組合式顆粒阻尼器的減振實(shí)驗(yàn)研究

杜妍辰　張　虹

上海理工大學(xué)，上海，200093

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組合式顆粒阻尼器的減振實(shí)驗(yàn)研究

杜妍辰張虹

上海理工大學(xué)，上海，200093

提出了一種新型結(jié)構(gòu)的組合式顆粒阻尼器，該阻尼器采用兩層減振結(jié)構(gòu)，外層為彈簧減振，內(nèi)層為塑性阻尼減振。改變顆粒填充率、腔體間隙、彈簧剛度和填充顆粒材質(zhì)后，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該阻尼器減振性能的影響。結(jié)果表明：組合式顆粒阻尼器比傳統(tǒng)的顆粒碰撞阻尼器具有更優(yōu)秀的減振性能；鋼球和顆粒的體積比約為1∶2且彈簧剛度值為主系統(tǒng)剛度值的10%以下時(shí)具有最好的減振效果；改變填充顆粒材質(zhì)對(duì)減振效果影響不顯著。

顆粒；阻尼器；彈簧剛度；填充率；間隙

0　引言

碰撞阻尼器是一種帶有自由質(zhì)量的高非線性阻尼器[1]。自由質(zhì)量在碰撞阻尼器腔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過與阻尼器腔壁碰撞發(fā)生彈塑性變形或內(nèi)部產(chǎn)生摩擦，使能量消耗或轉(zhuǎn)移，從而減小主系統(tǒng)的振動(dòng)幅值。經(jīng)過多年的研究，目前已產(chǎn)生了多種類型的阻尼裝置：單體碰撞阻尼器[2]、多體碰撞阻尼器[3]、豆包碰撞阻尼器[4-5]、顆粒碰撞阻尼器[6-8]、非阻塞性顆粒碰撞阻尼器[9-11]和帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器[12-13]。其中，顆粒碰撞阻尼器以其優(yōu)良的減振效果以及結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于實(shí)施且適合在惡劣條件下使用等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了重視；帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器相比傳統(tǒng)的線性輔助質(zhì)量阻尼器表現(xiàn)出更優(yōu)秀的減振性能和更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

傳統(tǒng)的輔助質(zhì)量阻尼器在結(jié)構(gòu)上存在彈簧部件，彈簧具有儲(chǔ)能功能，可將振動(dòng)能量從峰值位置轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)減振；帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器主要依賴塑性碰撞耗能，也取得了較好的減振效果。本文嘗試在以上兩種減振機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的顆粒阻尼器——組合式顆粒阻尼器。這種阻尼器在帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器結(jié)構(gòu)上增加了彈簧部件，以期通過發(fā)揮兩種減振機(jī)理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高的減振效率。

已有的研究表明[14]：沖擊器大小、顆粒填充率和顆粒材料都有可能影響顆粒碰撞阻尼器的性能。本文將重點(diǎn)討論上述因素以及新增加的彈簧剛度對(duì)減振性能的影響，為方便實(shí)驗(yàn)研究，阻尼器將設(shè)計(jì)成腔體大小和彈簧剛度可調(diào)節(jié)的，以方便在實(shí)驗(yàn)中研究各個(gè)參數(shù)變化帶來的影響。

1　組合式顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)及減振原理

1.1組合式顆粒阻尼的結(jié)構(gòu)組成

圖1　組合式顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，組合式顆粒阻尼器由塑性碰撞阻尼器(帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器，包括阻尼器腔體、沖擊器、顆粒和活動(dòng)塞)、彈簧、導(dǎo)軌及外殼組成。可以看到，塑性碰撞阻尼器位于組合式顆粒阻尼器的中央，下端為可滑動(dòng)的導(dǎo)軌。導(dǎo)軌沿阻尼器軸線方向放置，使塑性碰撞阻尼器只可在x方向平動(dòng)。在塑性碰撞阻尼器的外側(cè)兩個(gè)端面上設(shè)計(jì)有彈簧連接構(gòu)件，最多能夠連接8對(duì)彈簧，如此便可自由選擇不同數(shù)量和剛度的彈簧用于多組實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一個(gè)活動(dòng)塞裝置，通過活動(dòng)塞位置的改變可以調(diào)整阻尼器的腔體間隙。組合式顆粒阻尼器的外殼通過螺母連接固定于懸臂梁頂端。

