聚氨酯浮置板整体道床轨道是一种新型低噪声、低振动的轨道系统，它是奥地利GetznerWerksGmbH公司在隔振技术领域研发的又一新项目，先后在德国柏林、韩国首尔、美国纽约、新加坡及香港铁路线路中有着成功的经验。结合我国地铁轨道结构设计形式，聚氨酯浮置板整体道床轨道系统构成主要由道床侧墙、聚氨酯浮置板减振垫、道床轨枕及混凝土道床结构等部分组成。聚氨酯浮置板减振道床由道床两侧侧墙和结构基底构成槽形状，在侧墙及基底处满铺聚氨酯减振垫，形成槽形聚氨酯减振垫层，在槽内按照标准轨枕间距布置轨枕并浇筑整体道床，在承轨台中部浇筑承重凸台，使其满铺的减振垫与其道床结构组合连接形成聚氨酯浮置板减振道床轨道系统。聚氨酯浮置板整体道床轨道属于轻型中等级减振道床轨道系统，而钢弹簧浮置板属于高等级减振整体道床轨道系统。其钢弹簧减缓振动是依靠隔振桶中预设的弹簧系统，在承受列车运行过程中产生的活载时，靠弹簧系统收缩减缓对轨道及传递至道床的振幅，从而有效起到减振作用;而聚氨酯浮置板则依靠自身设计的微孔收缩反弹，将承受的振幅在传递至减振垫表面时给予削弱，从而起到减振降噪的功效。减振原理:聚氨酯浮置板整体道床轨道系统通过聚氨酯减振垫支撑在混凝土道床底部及两侧，车辆荷载作用在整体道床上，之后通过整体道床承轨台及承重凸台将所受荷载传递于聚氨酯减振垫，这样就形成了一个质量－弹簧减振系统，通过减振垫材料达到减振降噪的目的。聚氨酯浮置板减振道床轨道与普通整体道床轨道相比较，实现了减振材质轻量级的弹簧系统，从而提高了减振降噪效果。通过理论分析及试验，该系统减振降噪效果可达15dB，其减振频率在22Hz以上，在70～125Hz频率段减振效果最为显著，测试基底铺设的减振垫在发生最大减振量100Hz时，其处的加速度超级插入损失为38.17dB。
2聚氨酯浮置板整体道床轨道试验效果
2.1减振效果试验对比
针对首次使用于城市轨道交通工程中的聚氨酯浮置板整体道床进行的一系列测试，通过将地下线普通整体道床与之对比，其普通道床铅垂方向的振动级最大值达到72.6dB，而聚氨酯微孔弹性减振垫，铅垂方向的振动级最大值减小到57.0dB，该值低于《城市区域环境振动标准》中对于居民文教区昼间70dB，夜间65dB的要求，减振效果明显。
2.2聚氨酯浮置板减振轨道系统测试结论
对于施工完成的聚氨酯浮置板整体道床轨道减振垫测试时，在大于22Hz的频率段上其插入损失值＞0，说明满铺于道床基底的减振垫减振工作频率为22Hz以上。而在70～125Hz频率段内减振的效果最为明显，最大减振量发生在100Hz处，基底测点在100Hz处的加速度级插入损失为38.17dB，基底测点2的Z振级插入损失为21.37dB，基底测点5的Z振级插入损失为20.97dB，两者平均值为20.17dB。测试结果最终表明:
(1)试验轨道系统自振频率为16.4Hz，理论计算结果为14.8Hz;
(2)减振工作频率为22Hz以上;
(3)在70～120Hz频率段内减振效果最为明显，最大减振量发生在100Hz处，基底测点在100Hz处的加速度级插入损失为38.17dB;
(4)基底测点Z振级插入损失为15.98dB(根据国家标准GB10071—88，分析频段取1～80Hz);
(5)基底测点Z振级插入损失为21.17dB(根据行业标准JGJ/T170—2009，分析频段取4～200Hz)。由此表明，聚氨酯微孔浮置板减振材料与道床整体形成了一个质量弹簧系统，其聚氨酯微孔减振垫具有最低的动静态刚度比和对车辆运行过程中产生振幅降低的性能，对于微孔减振垫材料在支撑上部道床结构部分传授的荷载时，动态刚度可能还会由于振幅频率和荷载的大小产生较小的变化，采用在槽形道床基底及侧墙范围内铺设减振垫，又可称之为全表面弹性支撑弹簧系统，相当于超临界频率范围内，可将结构传播噪声平均减缓至30dB范围内，实现城市轨道交通工程减振目的。
3聚氨酯浮置板整体道床轨道技术应用
3.1聚氨酯浮置板减振垫轨道系统铺设方式及施工流程
聚氨酯浮置板减振整体道床轨道系统施工中，在奥地利聚氨酯微孔弹性材料专家的支持和现场指导下，对于铺设施工方案进行了多次调整细化，以确保铺设的侧墙减振垫和基底减振垫完全呈隔离状态，避免刚性搭接，形成声桥，影响减振效果，打破常规轨道施工方式，以“先附属后主体”方式完成减振系统铺设。在聚氨酯减振浮置板整体道床轨道系统施工中，对铺设轨道的结构底板找平处理完成后，进行整体道床侧墙施工，对侧墙施工的位置、几何尺寸精度严格控制直至检测修正完毕后，铺设聚氨酯微孔减振垫材料，随后采用“机械铺轨法”先进行一次性浇筑整体道床，待强度满足要求后，绑扎道床凸台钢筋并浇筑完成聚氨酯浮置板整体道床轨道施工，完成聚氨酯浮置板整体道床浇筑施工。
