阻尼减振技术在非织造布用针刺机减振降噪中的应用

阻尼减振技术在非织造布用针刺机减振降噪中的应用1 王明旭*，2 穆钟涛，1曹宪周 ，1 王志山1 河南工业大学 机电工程学院 郑州， 4500072 河南恒天重工股份有限公司 郑州， 450003 摘要：综述了阻尼减振技术及非织布用针刺机减振降噪问题的研究进展，分析了非织造布用针刺机发生强烈振动与噪声的根 源、解决现状、存在问题和发展趋势，并对阻尼减振方法在针刺机机减振降噪中的应用进行了介绍。在此基础上，给出了对针刺 机减振降噪问题解决的措施与思路。关键词： 阻尼结构；针刺机；减振降噪；措施中图号：TU311文献标识码：AStudy on the Reduction of Vibration and Noise of the Needle Machine1WANG Mingxu*, 2MuZhongtao, 1Cao Xianzhou, 1Wang Zhishan1 School of Mechanical & Electrical Engineering He Nan University of Technology Zhengzhou, 450007, P.R.China2 CHTC, Heavy Industry Co.,Ltd. Zhengzhou 450003, P.R.ChinaAbstract: Summarized the current situations of the reduction of vibration and noise of the needle machine and the damping technology, analyzed the source of vibration and noise of the needle machine. The existing problems and the development trends of the reduction of vibration and noise of the needle machine are introduced. The application of the damping technology used in needle machine is taken. On this basis, the measurement of reduction of vibration and noise of needle machine is given.Key words: damping structures; needle machine ; vibration and nosize reduction; measurement0.引言随着纺织机械行业的迅速发展，人们对于纺织机 械的振动噪声问题逐渐被重视，研究者开始致力于纺 织机械的振动控制研究。控制机械产品的噪声，不仅 关系到操作人员的身心健康，而且关系到环境保护。 振动与噪声是密不可分的，振动是一切噪声的源泉， 振动可引起机械结构产生疲劳损伤，降低纺织机械产 品的使用寿命；噪声不仅可损害操作者的听力，同时 会使操作者产生疲劳，对纺织机械的安全作业构成威 胁。噪声控制也关系到纺织机械产品的工作的平顺 性、耐久性和安全性。因此振动、噪声和舒适性这三 者是密切相关的，既要减小振动，降低噪声，又要提 高操作舒适性，保证产品的经济性，使纺织机械产品 的噪声控制在标准范围之内。进入 21 上世纪，纺织机械的发展进入了新的发 展阶段，主要是为了社会的可持续发展，环保技术和 信息技术等先进技术在纺织机械上进行了应用和研 究。欧美和日本市场对纺织机械产品的噪声实施了更 加严格的要求，因此纺织机械的环保技术和信息技术 是今后国际工程发展趋势的主流。研究者为配合国家 对纺织机械产品的国际化战略，提升产品技术水平， 进一步开拓国际市场，纺织机械产品在节能、环保、基金项目：河南工业大学高层次人才基金项(2011BS021)郑州市重点科技攻关项目(20120588)的资助。 作者简介：王明旭，男，1980.10 生，博士，讲师，主要研究 方向：结构动力学优化设计、振动与噪声控制 操作及维修方面进行了相关的研究，并取得了一定的 成果。