阻尼对水泵管路隔振系统的影响研究

王 仲，陈长征，孔祥军

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870 )



阻尼对水泵管路隔振系统的影响研究

王 仲，陈长征，孔祥军

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870 )

针对水泵系统的管路振动进行了研究，分析了影响振动传递率的主要因素，提出阻尼措施是管路隔振的重要解决方法。对影响阻尼效果的参数进行了理论推导及实验研究，实验结果表明自由阻尼效果随厚度增加而呈现递增趋势。通过对阻尼参数的研究分析得出了最优参数，对管路系统的隔振方案的优化有着重要的指导意义。

阻尼；水泵系统；管路振动；隔振

0 前言

随着社会的发展，水泵及管路系统的应用已非常普遍性。作为机械系统，水泵和管路系统或多或少的都会产生振动及噪声[1]。目前人们消除振动及噪音采用的手段准确而有效的，而且施加的减振降噪措施只能暂时缓解振动及噪声中的高频部分，而低频部分由于没有得到有效地解决而成为一种新的污染[2]。

高层建筑常常由于没有对管路采取适当的隔振措施[3]，主系统产生振动的高频部分被主系统的隔振措施消除，低频部分没有得到妥善处理而通过管路传递到高层建筑中影响隔振效果[4]。因此本文通过对管路添加适当阻尼措施以减小通过管路传递的振动部分。

1 水泵系统阻尼措施分析

按照水泵系统经典结构搭建实验台，其结构模型如图1所示。

图1 水泵系统实验台结构模型Fig.1 Model of the pump system testbed

经测量，水泵系统在运转时，隔壁房间振动及噪声严重超标，需要施加振动控制措施。在隔振工程中，阻尼通常是作为耗能元件来使用[5]。而对于图1所示的水泵管路系统而言，阻尼措施主要为在管路外侧包裹阻尼材料。

2 阻尼措施理论研究

根据GJB 3045-97的分类，将阻尼材料按耗能方式的不同分为自由阻尼材料和约束阻尼材料[6]。该研究采用自由阻尼材料。自由阻尼是指将一定厚度的粘弹性阻尼材料直接粘贴于应用阻尼的基体或管道表面上。

基体产生振动时，首先基体材料产生弯曲变形，由于阻尼材料与基体粘贴在一起，假定阻尼材料没有内部剪切滑移现象，那么阻尼材料的外端面应与基体材料接触的内端面弯曲曲率相同。阻尼材料内部晶格产生扭曲变形，消耗能量，因此自由阻尼材料依靠内部弯曲形变耗能达到减振的目的[7]。

自由阻尼措施中，起减振作用的主要是粘弹性材料部分，对粘弹性材料来说，其对于结构的减振可进一步细化为粘性和弹性两部分，粘性主要作用为耗能，而弹性主要作用为储能。因此粘弹性阻尼材料的弹性模量一般用复模量表示为

E=Ee+iEv

(1)

式中，Ee表示弹性部分的弹性模量；Ev表示粘性部分的弹性模量。

材料应力σ可表示为

σ=Eε

(2)

式中，ε表示应变。

材料在振动一周中单位体积损耗的能量为

(3)

式中，εm表示最大应变。

若引入参数阻尼系数β=EvEe，则式(3)可化为

(4)

由式(4)可知，在阻尼比与弹性模量相同时，阻尼材料耗能与材料最大应变的平方成正比。而材料最大应变主要取决于材料的厚度，其受力分析局部放大示意图如图2所示。

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

图2中，r为圆管半径，d为阻尼层厚度，T为材料拉伸模量，ε与ε′表示内层和外层的径向位移，α与α′表示内层材料与外层材料切点处法线方向与最大位移方向夹角。可见，随着d的变化，最大应变ε-ε′也随之变化，通过推导，可得出

(5)