3.2聚氨酯浮置板减振垫轨道系统铺设要求
(1)基底清理:对于铺设聚氨酯浮置板减振垫地段，必须对结构基底进行找平和清洁，对于不平整度控制在±4mm以内进行验收，同时避免基底表面出现尖锐突起，损坏材料，同时对于结构底板必须保证不能有可见的水，对于渗水、结构漏水处必须及时处理，确保结构底板干燥。
(2)不同结构形式铺设:对于盾构形式的弧形基底，减振垫作为一个整体(没有底垫与侧垫之分)铺设减振垫必须达到规定高度，通过测量确定两段无误后即可定位;对于矩形的槽形结构基底，应当首先铺设底垫，然后铺设侧垫，其减振垫的下表面必须与精确处理平整的结构底部密贴接触。
(3)当轨道板减振垫铺设完成之后，侧垫上部与轨道板和基底侧面之间的接头空隙处要用专用的密封胶进行密封，保证侧墙及结构底板的减振垫形成一个整体，保证减振垫在道床浇筑完成后形成的质量－弹簧系统发挥其减振降噪性能。
(4)减振垫底垫和侧垫铺设完毕后，可以作为浇筑模板在上面浇混凝土道床。浇筑前应当根据轨道板的设计对其进行配筋。为了防止钢筋头对减振垫造成损坏，可以在钢筋和减振垫之间放置一些支撑块，予以支撑抬起钢筋，避免钢筋直接接触减振垫表面层。
(5)浇筑前对轨道进行几何尺寸调整时，支撑轨道的支撑架丝杠在调整过程中产生竖向力，避免支架调整轨道几何尺寸时破坏已铺设完成的聚氨酯减振垫，在支架丝杠下垫上预先加工的丝杠扭力防护垫板，调整时丝杠落在防护垫板中心，同时要求在丝杠上要预先穿好PVC管，便于浇筑道床完成后，可方便取出丝杠。
4施工过程中质量控制的难点
(1)道床钢筋绑扎焊接作业时产生焊渣，焊渣烧伤减振垫是个难题，通过铺设浸湿养生棉布或浇水降温的形式，可避免钢筋焊接时电焊的焊渣烧伤减振垫的问题，严格确保聚氨酯减振垫外观完好无损，可全面发挥减振垫减振作用。
(2)道床侧墙与道床分为2次浇筑施工，且侧墙与道床间夹有25mm厚度的聚氨酯减振垫，受列车行驶过程中产生的振动荷载，道床浮动，容易造成残渣及积水顺减振垫两侧流入减振垫层，造成对减振垫侵蚀破坏。为解决此问题，采用具有柔韧性较强的玻璃胶对25mm厚度的减振层密封，进行防水沥青包裹共2层密封，以确保减振道床的有效性。
(3)为确保聚氨酯浮置板减振整体道床轨道系统的铺设精度，提出“先附属后主体结构”施工方式。通过精确控制施工的附属结构即侧墙作为减振整体道床系统的基准保证，控制整体道床轨道施工精度。根据其聚氨酯减振系统需要，在线路中心线两侧每2.5m各设置1对测量基标;以基标精确定位侧墙中心线，并设置侧墙高程控制桩，按照侧墙结构设计尺寸施工浇筑，完成后两边侧墙与结构地板形成槽形，检查结构尺寸满足减振结构系统铺设要求后铺设减振系统，附属结构的精度直接影响减振道床结构精度，对此采取设置成对基标级附属结构控制桩的方式保证施工数据精确性。
5结语
关键词：机械 驾驶室 减振设计
1、概述
工程机械在水利工程、道路施工、矿山等场合得到大量的使用，其性能的可靠性直接影响到工程建设的正常开展。这类机械的设计时通常采用静态设计，设计理念上更多的是考虑机械的强度、耐久性等和机械的工作性质直接相关因素。但从实际使用情况来看，国产的大型工程机械普遍存在着施工过程中振动过大的问题，这将间接影响设备的抗疲劳特性和操作人员的舒适性和操作的稳定性。由于工程机械的工作环境恶劣，车体结构的振动问题更加明显，直接影响到驾驶员的舒适性和驾驶的安全性。因此对于大型工程机械而言，控制车体振动尤其是驾驶室的振动，寻求有效的减震设计方法，对于提高驾驶员的舒适度和车体驾驶室构件的疲劳寿命都是有重要意义的。大型工程机械的振动控制问题是个非常复杂的问题，本文将这一问题缩小到驾驶室的减振设计上，主要通过发动机悬置位置的优化设计，以及基于模态分析和被动隔振理论来降低驾驶室的振动效应。
早期的汽车发动机减振方法是利用硫化橡胶，但硫化橡胶在耐油和耐高温方面表现不够理想。20世纪40年代设计出了液压悬置装置来降低发动机的振幅，并取得了较好的使用效果。但液压悬置减振装置在高频激励下会出现动态硬化的问题，已经逐渐不适应汽车发动机减振的要求。上述几类减振方式都属于被动减振技术，在此基础上，随着发动机减振技术的进步，半主动减振技术开始应用到发动机减振中，这类减振技术的代表作是半主动控制式液压悬置装置，这类减振技术的应用最为广泛。尽管后来又出现了由被动减振器、激振器等所构成的主动减振技术，这一技术能够较好的实现降噪性能，但结构非常复杂，在恶劣工作环境下的工程车辆较少使用。