1.2組合式顆粒阻尼器的減振原理

組合式顆粒阻尼器在塑性碰撞阻尼器的基礎(chǔ)上附加了彈簧結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)外兩級(jí)結(jié)構(gòu)。內(nèi)層的塑性碰撞阻尼器具有較小的恢復(fù)系數(shù)，可以在碰撞過程中最大限度地吸收通過彈簧轉(zhuǎn)移來的系統(tǒng)振動(dòng)能量，并通過提高顆粒間的碰撞概率，充分消耗系統(tǒng)的動(dòng)能，使其不再返回主系統(tǒng)[15-16]。將塑性碰撞阻尼器視為一個(gè)附加質(zhì)量，與增加的彈簧構(gòu)件一起，形成外層減振系統(tǒng)。彈簧具有恢復(fù)系數(shù)大，能緩和沖擊、吸收振動(dòng)，并能控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)能量等優(yōu)點(diǎn)[17]，使得阻尼器與主系統(tǒng)之間產(chǎn)生充分的動(dòng)量交換，可以進(jìn)一步提高減振效果。外層可以將能量轉(zhuǎn)移到其他頻率，內(nèi)層可以將能量進(jìn)一步分散到更寬的頻率范圍中，這些特點(diǎn)使得組合式顆粒阻尼器具有更寬的吸振頻帶。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，組合式顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)中的彈簧會(huì)儲(chǔ)存系統(tǒng)的能量。這些被不斷積聚的能量最終會(huì)轉(zhuǎn)移到中間腔體。彈簧的隔振導(dǎo)致系統(tǒng)的振動(dòng)大幅度減小，實(shí)質(zhì)上就是彈簧把系統(tǒng)的動(dòng)能最大化，并將其存儲(chǔ)，起到減振的目的。當(dāng)動(dòng)能由彈簧轉(zhuǎn)移到腔體時(shí)，彈簧的儲(chǔ)能性質(zhì)使作用于腔體的動(dòng)能進(jìn)一步放大，充分激發(fā)腔體內(nèi)沖擊器與顆粒的碰撞摩擦、顆粒和顆粒的碰撞摩擦，以及顆粒與腔體內(nèi)壁的碰撞摩擦，通過這些碰撞摩擦將被轉(zhuǎn)移到腔體的動(dòng)能耗散，系統(tǒng)動(dòng)能被循環(huán)釋放，從而取得更好的減振效果。

2　組合式顆粒阻尼器的實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用懸臂梁振動(dòng)系統(tǒng)，所用懸臂梁尺寸為250 mm×45 mm×4 mm，材料為錳鋼，密度為6.37×103kg/m3，彈性模量為206 GPa。

實(shí)驗(yàn)中采用的儀器設(shè)備為臺(tái)灣金頓EM-20F5K-10N03型高頻電磁激振器、北京東方所的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及信號(hào)分析軟件DASP2012。本實(shí)驗(yàn)通過激振器對(duì)懸臂梁的根部進(jìn)行激振，激振力采用正弦信號(hào)。組合式顆粒阻尼器加固在懸臂梁的自由端。加速度傳感器平行固定于阻尼器一側(cè)，測(cè)量懸臂梁自由端的響應(yīng)，用以檢測(cè)該阻尼器對(duì)懸臂梁的減振效果。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)框架如圖3所示，其中，x方向?yàn)樗椒较颉?/p>

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置照片

圖3　測(cè)試系統(tǒng)框架圖

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)中采用的阻尼器腔體長度包括3種規(guī)格：40 mm、60 mm和80 mm；沖擊器采用1個(gè)直徑18 mm的鋼球；顆粒主要采用粒度為100 μm鋅粉或銅粉。不同顆粒填充材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，增加粒徑為300 μm的石英砂，顆粒填充率分別為20%、40%、60%和80%。顆粒填充率Rp為

Rp=Vp/(Vt-Vi)

(1)

式中，Vp為填充的顆粒體積；Vt為阻尼器腔體總體積；Vi為沖擊器鋼球體積。

實(shí)驗(yàn)裝置中，懸臂梁系統(tǒng)質(zhì)量(包括自由端的底座)為2045.5 g，阻尼器腔體質(zhì)量為111 g，腔體內(nèi)鋼球質(zhì)量為24.4 g，銅粉、鋅粉和石英砂全部填滿阻尼器腔體時(shí)的質(zhì)量分別為50 g、86.5 g和37.5 g。彈簧的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，通過粘附小質(zhì)量塊進(jìn)行調(diào)節(jié)來確保整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量保持不變。

