阻尼對水泵管路隔振系統的影響研究

王 仲，陳長征，孔祥軍

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870 )

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阻尼對水泵管路隔振系統的影響研究

王 仲，陳長征，孔祥軍

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870 )

針對水泵系統的管路振動進行了研究，分析了影響振動傳遞率的主要因素，提出阻尼措施是管路隔振的重要解決方法。對影響阻尼效果的參數進行了理論推導及實驗研究，實驗結果表明自由阻尼效果隨厚度增加而呈現遞增趨勢。通過對阻尼參數的研究分析得出了最優參數，對管路系統的隔振方案的優化有著重要的指導意義。

阻尼；水泵系統；管路振動；隔振

0 前言

隨著社會的發展，水泵及管路系統的應用已非常普遍性。作為機械系統，水泵和管路系統或多或少的都會產生振動及噪聲[1]。目前人們消除振動及噪音采用的手段準確而有效的，而且施加的減振降噪措施只能暫時緩解振動及噪聲中的高頻部分，而低頻部分由于沒有得到有效地解決而成為一種新的污染[2]。

高層建筑常常由于沒有對管路采取適當的隔振措施[3]，主系統產生振動的高頻部分被主系統的隔振措施消除，低頻部分沒有得到妥善處理而通過管路傳遞到高層建筑中影響隔振效果[4]。因此本文通過對管路添加適當阻尼措施以減小通過管路傳遞的振動部分。

1 水泵系統阻尼措施分析

按照水泵系統經典結構搭建實驗臺，其結構模型如圖1所示。

圖1 水泵系統實驗臺結構模型Fig.1 Model of the pump system testbed

經測量，水泵系統在運轉時，隔壁房間振動及噪聲嚴重超標，需要施加振動控制措施。在隔振工程中，阻尼通常是作為耗能元件來使用[5]。而對于圖1所示的水泵管路系統而言，阻尼措施主要為在管路外側包裹阻尼材料。

2 阻尼措施理論研究

根據GJB 3045-97的分類，將阻尼材料按耗能方式的不同分為自由阻尼材料和約束阻尼材料[6]。該研究采用自由阻尼材料。自由阻尼是指將一定厚度的粘彈性阻尼材料直接粘貼于應用阻尼的基體或管道表面上。

基體產生振動時，首先基體材料產生彎曲變形，由于阻尼材料與基體粘貼在一起，假定阻尼材料沒有內部剪切滑移現象，那么阻尼材料的外端面應與基體材料接觸的內端面彎曲曲率相同。阻尼材料內部晶格產生扭曲變形，消耗能量，因此自由阻尼材料依靠內部彎曲形變耗能達到減振的目的[7]。

自由阻尼措施中，起減振作用的主要是粘彈性材料部分，對粘彈性材料來說，其對于結構的減振可進一步細化為粘性和彈性兩部分，粘性主要作用為耗能，而彈性主要作用為儲能。因此粘彈性阻尼材料的彈性模量一般用復模量表示為

E=Ee+iEv

(1)

式中，Ee表示彈性部分的彈性模量；Ev表示粘性部分的彈性模量。

材料應力σ可表示為

σ=Eε

(2)

式中，ε表示應變。

材料在振動一周中單位體積損耗的能量為

(3)

式中，εm表示最大應變。

若引入參數阻尼系數β=EvEe，則式(3)可化為

(4)

由式(4)可知，在阻尼比與彈性模量相同時，阻尼材料耗能與材料最大應變的平方成正比。而材料最大應變主要取決于材料的厚度，其受力分析局部放大示意圖如圖2所示。

圖2 自由阻尼措施下圓管截面的受力分析局部放大示意圖Fig.2 Analysis of free damping measures under the stress of the pipe cross section

圖2中，r為圓管半徑，d為阻尼層厚度，T為材料拉伸模量，ε與ε′表示內層和外層的徑向位移，α與α′表示內層材料與外層材料切點處法線方向與最大位移方向夾角。可見，隨著d的變化，最大應變ε-ε′也隨之變化，通過推導，可得出

(5)

因此，在已知ε的情況下，可得到ε′隨d變化趨勢，如圖3所示。

圖3 自由阻尼ε′隨d變化趨勢Fig.3 The change trend of free damping ε′ with d

3 厚度對阻尼效果的影響

阻尼材料的厚度是影響阻尼措施效果的重要因素之一。根據影響因素對實際隔振效果影響情況設計實驗。圖1中的圓管1管長2.5 m，壁厚3 mm，兩端為法蘭連接。運行水泵試驗臺，首先采集圓管離振源較近一端振動信號作為參考量，然后對該圓管采取不同厚度的阻尼措施，采集圓管末端振動信號進行對比并作為評估阻尼措施效果的指標。為減少干擾因素，實驗所有振動信號均在機組同一次運行時采集，每個測點測量三次取平均值作為結果數據。為驗證管材厚度對阻尼效果的影響，本實驗設計不使用阻尼措施和分別對全管長度使用厚度為10 mm、20 mm、30 mm的自由阻尼措施進行對比驗證。