如，研究者通过研究和实践，总结出了许多降 低机械设备振动噪声的理论和经验，并将其广泛应用 于机械领域。阻尼减振技术即增加系统的阻尼，增强 系统损耗能量的能力，提高结构抑制振动的能力。增 加阻尼系统的方法很多，如采用高阻尼材料制造零 件，在系统中附加阻尼性能好的阻尼材料，在振动系 统中安装阻尼器等。由于受目前试验等条件的制约，针刺机的振动与 噪声控制问题远没解决，还存在很多急需解决的问 题。本文旨在分析国内外阻尼减振技术的研究现状， 研究针刺机发生强烈振动和噪声的根源，探索阻尼减 振技术在针刺机减振降噪处理中实施的方法与思路。 1.针刺机产生强烈振动与噪声的原因及现状针刺机诞生于英国，随后德国、法国、奥地利等 纺织机械设备制造商相继开发出不同形式的针刺机。 国内，针刺机的发展起步于 20 世纪80 年代，由仪征 纺织机械厂研制了我国第一台高速针刺机，该台针刺 机的针刺频率最高达1 200刺/min。随着其它型号和 类型的针刺机相继推向市场，国内针刺设备得到了迅 速发展。另外，随着民营企业加入，国内针刺机技术 得到了快速发展。随着非织造布业的市场需求， Dilo 和Fehrer公司的针刺设备引入，促进了国内针刺机研 发技术得到了明显提高。近年来国产针刺设备开始走 出国门，同时国内实力雄厚的非织造布生产商也引进 了一批国际先进的针刺设备，用于提升针刺非织造布 的品质，以便占领国际针刺非织造布的高端市场。制 约针刺机发展的一个关键问题“针刺机的振动与噪声 控制”。引起针刺机振动的主要部件是“针刺机 构”。针刺机构是针刺机的关键机构。如图 1所示，针 刺机构主要包括：主轴、偏心轮、针梁、针板、刺 针、剥网板、托网板等。偏心轮安装在主轴上，针板 的上下往复运动主要依靠曲柄带动针梁来实现，进而 使针板上的刺针随之反复穿刺纤网。其实质上是曲柄 连杆滑块机构主轴作等角速转动时，与之相应的运动 构件都产生惯性力，惯性力的大小和方向产生周期性 变化，引起机构振动，运动副摩损，零件疲劳，甚至 可能引起共振，威胁周围人员和建筑的安全。曲柄连 杆滑块机构主轴的运动是针刺机振动和噪声的主要源 头。目前应对针刺机产生的强烈振动所采取的措施主 要是增加平衡机构，通过增加平衡机构的惯性力，减 轻机械振动，改善机械性能和延长使用寿命，提高针 刺频率。针对平衡机构的平衡力计算受到了研究者的 重视，并取得了一定的成果14。阻尼减振即增加系统的阻尼，提高系统损耗能量 的能力，达到减振降噪的目的。目前受到学者广泛的 重视，阻尼减振离不开阻尼结构。21约束阻尼结构减振方法的研究现状研究者针对约束阻尼结构力学及物理性能的研究 可以追溯到1959年，Kerwin,E.MQ对三层夹芯梁结 构采用复弯曲刚度方法进行了理论分析。此后， Ross,D 等开展的约束阻尼层的阻尼机理相关研究， 为随后学者对阻尼结构的研究奠定了基础。例如，Kim,W7等采用Galerkin方法求解了一个锥形线绕复 合材料 Timoshenko 圆轴结构的自由振动问题。国 内， 郑慧明8等在考虑永磁体的作用下， 应用 Hamilton 原理，推导了对称双层夹心悬臂梁的运动方 程。申智春 9采用 Timoshenko 梁理论，实现了复合 材料空心圆截面梁附加约束阻尼层结构的动力分析。 李恩奇等10采用传递函数方法对约束层阻尼梁进行了 动力学分析。刘志臻 11对大型挠性航天器简化模型 “中心刚体和固接板混合系统”，在考虑混合坐标描 述中心刚体和主动约束阻尼板的运动以及根据拟坐标 拉格朗日方程的基础上，建立了包含高阶小量的完整 动力学模型。 1993年， Baz 提出可以利用压电陶瓷材 料作为约束阻尼结构的约束层对结构阻尼层的剪切应 变进行主动控制。 Baz 在 1993 年首次提出利用压电 陶瓷材料作为约束层，可控制阻尼层的剪切应变。随 后，主动约束阻尼结构也广泛应用于结构的振动控 制。张希农等 12讨论了具有可控约束阻尼层结构的 多点杂交阻尼控制问题。建立了弹性、粘弹性和多个 压电片组成的多层复合梁的偏微分方程；并对可控约 束阻尼层的结构控制进行了研究。王淼等13采用多层 谱有限元法针对主动约束阻尼层 ACLD 覆盖的梁结 构复杂耦合振动问题进行了研究。国内外对约束阻尼板壳的研究同样已取得了丰硕 的成果，Zhang,Q.J.14在对约束阻尼板的动力学问题 进行研究时分别采用了 Galerkin单元法和分布参数传 递函数方法。