因此，在已知ε的情况下，可得到ε′随d变化趋势，如图3所示。

图3 自由阻尼ε′随d变化趋势Fig.3 The change trend of free damping ε′ with d

3 厚度对阻尼效果的影响

阻尼材料的厚度是影响阻尼措施效果的重要因素之一。根据影响因素对实际隔振效果影响情况设计实验。图1中的圆管1管长2.5 m，壁厚3 mm，两端为法兰连接。运行水泵试验台，首先采集圆管离振源较近一端振动信号作为参考量，然后对该圆管采取不同厚度的阻尼措施，采集圆管末端振动信号进行对比并作为评估阻尼措施效果的指标。为减少干扰因素，实验所有振动信号均在机组同一次运行时采集，每个测点测量三次取平均值作为结果数据。为验证管材厚度对阻尼效果的影响，本实验设计不使用阻尼措施和分别对全管长度使用厚度为10 mm、20 mm、30 mm的自由阻尼措施进行对比验证。

使用VIBXpert振动分析仪采集施加各阻尼措施之后圆管末端的速度信号，得到实验振动结果的时域波形，然后做FFT变换得到其频域波形，如图4所示。

图4 材料厚度对阻尼效果的影响Fig.4 The influence of damping material thickness on the damping effect

通过对比图4a与图4b可以看出，对管路施加阻尼措施效果显著，能很大程度地降低振动幅值。对比图4b～4d可以看出，对于同等长度的自由阻尼措施来说，厚度是影响阻尼效果的重要因素，厚度较厚的材料阻尼效果要优于厚度较薄的阻尼材料。

结合前面的公式推导可见，隔振效果变化趋势与理论计算大致相符，阻尼的隔振效果随着厚度增加而得到提高，但隔振效果提升则自20 mm之后降低，说明增厚阻尼来提高隔振效果的性价比不是随阻尼厚度增加而无限提升，而是在20 mm处取得最优值。不仅验证了阻尼措施的实用性与可靠性，也对将来隔振工作中阻尼材料参数选择指出了方向。

4 长度对阻尼效果的影响

影响阻尼效果的另一个材料参数为阻尼措施的长度。实际工程中，阻尼材料成本不高，一般使用时都整管包裹，但是其长度是否对阻尼效果影响很大，以及全管包裹的性价比如何，需要实验来证明。通过不使用阻尼措施和分别对1/4、1/2及全管长度包裹10 mm厚阻尼材料进行对比验证。

仍使用VIBXpert振动分析仪采集施加各阻尼措施之后圆管末端的速度信号，得到实验振动结果的时域波形，然后做FFT变换得到频域波形，如图5所示。

由图5可知，随着长度的增加，阻尼效果仅得到少量提升，即长度对阻尼效果的影响并不明显，且隔振效果提升量也并不大。与图4对比，可知厚度对阻尼效果的影响要大于长度对阻尼效果的影响。这是由于阻尼材料隔振效果主要取决于材料变形量，使用不同厚度的阻尼材料时，阻尼材料变形量相差很大，隔振效果相差很多；而采用不同长度阻尼材料时，阻尼材料厚度不变，因此变形量相差不大，隔振效果相差不多。但是在实际工程中通常是选用一定厚度的阻尼材料，再决定材料使用长度，由于阻尼材料成本并不高，因此在使用时应采用全管包裹措施。

图5 阻尼材料包裹长度对阻尼效果的影响Fig.5 The influence of damping material length on the damping effect

5 结论

(1)阻尼措施是水泵管路振动控制工程中的重要手段，能有效降低振动通过管路传递。

(2)影响阻尼措施隔振效果的主要因素有厚度与长度，隔振效果随材料参数的变化规律为厚度越厚，长度越长，阻尼效果越好。选择材料参数并不是越厚越好，而是在20 mm厚度附近达到最优值。

(3)厚度对阻尼措施隔振效果的影响要大于长度对阻尼措施隔振效果的影响，其原因为厚度变化时造成阻尼材料变形量大于长度变化时造成阻尼材料变形量。

[1] 张建茹. 水泵振动原因分析与减振方法研究[D].大连理工大学,2013.

[2] 李艳华. 考虑流固耦合的管路系统振动噪声及特性研究[D].哈尔滨工程大学,2011.

[3] 费朝阳,陈长征,周勃,等. 声振耦合声场分析与结构隔振降噪[J]. 噪声与振动控制,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] 李以农,谢熔炉,王宜，等. 约束阻尼结构拓扑优化设计的进化算法[J]. 重庆大学学报,2010,08:1-6.

[7] 赵小波. 约束阻尼复合结构的振动分析与优化设计[D].大连理工大学,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，沈阳工业大学博士研究生，研究方向：噪声与振动控制。

TB123

A

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