非線性鋼絲繩隔震器研究現狀

董方亮,崔 揚

(1.洛陽有色金屬加工設計研究院工業所,河南洛陽 471039;2.洛陽理工學院土木工程系,河南洛陽 471023)

非線性鋼絲繩隔震器研究現狀

董方亮1,崔 揚2

(1.洛陽有色金屬加工設計研究院工業所,河南洛陽 471039;2.洛陽理工學院土木工程系,河南洛陽 471023)

介紹了非線性鋼絲繩隔震器的特點、發展方向及鋼絲繩隔震器的應用。

鋼絲繩隔震器;研究;應用

1 概述

國內外大量試驗資料表明,空中核爆炸、觸地核爆炸或鉆地核爆炸條件下,即使工程結構不被破壞但其結構內部產生的地震動十分強烈,這種強烈的地震動將造成工程內部儀器、設備的損壞以及動物損傷甚至死亡。因此,爆炸震動是除了光輻射、早期核輻射、空氣沖擊波及反射性沾染等四種殺傷因素之外的第五因素。所以防護工程抗震措施的研究,對提高工程整體防護能力具有極其重要的意義。因此采用合理的隔震措施顯得十分必要。

爆炸條件下,將人防工程強烈的震動作用到人體或設備能承受的容許值以下,可以在人防工程地板下面使用一種隔震性能好的材料,或者專門設計的隔震器,利用它們可以大量吸收爆炸能量的特性,使人防工程地板的震動參數大大降低。為滿足地板隔震或隔震設計的需要,近年來做過大量隔震材料的隔震性能試驗。試驗材料包括:礦棉材料、鋼彈簧、肖氏硬度為55°的彈簧橡膠材料、玻璃纖維材料、橡膠與彈簧組合材料、乳膠海綿材料、泡沫塑料。各種墊層材料,如碎石墊層、砂墊層,以及各種簡易隔震材料。試驗得到了大量的數據,由此設計了許多隔震效率很高的隔震標準元器件,統稱為隔震器,比如橡膠隔震器、鋼絲繩隔震器、橡膠—鋼彈簧組合隔震器等等。

在地震工程隔震設計中主要是考慮地震對建筑物產生剪切破壞的水平震動,因而在設計中通常采用一層鋼板、一層橡膠疊合的隔震器,這種隔震器水平向具有較高的隔震率;在動力機器的隔震設計中,主要是考慮動力機器運行時對周圍建筑物產生破壞的垂直振動,故采用垂直向具有較高隔震率的隔震器,這時常用的都是單向隔震(振)為主的隔震器。但在核武器、常規武器爆炸時,不僅在垂直向,而且在水平徑向、水平切向均引起較強的震動;因此對于爆炸震動的隔震,必須采用三向均具有較高隔震率的隔震器。現有的隔震器大多數屬于線性隔震器,即力與變形之間的關系是線性的,如螺旋彈簧隔震器等,由于線性振動理論的發展已臻完善,因此線性隔震器的應用十分廣泛,它們共同的特點是制造工藝簡單、成本低、產品設計已基本規范化,由其構成的隔震系統具有簡單的力學模型,響應計算方便,生產和使用部門都易于接受。但是,在輸入震動幅值較大的情況下(如大于100),線性隔震器難以滿足人員和設備的隔震要求,即使設計出來,仍然存在兩個問題:一是隔震器占據的空間較大;二是隔震體系的自振頻率太低,將導致正常條件下隔震器工作的失穩。

與線性隔振系統相比,非線性隔振系統具有更多的不確定性。由于疊加原理的失效,使響應不等于各周期干擾力單獨作用下解的疊加;在單頻干擾力作用下,其定常強迫振動解中,除有和干擾力同頻成分外,還有成倍數頻率成分存在,即發生超、次諧波共振;振動三要素不僅與系統本身特性有關,還與初始條件有關:初始條件、約束條件和激勵信號的微變都將使響應發生明顯變化;加之“跳躍現象”、“振動滯后”等現象,更增加了非線性隔振系統的復雜性。