Lu,Y.P151 建立约束阻尼板在自由边界 条件下的有限元数学模型；并将阻尼层作为粘性弹 簧，对约束阻尼圆柱壳梁进行了研究。 Cupial,P.和 NiziolJ16 采用变分法建立了约束阻尼板动力学模 型，在该模型中约束层的材料为各向异性材料。 El- Rahe,M.和WagerP.W采用了动力吸振器对表面粘贴 约束阻尼条的柱壳结构的振动控制原理进行了研究。 Huang,S.C .等冋先后研究了在柱壳表面轴向粘贴约束 阻尼条后的结构阻尼效果，研究了铺设约束层和阻尼 层的厚度变化以及阻尼的条数对结构阻尼效果的影 响。目前约束阻尼结构的减振降噪技术已经在航空、 航天、轻工纺织机械行业等领域广泛应用。 22减振降噪其它方法的研究现状采用安装阻尼器提高结构阻尼，有效降低结构振 动幅度的方法，目前已广泛应用于工程结构，如建筑 桥梁结构、机械结构等。国内外公司和研究所已涉及 阻尼器的研发和制造，比如国外著名的泰勒公司，制 造的产品已经广泛应用在航空、建筑、家电等领域； 国内哈尔滨建筑大学欧进萍院士的油缸间隙式粘滞流 体阻尼器广泛应用在建筑领域中，并取得了很大经济 效益；东南大学李爱群教授的双出杆型粘滞阻尼器， 已证明具有很好的性能。振动控制的另外一个重要方法隔振。从振动 控制角度研究隔振，不涉及结构强度计算，只研究如 何降低振动本身。隔振即利用弹性或非弹性连接处理 振源与基础或连接结构的近刚性连接的方法，该方法 可隔绝或减弱振动能量的传递，最终达到减振降噪的 目的。常见的隔振降噪装置如隔声罩、消声器等。随着压电等智能材料的出现，主动控制技术在结 构减振降噪方面的应用研究已被学者广泛重视，并取 得不错的成绩。国内，殷学文19对多层复合圆柱壳的 振动与声辐射进行了研究。吴卫国、陆艳红20等对板 结构的振动辐射及其隔振技术层进行了相关研究。韩 洪伟、王敏庆等21研究了加筋薄壁结构振动声辐射的 理论特性。为了改善结构的动力学性能，研究者已经考虑将 阻尼性能优良、吸振能力强的树脂材料、泡沫铝、蜂 窝轻质材料应用于机械结构。本文研究认为可以尝试 将泡沫等轻质材料用于针刺机关键部位的制造，以提 高针刺机结构抑制振动的能力。23拓扑优化技术在阻尼减振中的研究现状 研究者发现，将约束阻尼材料完全覆盖于被控制 结构表面，不仅增加了经济成本，而且额外增加了结 构的重量22。其中 Lall 23 是较早分析局部覆盖阻尼 材料板动力性能的学者之一。Chen和Huang 24建立 了局部覆盖约束阻尼圆柱壳的动力学模型，并将 Donnel-Mushtari-Viasov 假设应用到模型中。Wang 25 利用Kantorovich方法研究了局部覆盖约束阻尼板的 动力学特性和动响应，发现约束阻尼的覆盖位置对结 构动力学性能的控制与阻尼材料覆盖的厚度及所选用 阻尼的材料是同样重要的。Zheng26 利用遗传算法对 圆柱壳上的约束阻尼层进行优化。Kumar 27基于实 验的方法对约束阻尼圆柱壳的约束阻尼层位置进行优 化。在一些特殊领域，由于对结构自身重量有严格限 制，需要人们在增加结构阻尼的时候，同时考虑增 加阻尼材料的额外重量。近年来，随着计算机技术的 发展，拓扑优化方法已经发展为包含均匀化、人工密 度、进化法等，拓扑优化技术已逐渐应用于约束阻尼 结构中约束层与阻尼层的位置优化28。3. 针刺机振动与噪声解决措施的探讨针对针刺机主要的振动和噪声来源于针刺机构。 需要采取如下的措施（1）振动测试信号的分析。从振源入手，运用 时域分析、频谱分析、解调分析、细化分析、轴心轨 迹分析和相位分析方法等方法对振动信号进行综合分 析，从中提取针刺机的振动征兆及敏感参数等。（2）进行针刺机构的动力学性能优化设计。以 往产品设计过程中，对结构的动力学性能经常忽略， 往往仅对产品的静力学进行分析，部分产品的设计甚 至仅凭借经验进行设计。因此需要在对针刺机的动力 学性能进行优化。尤其要对针刺机构进行模态分析， 避开机构的工作频率与结构的固有频率。（3）对针刺机的罩壳进行阻尼处理。可以采用 在针刺机罩壳表面铺设阻尼材料，在结构上安装阻尼 器等方法，以提高结构阻尼，提高结构抑制振动，起 到减振降噪的作用。（ 4 ）根据针刺机的自身重量，所受载荷情况， 通过隔振性能计算，在针刺机与地面间合适的位置安 装合适的阻尼器。