實(shí)驗(yàn)采用兩種不同規(guī)格的彈簧，彈簧內(nèi)徑均為4 mm，自由長度為55 mm，參數(shù)見表1。為區(qū)分表1中不同的兩組4對(duì)彈簧，將其中剛度較小的4對(duì)彈簧標(biāo)記為1組。懸臂梁的剛度為9.49 N/mm。

表1　彈簧參數(shù)

本文首先對(duì)彈簧是否存在減振效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，然后分別討論沖擊器與顆粒體積比、彈簧剛度和填充材料對(duì)阻尼器減振效果的影響。沖擊器與顆粒體積比w為

w=Vi/Vp

(2)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1彈簧構(gòu)件的作用效果

首先，通過5組實(shí)驗(yàn)對(duì)增加彈簧前后的減振效果進(jìn)行對(duì)比。5組實(shí)驗(yàn)中阻尼器的組成見表2，其中，系統(tǒng)外加總剛度為0.684 N/mm的彈簧1組，沖擊器為一個(gè)直徑18 mm的鋼球，腔體間隙固定為80 mm，填充顆粒為鋅粉。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)1相當(dāng)于采用一個(gè)單質(zhì)量塊阻尼器；實(shí)驗(yàn)2、3相當(dāng)于采用塑性碰撞阻尼器；實(shí)驗(yàn)4、5相當(dāng)于組合式顆粒阻尼器。

表2　5組實(shí)驗(yàn)中阻尼器的構(gòu)成

不同實(shí)驗(yàn)組的振幅如圖4所示。可以看出：①塑性碰撞阻尼器使懸臂梁自由端的最大振幅下降幅度分別為26.0%、59.1%，組合式顆粒阻尼器使懸臂梁自由端的最大振幅下降幅度分別為86.6%、82.7%，最大振幅均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主系統(tǒng)在單質(zhì)量塊阻尼條件下的最大有效振幅；②組合式顆粒阻尼器比塑性碰撞阻尼器的減振效果好，說明彈簧在振動(dòng)發(fā)生時(shí)起到了儲(chǔ)能及放大的作用，使振動(dòng)幅值減小；③組合式顆粒阻尼器的振幅穩(wěn)定，沒有明顯的共振點(diǎn)，具有顯著的減振效果。

圖4　不同實(shí)驗(yàn)組的最大振幅

塑性碰撞阻尼器和組合式顆粒阻尼器的振動(dòng)響應(yīng)如圖5所示，從波形上看，組合式顆粒阻尼器的振動(dòng)波形具有穩(wěn)定的周期性，減振效果更好。

(a)顆粒填充率為80%的振動(dòng)響應(yīng)

(b)顆粒填充率為40%的振動(dòng)響應(yīng)圖5　兩種阻尼器的振動(dòng)響應(yīng)比較

3.2沖擊器與顆粒體積比的影響

在以往對(duì)顆粒碰撞阻尼器的研究中，關(guān)于顆粒填充率的研究較充分，認(rèn)為顆粒填充率有一個(gè)最優(yōu)值。但本文提出的組合式阻尼器中存在兩種填充物——沖擊器(鋼球)和顆粒，它們之間的比例關(guān)系對(duì)阻尼器減振性能的影響值得進(jìn)一步探討。

沖擊器與顆粒體積比的定義見式(2)。本次實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)不同的腔體長度和顆粒填充率設(shè)計(jì)了6組實(shí)驗(yàn)，參數(shù)見表3。每組實(shí)驗(yàn)中沖擊器都固定為一個(gè)直徑18 mm的鋼球，填充顆粒都為鋅粉，彈簧的剛度分別為3.76 N/mm、2.82 N/mm、1.88 N/mm、0.94 N/mm、0.684 N/mm。

表3　體積比實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)

