振器也存在一些缺点，例如稳定性较差，阻尼系数ξ小，整个隔振系统容易产生共振等。更重要的是钢弹簧隔振器存在 “高频穿流”现象，即高于某个频率的振动能够通过钢弹簧隔振器传递到基础上，使钢弹簧对高频振动失去隔振效果。因为人耳敏感的声波频率都远高于一般的振动控制频率，因此简单地采用钢弹簧隔振器控制高频振动和音频范围内的固体声波是不适宜的。许多参考文献中都有关于钢弹簧隔振器高频失效的阐述，但未见对这种现象产生原因的深入分析[1～3]。本文试图从声波产生的机理出发，对钢弹簧隔振器高频失效现象进行分析，并进一步提出防止钢弹簧减振器高频失效的措施和建议。

1　力的两种效应

当外力作用于一个固体上，将会产生两种效应，第一使固体产生整体加速运动，第二使固体产生弹性形变[4]。现对这两种情况进行分析。

(1)作用力使固体产生整体加速运动

根据经典力学理论，当外力加在一个物体上时，该物体将产生加速运动，其运动的规律遵守牛顿第二定律：

F=ma

(1)

式中：F为作用力，单位牛顿，m为物体的质量，单位为公斤，a为加速度，单位为米/秒2。本文认为该作用力使物体遵循牛顿第二定律产生了加速度，所以将这种力称作牛顿力。

(2)作用力使固体产生弹性形变

由于固体的分子之间存在间距和相互作用力，当外界的作用力加在物体的某个部位时，将使该物体受力部位的分子与其相邻的分子之间产生位移，由于介质中分子间的位移会产生反向的弹性力，这种弹性力与位移的关系遵守胡克定律:

F=-kx

(2)

式中： k为弹性模量，单位为牛顿/m2，x 为位移，单位为m。本文认为该作用力使物体遵循胡克定律产生了形变，所以将这种力称为胡克力，胡克力可能是机械力、电磁力、空气动力等等。

如果胡克力是随时间周期性变化的，则在胡克力的作用下分子的位移也是随时间往复变化的，于是固体中的质点(运动规律相近的许多分子的组合)产生了振动。由于分子之间的相互作用力，分子的振动及其所携带的能量在固体中由近及远地传播开来，于是固体中出现了声波[1]。

击打一个自由状态的金属板，金属板产生加速度向前运动，同时发出嗡嗡的响声。这说明一个力作用在固体结构件上以后，其一部分表现为牛顿力效应使结构件产生了加速运动，而另一部分表现为胡克力效应在介质中形成了声波。当该结构件是完全刚性的、且质量较小，则作用力主要以牛顿力表现出来；当该结构件是完全弹性的、且体积和质量较大，或者被固定在一个巨大质量的物体上不能产生加速运动，则作用力主要以胡克力表现出来。当胡克力超出固体分子之间的弹性限度，则固体将发生形状改变，甚至断裂，此时的结构件表现为塑性。

2　固体声波产生的条件

设有一个随时间周期性变化的力F=F0sinωt，作用到条状固体弹性介质上，如图1所示。

图1上方是一根条状的弹性物体，其由一系列的质点组成，其最大线度为a，声波在其中传播的速度为C。下方是固体中各质点受力F作用产生运动的情况，其中小箭头表示为各个质点的弹性力方向。从下方质点的受力情况可以看出，当该物体受到力作用后，在距受力点半波长的范围内所有质点受力的方向都相同(向下)，但超过半波长以后质点受力的方向改变为反向(为上)。假设弹性物体的长度小于等于半波长，显然在半波长范围内所有质点均是同方向运动的，物体内质点没有振动，也就是说外加力起到了牛顿力的效应，外部的作用力F0sinωt不可能在物体中形成固体声波。但是如果该弹性物体的最大线度a大于半波长，则超出半波长的质点的受力方向与前面的质点相反，由于分子之间的相互作用，该反向力必然影响前面的质点，使前面的质点逐一改变运动方向，因此质点产生了振动。振动在质点间进一步传递，使结构件中形成了弯曲波，于是外加力或外加力中的一部分起到了胡克力的效应。因此固体声波形成的条件是结构件为弹性介质，且其最大线度必须大于固体声波的半波长，即a>0.5λ。以上虽然是通过固体中的弯曲波分析得到的，但对于固体中的纵波及其它波型同样适用。

图1　固体中声波形成的条件Fig.1　Conditions of formation of sound waves in solids

因为固体声波的波长λ取决于外部作用力的频率和固体介质的声速，而声速又与该固体的物理特性相关，所以物体中是否能形成固体声波，要根据该固体的物理特性、最大线度和外部作用力的频率共同决定。总体而言，物体越大、作用力的频率越高，越容易产生固体声波，反之越不容易产生固体声波。