需要通过计算来确定阻尼器的阻尼 系数，刚度大小。（5）对针刺机构的运动及受力进行数值分析， 在分析计算的基础上，合理增加平衡机构，通过平衡 机构的惯性力平衡结构工作时的运动不平衡性，最终 改善机械性能和延长使用寿命，提高针刺频率。（6）基于“直流变频”控制技术对针刺机的动 力源电机进行实时的速度控制，最终起到降低振动与 噪声和节能的目的。（7）轻质新材料的应用，树脂材料、泡沫铝、 蜂窝吕、等轻质材料，自身具有强的吸振能力，可以 尝试新的高阻尼材料用于针刺机的制造加工上，用于 提高结构抑制振动的能力。4. 针刺机振动与噪声问题解决的思路研究流程如图1所示图2 流程图针对针刺机振动与噪声问题的解决思路可采用整 体局部整体的研究思路，首先对复杂的整体 结构进行动力学分析，找出结构中对整体结构振动影 响比较大的部件，将这些部件单独提取出来；其次分 别采用不同的减振降噪处理方法，对各部件进行处 理；最后将对各部件处理的结果进行整合，应用到整 体结构中。针对针刺机振动与噪声的问题可采用如下研究方 法进行解决：首先从基本理论出发，进行必要的理论推导，建 立数学模型；其次考虑研究对象的复杂性，需要结合 数值计算方法和有限元方法求解数值解；最后通过设 计试验模型，通过试验研究和测试结果对理论结果进 行检验。最终达到降低针刺机的振动响应幅度，有效 地控制其振动噪声，改善其动力学性能，提高其使用 寿命的目的。5.结论分析了国内外阻尼减振技术的研究现状，研究针 刺机发生强烈振动和噪声的根源，探索阻尼减振技术 在针刺机减振降噪处理中的应用，最后给出了针刺机 振动与噪声问题解决的措施和思路。本文的研究将为 纺织机械的发展提供依据。参考文献：1 王淑贞,杨建成. 针刺机偏心轮机构的平衡分析 J.纺织机械 2009,6:3032赵宁涛，孙荣禄.针刺机振动问题研究J.非制造布2009,17(6):43443 卢怡，徐健.高速针刺机主轴箱传动系统机械惯性力平衡的分析研究J.产业用纺织品2012,(1):37424 王明霞.非织造布高速均匀针迹预针刺机设计要点J. 非制造布 2010,18(4):38415 Kerwin, E.M. Damping of Flexural Waves by a Constrained Viscoelastic Layer J. Journal of the Acoustical Society of America 1959,31(7):9529626 Ross, D. and Ungar, E. and Kerwin, E.M. Dampingof plate Flexural Vibrations by Means of ViscoelasticLaminate in structural damping J. American Society of Mechanical Engineers, New York 19597 Kim, W. and Argento, A. and Scott, R.A. Free vibration of a rotating tapered composite Timoshenko shaft J. J. Sound and Vibration 1999, 226 (1):125 147郑慧明，何锂，李誉磁约束阻尼的减振机理J.振动与冲击 2003,22(3):71759 申智春，郑钢铁. 附加约束阻尼层的复合材料梁单元建模分析J.振动工程学报2006,19(4):48148710 李恩奇，雷勇军，唐国金，李道奎. 基于传递函数方法 的约束层阻尼梁动力学分析J.振动与冲击 2007，26(2):757911 刘志臻，李东旭. 基于主动约束层阻尼控制的大型 挠性航天器动力学模型J.中国空间科学技术 2007，(2):1912 谢石林，张希农， 张景绘. 可控约束阻尼层结构的 Hx控制J.振动工程学报2000,13(3):36937613 王淼，方之楚. 