圖6中的各條曲線是在不同的彈簧剛度下，懸臂梁系統(tǒng)在共振區(qū)域內(nèi)的最大振幅。“參考對(duì)比”組為阻尼器裝置中未添加鋼球和顆粒下的最大振幅。從圖6中可以看出：①不同彈簧剛度下，所設(shè)計(jì)的組合式顆粒阻尼器在其共振區(qū)域內(nèi)的最大振幅均小于參考對(duì)比組的最大振幅，說明組合式顆粒阻尼器具有良好的減振結(jié)果；②實(shí)驗(yàn)組Ⅲ的最大振幅相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)組別均為最小或接近為最小，組合式顆粒阻尼器的減振效果為最佳，此時(shí)的體積比w對(duì)應(yīng)為0.53(鋼球和顆粒的體積比約為1∶2)。當(dāng)沖擊器(鋼球)和顆粒的體積比為1∶2時(shí)，腔體內(nèi)空余體積與鋼球體積比為1.3∶1，也就是說當(dāng)沖擊器鋼球在腔體內(nèi)的活動(dòng)范圍稍大于鋼球本身體積，且顆粒的體積是鋼球的2倍時(shí)，鋼球、顆粒之間更能充分地發(fā)生碰撞，消耗主系統(tǒng)能量，從而使組合式顆粒阻尼器發(fā)揮最好的減振效果。

圖6　不同w值下各剛度組對(duì)應(yīng)的最大振幅值

沖擊器與顆粒體積比存在最優(yōu)值的原因：填充顆粒過少而自由間隙太大時(shí)，鋼球在運(yùn)動(dòng)過程中無法形成與腔體兩端壁的完整碰撞，鋼球和腔體端壁碰撞時(shí)夾擊的顆粒過少，系統(tǒng)動(dòng)能的消耗隨著顆粒產(chǎn)生的塑性變形的減少而減小，減振效果降低；填充顆粒過多而自由間隙太小時(shí)，沖擊體的正常碰撞受到限制，也會(huì)影響到減振的效果。因此w的選取須綜合考慮這兩種情況出現(xiàn)的可能，使沖擊體(鋼球)獲得適宜的碰撞條件，增大鋼球和顆粒的接觸概率，提高系統(tǒng)能量的消耗，最終得到減振效果較好的配比條件。

3.3彈簧剛度的影響

彈簧是本文組合式顆粒阻尼器區(qū)別于塑性碰撞阻尼器的重要特征。為研究組合式顆粒阻尼器在外加彈簧剛度變化時(shí)對(duì)懸臂梁系統(tǒng)的減振效果，設(shè)計(jì)了5組不同的彈簧剛度，見表1。組合式顆粒阻尼器懸臂梁系統(tǒng)的剛度為9.49 N/mm，彈簧剛度與主系統(tǒng)剛度之比為分別為40%、30%、20%、10%和7%。

(a)腔體長度40 mm

(b)腔體長度60 mm

(c)腔體長度80 mm圖7　不同腔體長度下減振效果比較

為便于說明，將不同彈簧剛度和腔體有效長度由3個(gè)數(shù)字組成，并且定義如下：第一個(gè)數(shù)字表示阻尼器上組裝彈簧的數(shù)量(分別為8組、6組、4組、2組，以及另一種剛度較小的彈簧4組，用1組表示)，所代表的剛度分別為3.76 N/mm、2.82 N/mm、1.88 N/mm、0.94 N/mm和0.684 N/mm；后兩位數(shù)字表示腔體的長度，分別為40 mm、60 mm和80 mm。例如“840”就表示此組實(shí)驗(yàn)中阻尼器上安裝有8組彈簧，其增加的剛度為3.76 N/mm，阻尼器腔體的有效長度為40 mm，以此類推。圖7中所有點(diǎn)的值都取每組實(shí)驗(yàn)共振點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的最大振幅。

圖7表示的是阻尼器填充顆粒為銅粉、阻尼器腔體長度為40 mm、60 mm和80 mm時(shí)，不同彈簧剛度對(duì)減振效果的影響。由圖7可以看出：①由于彈簧的存在，組合式顆粒阻尼器擁有良好的減振效果，其最大有效振幅均小于單體阻尼器最大有效振幅，并且隨著剛度的減小，振幅趨近于平穩(wěn)的狀態(tài)。②剛度的變化會(huì)導(dǎo)致組合式顆粒阻尼器的減振效果隨之變化。剛度為3.76 N/mm時(shí)，振幅平均下降率分別為47%(40 mm長度)、43%(60 mm長度)和36.7%(80 mm長度)。隨著剛度的變小，最大振幅逐漸減小(圖7中表現(xiàn)為曲線下移)，剛度為0.684 N/mm時(shí)，懸臂梁自由端的最大有效振幅在6 mm以下，振幅平均下降率分別為81.3%(40 mm長度)、78.7%(60 mm長度)和81.6%(80 mm長度)。③彈簧剛度的選取對(duì)阻尼器的減振效果影響顯著，當(dāng)彈簧的剛度為主系統(tǒng)剛度的10%以下時(shí)，減振效果顯著；但過大的彈簧剛度會(huì)產(chǎn)生反作用，加大振幅，當(dāng)增加到40%時(shí)，共振區(qū)域內(nèi)的最大振幅為27.42 mm，甚至超過主振系統(tǒng)在無外加阻尼時(shí)最大振幅24.69 mm。