在工程车辆驾驶室的舒适度设计方面，主要所依据的是动态舒适性理论，用以评价驾驶人员在驾驶室振动的条件下对主观舒适程度。从驾驶员所承受的振动来源来看，主要是受发动机的周期性振动和来自于路面的随机激励。其传递机理较为复杂，跟发动机、驾驶室、座椅等的减振都有关系。因此为便于分析，本文中只针对驾驶室的减振问题展开研究。
2、大型工程机械驾驶室的减振设计
如前文所述，驾驶室的振源激励主要来自于路面和发动机及其传动机构。来自于路面的振源激励具有很大的随机性，要进行理论分析非常困难。加之在需要使用大型工程机械的场合机械的运动速度一般都较慢，随之产生的路面激振频率较低。因此相比之下，大型机械的发动机在运行时一直都处在高速运转状态，由此产生的激振频率很高，也更容易导致构件的疲劳损坏，实践证明发动机及其附件的疲劳损坏主要是由发动机周期激振力产生的交变应力引起的。从物理背景来看，工程机械的驾驶室所受到的振动激励主要来从车架传递到台架，驾驶室的振动行为属于被动响应。为了便于分析，将驾驶室的隔振系统进行简化，以单自由度弹簧阻尼系统来对驾驶室受到振动激励过程进行分析。
2.1发动机的悬置设计
发动机在工作过程中的振动原因主要是不平衡力和力矩，这类振动不仅会引起车架的的振动，也会形成较强烈的噪声，不仅会影响到构件的使用寿命也会影响驾驶员的舒适度。要缓解发动机振动所造成的负面影响，采用悬置的设计方式是比较有效的途径，其实现方式是在动力总成和车架之间加入弹性支承元件。悬置设计方式的理论基础是发动机解耦理论，通过解除发动机六个自由度解耦，改变发动机的支撑位置，从而实现发动机自由度间振动耦合的解除。此外，需要配合使用解除耦合后的各自由度方向的刚度与相应的阻尼系数，但应注意在解耦之后振动最强的自由度方向的共振控制，可应用主动隔振理论来确定减震器的刚度和阻尼系数。采用合适的刚度和阻尼系数的目的在于控制发动机悬置系统的减振区域。
具体到悬置设计的细节方面，主要是确定发动机支撑的数目和相应的布置位置。在考虑发动机动力总成悬置系统的支撑数目时，考虑的因素包括承重量和激振力两大类。在设计时通常都会依据车辆类型的不同选择三点或者四点支撑方式。对于大型机械而言，在实践中一般都会采用四点支撑的方式，本文中作为算例的发动机属于某型重型挖掘机的发动机。因此采用经典的四点支撑。其支撑位置选择在飞轮端和风扇端，上述两个位置分别设置两个对称的支撑点，采用支撑对称的目的在于后期解耦方便。从布置的方式上看，主要有平置、汇聚和斜置三种典型布置方式，具体采用哪种方式取决于发动机周围附属配件的布局方式以及车架所能提供的空间有关。本文中不重点讨论减振支撑的布置方式，因此仍然采用平置式的减振布置方式。
2.2悬置系统的动力学分析
为减少研究成本，在支撑的材料上选用橡胶减振器。由前节所述，由于采用的是四个平置式的橡胶减震器，因此可以在进行力学分析时将其简化为三个互相垂直的弹簧阻尼系统，从而可以构建一个发动机主动隔振的力学模型。
2.3驾驶室模态试验
在上述基本力学分析的基础上，进一步采用驾驶室模态试验的方法来检验整个驾驶室的减振效果，其目的在于掌握驾驶室的动态特性和找出驾驶室结构上的薄弱部位，同时以试验为基础还可以调整驾驶室减震器的系数匹配，减小驾驶室的整体振动响应。在试验时以快速傅里叶变换为以及，测量激振力和振动响应之间的关系，从而得到二者之间的传递函数，而模态分析的目的是通过实现来实现传递函数的曲线拟合和确定结构的模态参数。本试验中采用LMS模态测试分析软件，驾驶室所受的激振用力锤激振器来模拟。在试验时用力锤敲击驾驶室从而制造出1-200HZ脉冲信号。通过记录下在不同激振频率下驾驶室结构的反应来确定驾驶室各个构件的强度，以及应该避免的激振频率。在得到这些基础数据后可为后续的驾驶室减振设计的选择悬置系统的减振区域的临界值，使得驾驶室所有构件的固有频率都能够位于减振器的减振区域内，从而起到抑制驾驶室结构的振动响应。■
参考文献
【关键词】捷联惯导;ANSYS;被动隔振
1.引言
随着科技的飞速发展，惯性导航系统被广泛应用于航空、航天、航海以及其他工业设计等领域内。特别是现代战争的发展，对于武器平台的精度打击、机动性、自我生存能力提出了更高的要求。惯性导航系统能够通过惯性装置自主提供运载体的加速度、速度、姿态等导航信息，不需要外界信息的介入，是一种真正意义上的自主导航系统[1]。