主动约束层阻尼梁结构复杂耦合振 动的多层谱有限元法J 上海交通大学学报 2005,39(1):879014 Zhang, Q.J. and Sainsbury, M.G. The Galerkin Element Method Applied to the Vibration of Rectangular Damped Sandwich PlatesJ.Computers and Stuctures 2000,74:71773015 Lu,Y.P. and Roscoe,A.J. and Douglas,B.E. Analysis of the response of damped cylindrical shells carrying discontinuously constrained beam elementsJ. J. sound and vibration 1991,150(3):39540316 Cupial, P. and Niziol, J. Vibration and damping analysis of a three layered composite plate with a viscoelastic mid-layer. J. Sound and Vibration 1995,183(1):9911417 El-Raheb, M. and Wager, P. Damped response of shell by a constrained viscoelastic layer J.ASME Journal of Applied Mechanics 1994,53(3),902908.18 Chen, L.H. and Huang, S.C. Vibration attenuation of a cylindrical shell with a constrained layer damping strips treatment J.Computers and Structures 2001,79(2):1355 136219 殷学文.(多层复合)圆柱壳体的振动与声辐射研 究D.上海交通大学学位论文,200820 陆红艳.板结构的振动声辐射及其隔声性能研究D.武汉理工大学学位论文,200321 韩洪伟.加筋结构振动声辐射理论及应用研究 D. 西北工业大学学位论文,200622 王淼,方之楚. 主动约束层阻尼部分覆盖圆柱壳耦 合振动控制J.应用力学学报2005,22(4):545-54923 A.K.Lall, N.T.Asnani, B.C.Nakra. Damping analysis of partially covered sandwich beams. Journal of Sound and Vibration 1988,123:24725924 L.H.Chen, S.C.Huang. Vibration of a cylindrical shell with constrained layer damping treatment. Mechanical Sciences 1999,41:1485149825 Wang HJ, Chen LW. Finite element dynamic analysis of orthotropic cylindrical shell with a constrained damping layer. Finite Element Analysis and Design 2004,40:73775526 H. Zheng, C.Cai, G.S.H. Pau,G.R.Liu. Minimizing vibration response of cylindrical shells through layout optimization of passive constrained layerdamping treatments. Journal of Sound and Vibration 2005, 279:73975627 N. Kumar, S. P. Singh. Experimental study on vibration and damping of curved panel treated with constrained viscoelastic layer. Composite Structures 2010,92:23324328杨德庆. 动响应约束下阻尼材料配置优化的拓扑敏 度法J.上海交通大学学报2003,37(8):12091225