3.4填充材料的影響

不同類型的顆粒材料耗能能力可能不同。為檢測(cè)不同填充材料的顆粒粉末對(duì)該阻尼器的減振性能的影響，設(shè)顆粒填充率分別為0、20%、40%、60%和80%，比較它們?cè)谡壹?lì)下對(duì)懸臂梁自由端位移的減振效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

實(shí)驗(yàn)填充的鋅粉的粒徑為100 μm，石英砂的粒徑為300 μm。圖8數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)組為彈簧6組和1組(見表1)，腔體內(nèi)的長度為40 mm、60 mm和80 mm。組合式顆粒阻尼器在沒有添加沖擊器和顆粒材料，僅存在6組彈簧(彈簧剛度為2.82 N/mm)的情況下，共振區(qū)域內(nèi)主系統(tǒng)的最大振幅值為25.93 mm；阻尼器在沒有添加沖擊器和顆粒材料，僅存在彈簧1組(彈簧剛度為0.684 N/mm)的情況下，共振區(qū)域內(nèi)主系統(tǒng)的最大振幅值為6.24 mm。

從圖8中可以看出：①無論填充何種材料的顆粒，在共振區(qū)域內(nèi)，主系統(tǒng)最大的振幅均小于6.42 mm，說明填充的顆粒起到了良好的減振作用，腔體內(nèi)的顆粒發(fā)生塑性變形和斷裂，消耗掉了主系統(tǒng)的動(dòng)能，使振幅值下降；②在不同填充率和腔體間隙的情況下，填充金屬材料顆粒或非金屬材料顆粒對(duì)該阻尼器都有很好的減振效果，填充石英砂的平均衰減率為45%和29%，填充鋅粉的平均衰減率為49%和32%(分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中2個(gè)不同的彈簧剛度)，說明鋅粉相對(duì)于石英砂具有更好的減振效果，但影響不是很大，不同材料的顆粒均可以作為減振劑材料。

(a)腔體長度40 mm

(b)腔體長度60 mm

(c)腔體長度80 mm圖8　填充不同顆粒材料對(duì)減振效果的影響

4　結(jié)論

(1)組合式顆粒阻尼器具有優(yōu)秀的減振效果，并且減振波形具有穩(wěn)定的周期性。

(2)實(shí)驗(yàn)中，鋼球和顆粒的體積比w=0.53時(shí)的減振效果最佳，此時(shí)鋼球和顆粒的體積比約為1∶2，和腔體間隙的體積比值約為1.3∶1。鋼球體積、顆粒體積和腔體間隙三者之間存在一個(gè)最佳值，可使阻尼器獲得最佳的減振效果。

(3)當(dāng)組合式顆粒阻尼器彈簧剛度不超過主系統(tǒng)剛度的10%時(shí)，阻尼器表現(xiàn)出很好的減振效果。

(4)填充不同顆粒材料的減振效果沒有顯著的變化，因此，可以在較為廣泛的范圍內(nèi)選取顆粒材料作為減振劑。

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(編輯張洋)

Experimental Research on Combined Particle Impact Damper

Du YanchenZhang Hong

University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093

A new kind of combined particle impact damper was proposed, in which two kinds of damping forms-via springs outside and via particle plastic deformation inside. The response of various damper components was obtained from experiments, by varying the particle packing ratio, the container clearance, the stiffness of spring, and the particle materials. The experimental results show that the combined particle impact damper has excellent damping performance, and is better than the traditional particle impact damper. The damper has the best performance when the volume ratio between the steel ball and particles is about 1∶2 and the spring stiffness is about 10% of the main system stiffness. Changing particle materials has little influence on the damping performance.

particle; damper; spring stiffness; packing ratio; clearance

2014-08-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475308,51005157)

O328;TB53DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.019

杜妍辰，女，1976年生。上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)控制技術(shù)與應(yīng)用。發(fā)表論文20余篇。張虹，女，1988年生。上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院碩士研究生。