对于振动被动控制技术，人们早期研究的重点是减振、隔振的方法。随着动力学理论的发展以及材料科学与技术的发展，基于结构动力学和新材料、新结构的动力学和结构优化设计成为了新的研究方向。1928年，在动力减振器的基础上，J.Ormondry和J.P.DenHartog提出了阻力动力减振器，并建立了完整的动力调谐减振理论[2]。Snowdon描述了无阻尼悬臂梁共振时，联入减振器减小由梁的始端传到梁终端的激振力，用定点法确定了减振器的最佳参数设计。2009年，国防科技大学的庹洲慧等人对机抖激光陀螺的捷联惯性导航系统进行了减振结构设计，仿真分析了减振系统中减振器的布局方案，建立了减振系统的振动响应模型，并用有限元法获得了减振系统的模态频率和振型，用有限元分析验证了减振设计[3]。从20世纪初开始，以理想的刚性基础单层隔振系统为研究对象的经典隔振理论就已经得到了初步的发展，单层隔振是最基本的隔振措施，其隔振效果的评价标准为传递率[4]。单层隔振理论认为只要频率比就具有良好的隔振效果，并且频率越高，隔振效果就越好[5]。但是在大量的工程实际当中，单层隔振系统的高频隔振性能并不理想，且激振频率越高，理论与实际结果就会有越大的偏差。因此在结构的被动减振设计中，阻尼材料和阻尼元件的研制及阻尼机理研究至关重要。
2.系统组成
在工程设计当中，如果对被减振对象的隔振目的和设计准则缺乏了解，则会使系统的隔振效果不太理想，同时由于不同物体对隔振的要求都不同，因此要设计出一个最优的隔振系统是非常困难的。此外，被隔振设备的工作频段和其内部结构或工作环境的不断变化都增加了隔振系统设计的难度。针对不同的工程实际问题应该遵循不同的设计原则，捷联惯导系统是属于精密仪器设备，其隔振系统的设计既要能有效的减振，又不能产生附加的线振动和角振动，这样才能真正满足惯导系统高精度的要求。同时还应当满足以下要求：经济合理，成本低;通过合理的布置隔振器件的位置，能够使系统的质心与隔振器的总刚度在一条直线上，尽量避免振动耦合;隔振系统的单自由度设计;捷联惯组隔振后的最大振动响应满足振动幅值的要求。
针对以上设计原则，考虑捷联惯组的自身安装要求和动力学特性，对捷联惯导系统的隔振器的安装采用对称安装的设计方案，这样使整个隔振系统的安装结构上具有多个对称面，可以尽量减少振动的耦合。隔振系统原理图如图1所示，捷联惯组载体的振动（振源）引起安装支架的振动，在安装支架与捷联惯组之间的隔振器件吸收、隔离大部分安装支架传递来的振动，从而减小捷联惯组本身的共振，保护捷联惯组。
图1 被动隔振系统原理图
图2 捷联惯导系统被动隔振实验系统图
3.捷联惯导系统实验与仿真
对捷联惯导系统（如图3所示）在ACT2000振动台上进行测振实验。
图3 捷联惯组安装组件模型
在振动实验过程中，捷联惯导系统出现失效如图4所示。
图4 捷联惯组失效图
鉴于实验过程中捷联惯导系统出现失效，我们通过方针进行验证。
运用完全法对捷联惯组安装组件进行频率范围为100～3000Hz的谐波加载，通过分析可以得到，捷联惯组质心处的幅频特性曲线如图5所示。
从图5可以看到，曲线分别在358Hz、568Hz、870Hz、2342Hz处有峰值，说明捷联惯组质心在以上四个频率处的幅值最大，即发生共振，与实验结果基本一致。共振频率与捷联惯导系统安装组件的固有频率很接近。并且在568Hz、870Hz处的幅值明显比其他两个幅值大，这也说明了其中捷联惯导系统安装组件的第二、三阶模态对导航精度的影响较大。图6和图7分别给出了捷联惯导系统安装组件在568Hz和870Hz处发生共振时的Y轴方向的应力云图。
图5 捷联惯导系统质心处的谐响应幅频特性曲线
图6 安装组件在频率568Hz共振时Y轴应力云图
图7 安装组件在频率870Hz共振时Y轴应力云图
图8 正弦加载时惯组质心位移时间图
从图6和图7可以看出，在发生共振时，安装支架处的应力较大，说明在这些地方振动引起的变形较大，与实验中出现裂纹位置相符。
某装备的捷联惯导系统在运行过程中，承受约为20g的振动载荷，对导航精度有一定的影响。针对被动隔振系统和安装组件的二阶模态，仿真中对安装组件的支架两侧分别施加和等效激励，分析得到如图8的捷联惯组质心位移时间图。
4.捷联惯导系统被动隔振分析
捷联惯导被动隔振系统在捷联惯组与安装支架之间安装橡胶隔振器，振动过程中，橡胶隔振器吸收减小外界振动激励，从而减小振动的传递效率。选用硅橡胶材料的隔振器件，硅橡胶的材料参数为：弹性模量，泊松比，密度，另外还有两个常数和。采用的单元类型为具有超弹性的solid185单元，划分网格如图9所示。
图9 捷联惯导被动隔振模型网格图
对被动隔振系统的安装支架两侧同样施加正弦载荷，进行分析计算得到如图10的捷联惯组质心处的位移时间图。
图10 加载时质心的位移时间图