使用VIBXpert振動分析儀采集施加各阻尼措施之后圓管末端的速度信號，得到實驗振動結果的時域波形，然后做FFT變換得到其頻域波形，如圖4所示。

圖4 材料厚度對阻尼效果的影響Fig.4 The influence of damping material thickness on the damping effect

通過對比圖4a與圖4b可以看出，對管路施加阻尼措施效果顯著，能很大程度地降低振動幅值。對比圖4b～4d可以看出，對于同等長度的自由阻尼措施來說，厚度是影響阻尼效果的重要因素，厚度較厚的材料阻尼效果要優于厚度較薄的阻尼材料。

結合前面的公式推導可見，隔振效果變化趨勢與理論計算大致相符，阻尼的隔振效果隨著厚度增加而得到提高，但隔振效果提升則自20 mm之后降低，說明增厚阻尼來提高隔振效果的性價比不是隨阻尼厚度增加而無限提升，而是在20 mm處取得最優值。不僅驗證了阻尼措施的實用性與可靠性，也對將來隔振工作中阻尼材料參數選擇指出了方向。

4 長度對阻尼效果的影響

影響阻尼效果的另一個材料參數為阻尼措施的長度。實際工程中，阻尼材料成本不高，一般使用時都整管包裹，但是其長度是否對阻尼效果影響很大，以及全管包裹的性價比如何，需要實驗來證明。通過不使用阻尼措施和分別對1/4、1/2及全管長度包裹10 mm厚阻尼材料進行對比驗證。

仍使用VIBXpert振動分析儀采集施加各阻尼措施之后圓管末端的速度信號，得到實驗振動結果的時域波形，然后做FFT變換得到頻域波形，如圖5所示。

由圖5可知，隨著長度的增加，阻尼效果僅得到少量提升，即長度對阻尼效果的影響并不明顯，且隔振效果提升量也并不大。與圖4對比，可知厚度對阻尼效果的影響要大于長度對阻尼效果的影響。這是由于阻尼材料隔振效果主要取決于材料變形量，使用不同厚度的阻尼材料時，阻尼材料變形量相差很大，隔振效果相差很多；而采用不同長度阻尼材料時，阻尼材料厚度不變，因此變形量相差不大，隔振效果相差不多。但是在實際工程中通常是選用一定厚度的阻尼材料，再決定材料使用長度，由于阻尼材料成本并不高，因此在使用時應采用全管包裹措施。

圖5 阻尼材料包裹長度對阻尼效果的影響Fig.5 The influence of damping material length on the damping effect

5 結論

(1)阻尼措施是水泵管路振動控制工程中的重要手段，能有效降低振動通過管路傳遞。

(2)影響阻尼措施隔振效果的主要因素有厚度與長度，隔振效果隨材料參數的變化規律為厚度越厚，長度越長，阻尼效果越好。選擇材料參數并不是越厚越好，而是在20 mm厚度附近達到最優值。

(3)厚度對阻尼措施隔振效果的影響要大于長度對阻尼措施隔振效果的影響，其原因為厚度變化時造成阻尼材料變形量大于長度變化時造成阻尼材料變形量。

[1] 張建茹. 水泵振動原因分析與減振方法研究[D].大連理工大學,2013.

[2] 李艷華. 考慮流固耦合的管路系統振動噪聲及特性研究[D].哈爾濱工程大學,2011.

[3] 費朝陽,陳長征,周勃,等. 聲振耦合聲場分析與結構隔振降噪[J]. 噪聲與振動控制,2012,02:54-58.

[4] Holdhusen,Cunefare,K.A.Vibroacoustic attenuation effect of sandwich damping material on pipe flow noise[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2003,14(9):551-561.

[5] Lu,Wei-Yu,Wang.Wei-Hui.Vibroacoustic attenuation effect of sandwich damping material on pipe flow noise[J]. Journal of Marine Science and Technology,2009, 17(1):34-41.

[6] 李以農,謝熔爐,王宜，等. 約束阻尼結構拓撲優化設計的進化算法[J]. 重慶大學學報,2010,08:1-6.

[7] 趙小波. 約束阻尼復合結構的振動分析與優化設計[D].大連理工大學,2007.

Study on influence of damping on vibration isolation system of pipeline

WANG Zhong，CHEN Chang-zheng，KONG Xiang-jun

(College of Mechanical Engineering, Shenyang University of Industry,Shenyang 110870,China )

Pipeline vibration of the pump system is studied and the main factors of influencing the vibration transmissibility are analyzed. It is presented in this paper that structural damping is an important solution of pipeline vibration. The experiment about parameters of affecting the damping effect is conducted after theoretical deduction. The result shows that the free damping effect had a trend of increasing with the increasing of thickness. The optimal parameters based on the research of the damping parameter analysis are concluded, which have an important guiding significance in the optimization of pipeline system vibration isolation scheme.

damping; pump system; pipeline vibration; vibration isolation

2014-06-12；

2014-08-06

王仲(1983-)，男，沈陽工業大學博士研究生，研究方向：噪聲與振動控制。

TB123

A

1001-196X(2015)01-0059-04