隨著隔震研究的深入和隔震技術的發展,適于各類不同場合的非線性隔震器應運而生。國內廣泛使用的有用于汽車工業的疊板彈簧,其原理是利用鋼板之間的干摩擦來降低由于道路不平而產生的振動和沖擊;有用于民用工業的金屬錐形螺旋彈簧,以及空氣彈簧等。

其中鋼絲繩隔震器在整個變形過程中每根鋼絲繩之間將產生滑動摩擦,消耗大量能量,具有較高等效阻尼比;并且鋼絲繩隔震器在較大變形范圍內表現出非線性軟化特性,剛度隨變形增加而降低,隔震率提高。所以鋼絲繩隔震器良好的寬頻隔震性能特別適合爆炸沖擊震動環境隔震的應用。

鋼絲繩隔震器,則是最近三十年才發展起來的,與上述隔震器相比,它具有明顯的四個優點:①非線性軟特性;②多向隔震、高阻尼比;③耐腐蝕、耐高低溫;④結構緊湊、質量輕。

鋼絲繩隔震器的滯回模型如圖1,由圖1可以看出:當位移較小時,鋼絲繩各股之間不產生滑移,不形成干摩擦,系統保持線性,即圖中的直線段,這使它有力地支撐起荷載的質量;隨著位移的增加,鋼絲繩剛度變軟而發揮軟彈簧的作用,充分吸收外加沖擊能量,降低被隔設備、元件對沖擊震動的響應;當荷載消除后,鋼絲繩的遲滯阻尼又能使余震很快消除,可見鋼絲繩隔震器確實是理想的隔震元件。

圖1 鋼絲繩隔震器雙線性滯回模型

2 鋼絲繩隔震器的應用

2.1 各種艦艇上設備的減振降噪

艦艇可能承受水下接觸爆炸或非接觸爆炸,自身武器發射產生的反沖力也將產生強沖擊環境,艦艇上的導彈發射裝置、聲波定位器支架、導航裝置、發射控制儀器和通訊設施等部位可安裝鋼絲繩隔震器。

2.2 航空航天飛機上設備的隔振

當航天飛機發射時,火箭發動機高壓空氣管道和調節閥裝置都處于高溫和強烈振動的環境下,另外,飛機發動機的起動器和空氣管道工作溫度也較高,只有用鋼絲繩隔振器才能解決問題。

2.3 導彈運輸和發射系統零部件的隔震

在導彈的彈頭、發動機、導航系統等部件上安裝鋼絲繩隔震器,可確保這些構件正常工作。通用動力巡航導彈發射控制中心也安有鋼絲繩隔震器。

2.4 精密儀器的運輸車輛減振

在運輸電子儀器、錄像儀器、醫療器械、計算機、標定實驗儀器等精密儀器的運載工具上安裝鋼絲繩隔震器可確保這些儀器的運輸安全。

2.5 防護工程中的隔震

在精確制導深鉆地武器打擊下,防護工程內部將產生強烈的沖擊震動,為保證工程內部人員和設備的安全,必須采取有效的隔震措施。由于地下環境比較潮濕,且存在腐蝕性氣體,普通隔震器難以保證隔震系統的耐久性,鋼絲繩隔震器可滿足要求。

[1］李海峰.非線性隔震器的試驗建模[J].振動與沖擊,1989(1)

[2］張強星,許 濱.減振緩沖的鋼絲繩隔震器[J].噪聲與振動控制,1985(2)

[3］馮進技,賀永勝.鋼絲繩隔震器的研究現狀與應用[J].防護工程,2005,(2)

TU352.12

A

1003-3467(2010)18-0021-02

2010-08-21

董方亮(1973-),男,主要從事有色金屬研究工作,電話:13721617143。