从图10与图8（a）对比分析可得，在被动隔振系统二阶共振频率处，施加相同的正弦载荷，被动隔振系统由于装入隔振器件后，隔振器件在振动过程中吸收外界振动激励，使惯组质心的振动幅值明显减小，最大振幅的减振幅度在22.2%。与实验结果基本相符。
5.结论
对捷联惯导系统进行振动试验，得到其应力集中点，通过ANSYS仿真进行验证。通过对捷联惯导系统增加隔振器件，进行正弦加载分析，被动隔振系统由于装入隔振器件后，隔振器件在振动过程中吸收外界振动激励，使惯组质心的振动幅值明显减小，最大振幅的减振幅度在22.2%。
参考文献
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[5]李斌华.激光陀螺捷联惯组减振系统设计及其动力学特性研究[D].国防科学技术大学，2008.
作者简介：
关键词: 声波能;振动耗能;能量分析法
中图分类号: TU352.11
文献标识码: A
引言,环境中存在各种各样的振动现象,工程中遇到的振动问题,在绝大多数情况下是有害的,高精度,高精密性设备的振动控制技术已经成为关键问题,有效的控制振动就显得非常必要和迫切。振动控制的基本方法就是围绕振动产生以及振动能量传输过程的三个环节(振源、传输途径以及受保护对象)入手,分别采取控制振源(或受保护对象)以及阻隔振动能量传输途径等措施来实施。耗能减振技术就是隔振技术中非常重要并且也得到广泛
应用的隔振技术[1]。
1 传统振动控制技术
耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼,在地震作用或风荷载作用下主要通过耗能部件来耗散输入结构的能量,以减轻结构的动力反应,从而更好地保护主体结构的安全,是一种有效、安全、经济且日渐成熟的工程减震技术[2].
传统的耗能器主要有钢耗能器、铅阻尼器、摩擦耗能器、粘滞流体阻尼器、黏弹性阻尼器、电感式耗能器、智能型耗能器,复合型耗能器[3]。
2声波耗能法简介
2.1 理论基础
本文提出一种新的消耗振动能量的途径,即声波耗能法。
声音是人们日常生活中很熟悉的客观物理现象,声音是由声源的机械振动产生的,声源的振动状态,通过周围介质向四周传播就形成声波。产生声波的条件是:1),有作机械振动的物体――声源;2)有能传播机械振动的介质[1]。
声波能量具有容易产生,扩散方便等优点。声波能量将振动能量转化为声波能的关键是将振动能量有效的转化为声波能。
为了证明将外部振动转化为声波发射出去的可行性,并且具有一定的效率,采用计算输出能量和输入能量之比的方法,即计算声波能量的输出和激励振动输入能量的比值的方法来计算声波消耗振动能量的效率。
声波能量的输出由发声单元的振动特性决定的,但是现在在未知发声单元结构的情况下,只能根据发声单元发出的声波的能量情况来近似计算,由于声波在传播过程中的损耗,所以仅当在离开发声单元最近的位置,声波能量近似等于发声单元的振动能量。
能量分析法
能量分析法的思想是在振动过程中输入耗能减振结构体系的能量必须与结构体系内部能量的存储、转换和消能相平衡。即
(1)
式中, 为振动过程中输入耗能减振体系的总能量,为耗能减振结构体系的势能,为耗能减振结构体系的动能,为主体结构的黏制阻尼耗能,为主体结构的非弹性变形滞回耗能,为耗能装置的耗能。[4]
工程设计中,为确保主体结构的安全,可近似认为振动能量全部由耗能减振吸收或耗散,上述方程可简化为:
(2)
上式即可以作为耗能减振结构体系的能量设计方程,其中忽略了,,,等因素的影响,一方面简化了计算,另一方面可作为结构的安全储备。
计算过程:
①、发声单元将自身的振动一部分转化为声波,而另一部分转化为热能,这里只计算转化为声波的那部分能量。
②、假设在离发声单元很近的距离时,声波是没有损耗的。
2.2 振动能量转化为声波能的效率的计算方法:
因为无论多复杂的波形都可以看作是无数个简谐波的叠加,所以通过计算简谐波在一个周期内能量的转换来实现计算的目的
弹性介质中取一线元,其质量
波形函数可以表示为:
(3)
质元动能:
(4)
质元形变势能:
波形传播速度:
质元波动能量:
介质中单位体积内的能量,能量密度等于:
(8)
能量密度在一个周期内的平均值为平均能量密度:
单位时间内通过截面S的能量等于体积uS中的能量,即为能流。
单位时间内通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量为能流密度。
能流密度:
一个周期内能流密度大小的平均值称为波的强度,波的强度即为度量波的能量大小的标志
上式指出波(注意,所有形式的机械波)的能量大小与传播介质的密度,波的振幅,波的频率以及波的速度有关。