3　钢弹簧减振器

典型的螺旋形钢弹簧减振器如图2所示，它是由一根弹簧钢丝绕成的螺旋形圆柱体，圆柱体直径一般要达到弹簧钢丝直径的4～12倍，螺旋的圈数由下式[5]决定：

(3)

式中G=8*1010N/m2，为弹簧钢丝的切变弹性模量，d为弹簧钢丝直径，D为弹簧圈直径，n为弹簧总圈数。以500kg的荷载为例设计钢弹簧减振器，若采用直径14mm弹簧钢丝制作弹簧，且取弹簧圈直径为85mm、弹簧总圈数为6，经计算得知钢弹簧减振器高约0.126m，减振器需要弹簧钢丝长约1.6m。

图2　螺旋形钢弹簧减振器示意图Fig.2　Spiral steel spring damper diagram

4　钢弹簧隔振器“穿流”现象原因分析

钢弹簧隔振器是一种减振元件，其一端与振动设备相接，另一端固定在基础上，当设备运行时振动力作用到钢弹簧隔振器上，根据前面的分析，振动力一方面可能使其产生加速运动，另一方面可能使其产生弹性形变并形成固体声波。因为钢弹簧隔振器的一端是固定在一个巨大的基础上的，所以其不可能作整体运动，只能将作用力传递到基础上，但是因为弹簧的缓冲作用，导致传递到基础上的力大大降低，这就使得减振器起到了减振作用。

另一方面设备运行时振动力使钢弹簧局部产生弹性形变，显然弹簧隔振器是弹性传声介质，如果其钢丝的展开长度大于其内固体声波的半波长，则减振元件内就会进一步形成固体声波，高于该半波长频率的振动将以声波的形式穿过了弹簧隔振器，这就产生了固体声波的“穿流现象”，这种情况下以集中参量为基础的单自由度的强迫振动理论已经不再适用。

以上面设计的荷载500kg的钢弹簧减振器为例，弹簧钢中的声速为5 900m/s，钢丝的展开长度是1.6m，则设备振动力的频率大于1 844Hz时钢丝中就出现固体声波。并且1 844Hz以上的振动能够以固体声波的形式传播到基础上，弹簧钢丝成了振动波的传递通道，这就是所谓的“穿流现象”，钢弹簧隔振器对高频振动失去减振作用。

5　钢弹簧隔振器高频失效的防止措施

分析钢弹簧隔振器高频失效的原因，主要原因是钢丝展开长度超出了其固体声波的半波长，使高频振动以固体声波的形式传播到了基础上，另外钢弹簧本身的阻尼系数小，固体声波在穿超钢丝时声能量未能被有效地吸收衰减掉。所以要防止钢弹簧隔振器高频失效可以采取以下措施：(1)在不影响减振效果的前提下尽量减小钢弹簧隔振器的钢丝展开长度和圈数，以提高失效频率；(2)设法增加钢弹簧隔振器的阻尼系数，例如用高分子阻尼材料涂刷在弹簧钢丝上，利用高分子阻尼材料吸收钢弹簧中的高频固体声波能量；(3)在钢弹簧隔振器中串接一个力阻抗与钢弹簧悬殊的元件(例如橡胶减振器、橡胶减振垫等)，使高频固体声波产生反射衰减。

[1]孙家麒,等.振动的危害和控制技术[M].石家庄:河北科学技术出版社, 1991.8.

[2]冯瑀正.轻结构隔声原理与应用技术[M].北京:科学出版社,1987.

[3]陈绎勤.噪声与振动的控制[M].北京:中国铁道出版社,1981.7.

[4]B.A.奥尔特，孙承平译.固体中的声场和波[M].北京:科学出版社,1982.12.

[5]赵松龄.噪声的降低和隔离(下)[M].上海:同济大学出版社,1985.12.

High Frequency Failure Analysis of Steel Spring Shock Absorber

JI Zheng-yu

(NanjingSourceConstantEnvironmentalResearchInstituteCo.,LTD,Nanjing210036,China)

The external force on the solid could cause the overall acceleration motion and the local elastic deformation of the solid. If the maximum line of the solid was larger than a half wavelength of the solid sound wave, the elastic deformation would form a sound wave in the solid. Thus, if the spreading length of steel spring vibration isolator was greater than a half wavelength of the sound waves in the spring steel, a solid sound wave could be formed in the spring steel. The vibration energy which was higher than the wave frequency would be propagated along the spring, and this can cause the high frequency vibration failure of isolated steel spring, resulting in the so-called “pass through” phenomenon.

Steel spring vibration isolator; solid sound wave; high frequency failure

2016-07-06

嵇正毓(1947-)，男，江苏扬州人， 1982年毕业于南京大学物理系声学专业，研究员级高级工程师，主要研究方向为环境噪声和振动控制技术。

X707

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1001-3644(2016)05-0095-03