2.3 算例
人能发出的声音的频率范围为45Hz到1600Hz之间,乐器中发音频率最高的是小提琴:196~1320为基音区,泛音为12KHz左右,这里是通过机械振动与摩擦的方式将振动能量转化为声波能,所以其产生声波的频率不会超过乐器所能发出的最高频率。故计算频率取小提琴能发声的基本频率1KHz。
考虑到声波在空气中的衰减,声波离开发声单元1cm处,在一分钟内通过面积为区域的能量可以看作是没有衰减的。
由于声波在空气中传播,空气的密度非常低,假设一个算例,声波传播速度为340m/s,频率v为1000HZ,空气的密度为1.27kg/,振幅A=m,,那么该波的平均能量流密度就是:
一分钟内垂直通过面积的总能量为:
对于被保护体来说,激励能量等于
假设被保护体质量为0.1kg,限定振幅为0.01m,根据GJB 150.16―86,在普通公路运输环境下的振动,其振动频率期望值为200HZ
故被保护体振动能量输入为
故转化效率等于
3 结论
传统的耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,声波耗能法就是利用声波产生器将结构的振动能量转化为声波能量发射出去,本文从理论上和工程算例上都证明了这种方法是切实有效的,为振动能量的消耗提供了一个新的方法,为振动控制技术提供了一个新的方向。
参考文献:
[1] 盛美萍 王敏庆等.噪声与振动控制技术基础[M].北京:科学出版社,2001.
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[4] 严东方.浅谈效能减震结构.科技情报开发与经济[J],2006,16(8):165-167.
作者简介:
【关键词】隧道，爆破，振动，控制技术，研究分析
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
一.前言
在进行隧道工程中，据笔者多年的施工经验，在隧道出口处一般而言岩石都风化破碎的厉害，在这种情况下进行对隧道的爆破，将会面临着比较复杂的力学特征，由于这些岩石的稳定性相对而言比较差，在进行爆破施工过程中，很可能会由于岩石的周围的应力方向发生的偏转或者是偏移，在这种情况下，很容易让爆破不够准确，难以满足隧道施工的要求，为了保证工程质量不得不进行重新爆破，这种情形下，很容易造成误工或者是出现一些安全隐患。伴随着我国的隧道工程施工规模逐渐扩大，施工环境越发的复杂，在对隧道开挖和爆破的过程中，要严格工程的结构设计，科学确定对隧道的爆破相关的参数，如此，可以很大程度的将爆破的振动损害控制在一定的范围之内。笔者在隧道中有过多年的施工经验，认为，在进行爆破振动控制过程中，要加强对爆破振动的强度监测，并结合相关的工程实际情况和爆破的振动强度，不断调整和优化爆破参数，如此，将更有助于加强对爆破振动的技术控制。
二.隧道爆破振动效应监测与分析
1.工程实例概述
在济南开元寺隧道浅埋段，隧道采用上下导坑方式爆破掘进，上导坑进口段前400 in虽然埋深浅，但上部为山坡林地，局部有基岩，对爆破振动影响并不敏感。只有当隧道进入400 m后，才穿越住宅小区，特别在隧道正上方的别墅建筑群距离洞顶仅20m，对爆破振动特别敏感。该隧道上导坑开挖断面为半圆形，面积达66 平方米，单循环爆破进尺可在3．5 m左右。根据目前国内常规施工机械装备条件，国内隧道爆破通常采用手风钻钻眼，掌子面设钻孔装药平台，炮眼直径为42 mm，炮眼深度4．0～5．0 m，采用楔形掏槽和周边间隔不耦合装药光面爆破技术。
2.隧道爆破振动效应监测与分析
在此工程中，常规的掏槽爆破形式如图1所示。在这一爆破方案中之所以将楔形掏槽区设置在上导坑的下部，主要原因是考虑尽量减小掏槽爆破对上部地面振动的影响。此外，由于“V”掏槽爆破技术较为成熟，对钻孔定向精度要求不高，岩渣抛掷较远，在国内得到普遍应用。但楔形掏槽应尽量使成对的斜眼同时起爆才能获得较好的掏槽效果，而且楔形掏槽爆破夹制作用大，所以引起的爆破振动较大。
上导坑浅埋段爆破掘进时，采用常规的单级楔形掏槽爆破，测得的地表振动典型波如图2所示。从图2分析，该爆破方案的地表爆破振动强度分布特点是：掏槽爆破引起的爆破振动特别强烈，其峰值大大超过了《爆破安全规程》规定的允许范围，其它部位的爆破(扩槽、周边、底板等)振动较小都没超过安全允许范围。
扩槽、周边、底板爆破振动较小的原因除了临空面条件较好外，高段位普通毫秒雷管延期引爆时间误差大也有影响，从扩槽眼和周边光爆眼的爆破振动波形和峰值特点分析，8段以上段位的雷管多孔同段爆破时振动波段明显分散…。段位越高、炮孔越多，其振动波分散越明显。所以安排高段位雷管多孔同段爆破，有时能适当减小爆破振动峰值。由此看来大楔形掏槽虽然爆破效果和技术经济指标较好，但因爆破夹制作用太大，引起强烈的爆破振动，必须调整优化楔形掏槽方案才能保证浅埋敏感区段的爆破振动安全。
三.降低爆破振动技术措施分析
虽然爆破施工是整个隧道工程的重要环节，但是其伴随着的振动也会造成很多的损害，比如造成很多潜在的安全隐患，威胁着整个隧道工程的安全施工。笔者将将结合多年的施工经验，从以下几个方面分析降低爆破振动的技术措施。
1.爆破振动跟踪监测
在加强对降低爆破振动的技术措施中，首先要做到的便是对振动实施科学严格的振动监测，要通过严密的振动监测寻找出爆破振动所带来的规律，在此基础上，结合工程的具体实际情况，合理的调整隧道的爆破方案，并做好数据的记录，并和原有的爆破方案作出对比，结合监测结果采用有效的爆破振动控制措施
2.减小爆破夹制作用
在进行爆破振动降低过程中，要能够据不同时段的隧道地质地貌情况，对掏槽的方案进行及时，科学，合理的调整，同时，要优化爆破过程中引爆的顺序，最大程度的减少爆破的夹制作用，如此，可以最大程度的降低整个爆破的振动作用。
3.充分利用雷管引爆延时分散性
在进行隧道爆破时候，在遇到隧道断面实施扩展，且已经扩展到扩槽或者是周边的眼爆破的情形下，就需要结合工程的实际情况和爆破的目标，安排高段位的雷管并安全引爆，在这种情况下，具有很好的爆破临空面积，雷管的点火延时分散性很好，在进行爆破设计过程中，可以结合工程情况适当的增加一些爆破炮眼的数量，不仅仅不会让爆破的振动强度增加，而且有助于让爆破施工的安全性增加，同时也能够让爆破取得更为理想的效果。
4.减小爆破单响药量
要想减少爆破振动所带来的损害，可以在爆破设计过程中使用一些高精度，延时性较短的雷管，或者使用电子雷管进行爆破，由于电子雷管可以据不同的工程实际情况设置任何的延时时间，而且不会受到段别数量的限制，在使用过程中，可以达到延时精确，错峰减震的爆破效果，在降低爆破振动的同时，也可以很大程度的让爆破的效率提高。
5.其它减振技术措施
在笔者多年的隧道爆破施工经验中，除却上面的一些降低爆破振动的技术措施之外，同时，也可以综合使用以下几个方面的减振措施。主要而言，主要是指辅助隔振措施，比如在实施爆破施工过程中，周边开槽，预裂隔振法等技术措施，也可以在保护物的周边结合工程的实际情况和爆破振动的强度开挖减振沟，通过多种减振方法的共同使用，提高减振的效果。
四.结束语
隧道的爆破施工是整个隧道工程的重要环节，科学的控制爆破带来的振动损害是整个隧道工程安全施工的客观要求，也是保证整个工程施工质量的必然举措，在此过程中，要加强对爆破振动的强度监测，综合利用多种减少爆破振动的技术措施，在此过程中，要加强对工程施工人员的综合素质培养，提高其安全施工意识，同时，要加强对爆破振动减振技术研究，不断引进先进的技术和机械设备，提高施工效率，确保施工的安全进行。
参考文献：
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[6]黄烨 城市小净距隧道施工环境影响控制技术研究 [学位论文] 2009 - 北京交通大学：地下工程
Abstract: The use of CAI technology compressor piping vibration is analyzed, through TRIZ theory contradiction analysis combined with mode analysis, we formulated the program to increase damping in the pipeline to ensure that the pipeline damping of vibration energy transferred to the damping. Specific program is to install viscous-type vibration damper in the pipeline to reduce vibration, the program effectively increased the reliability and security of the pipeline to ensure the safety of petrochemical pipeline compressor.
关键词:CAI;TRIZ;压缩机管系;振动;阻尼器
Key words: CAI;TRIZ;compressor control system;vibration;damper
中图分类号:TP39 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)21-0241-01
1CAI技术
CAI(Computer Aided Innovation,计算机辅助创新)是以TRIZ(发明问题解决理论,TRIZ为俄文首字母)理论为核心, 融合现代创新方法、计算机技术、多领域科学知识为一体的综合创新系统。CAI最初从计算机化的TRIZ工具已发展成为了以TRIZ理论为核心, 融合现代创新方法、计算机技术、多领域科学知识为一体的综合创新系统, 并随着质量功能展开QFD(Quality Function Deployment)、公理设计AD(Axiomatic Design)等现代创新理论的融入,以及计算机技术的不断发展,CAI技术将向智能化发展。
TRIZ理论即发明问题解决理论,它是由苏联科学家根里奇・阿奇舒勒发明的技术进化的法则以及解决各种技术矛盾及物理矛盾的创新法则,一种解决技术问题,实现技术创新的各类方法组成的理论体系。
从CAI 软件进行产品创新的一般流程可以看出CAI技术的层次以及与CAE的接口。
产品创新首先进行的是基于市场预测和客户需求的需求分析,在CAI的多层次创新体系中此一层面应用最多的是QFD等分析技术该层次能够把客户需求转化为所需新技术的指标。产品创新的第二个层面是其问题定义和功能分析阶段,此层面上可应用工具较多,QFD的瀑布式分解以及TRIZ的矛盾分析都是其经常使用的工具。第三个层面是创新原理的运用及解决方案的提出,这一层面最常见的工具就是CAI技术的核心TRIZ原理,通过它我们就能形成一个较完备的方案。最后一个CAI解决问题的层面是对方案进行评估,评估方案的首都那多是一些现代的设计方法,主要是取它们能够结构化地给出评估方案的指标。通过四个层面的CAI分析,完整的工程定性方案就已经形成,将这个方案输出至CAE就可以进行具体执行方法的分析。
2管系振动问题解决方案的CAI分析
压缩机管道减振方案有很多,如增加支撑进行加固,调整管系结构固有频率;增设缓冲器、设置孔板、滤波器等。这些方案在减振的同时改变了管系的结构,按TRIZ理论分析就是所改善的通用工程参数是“物体产生的有害因素”,而这些办法所恶化的通用工程参数为“系统的复杂性”。通过对矛盾矩阵表的操作所应该采用的创新原理是19,01,31。
第19号创新原理是周期性作用原理,具体描述为:以周期性动作或脉冲,代替连续动作;如果周期性动作正在进行,改变其运动频率;在脉冲周期中,利用暂停来执行另一有用动作。
第01号创新原理是分割原理,具体描述为:把一个物体分成相互独立的几个部分;把一个物体分为容易组装和拆卸的部分;提供系统的可分性以实现系统改造。
第31号创新原理是多孔材料原理,具体描述为:使物体变为多孔或加入多孔物体;在孔结构中的孔中填入某种物质。
显然利用多孔材料原理以及周期性作用原理来进行压缩机管道减振是不现实的,那么必须应用分割原理来进行管系振动问题的解决。
3管系振动问题解决方案
在这个问题中我们所要分割的是管系的振动,具体方法是在管系中加入阻尼器来分割管系振动并增加管系的结构阻尼,可以在不改变原有管系结构的前提下,使管道振动的动能通过阻尼器转化为阻尼的热能散发出去,从而减小管系的振动。
4CAE分析及具体解决方案
针对某石化厂往复式压缩机出口管线振动为例进行阻尼减振设计。
为了降低管道的振动,根据实践的经验,我们工程中所加的阻尼器,就是要增大系统的阻尼比D。根据以上管道振动分析及理论研究,采取增加管系结构阻尼的办法来防止管道发生共振破坏。增加管系阻尼的主要办法是在管道适当的位置设置粘滞型阻尼器,将管道振动的能量转移到阻尼器中的液态粘滞阻尼中,通过阻尼的发热来耗散管道振动的能量,最终达到降低管道振动振幅的目的。
在考虑到管道的空间位置前提下,在管道的出口振动最大的三处分布安装固定三组管道阻尼器,降低并控制缓冲罐管道出口的振动。
5阻尼减振方案实施及效果
减振治理方案在机组停车检修过程中实施,阻尼器安装在管系的相应的位置。机组重新开机运行后,带负荷到100%情况下,压缩机及管道运行状况良好。
6结论
①利用CAI技术对压缩机管系振动问题进行了分析,找到了解决方案,为CAE分析提供了技术路线。②利用CAE方法对管系进行模态数值计算,来分析管道振动原因是解决振动问题的前提。③通过安置阻尼器对振动管系添加阻尼从能量耗散的层面上来根本解决压缩机管道振动问题。④从实际工程项目来看,阻尼减振取得了良好的减振效果。
【关键词】地铁轨道；噪声污染；减震降噪
引言
由于城市轨道交通的高速发展，其产生的振动和噪声问题不容忽视。城市交通轨道尤其是地铁轨道，不可避免地穿越人口密集区和重要建筑物下，列车行驶时产生的振动和噪声严重影响了人们正常的工作和生活。交通引起的振动噪声已被列为世界七大环境公害之一，因此设法降低城市轨道的振动和噪声，让人类与自然的关系更加和谐，成了人们普遍关注的问题.因此对轨道的减振、降噪能提出了更高的要求。本文将对地铁轨道的减振降噪措施进行简要探讨。
1 地铁减振降噪研究存在的问题
近年来，在城市轨道交通中已使用多种新型减振轨道结构形式和多种减振降噪措施，但普遍存在施工工序繁杂、工期长、成本高、性价比低等不足，制约着城市轨道交通在减振降噪方面的发展。我国轨道交通的减振降噪方案设计中，采用了大量的国外轨道的减振降噪技术和产品。但对于其评价，我们所看到的数据都是由供货商提供的，没有相应的对比对象。再次，由于在轨道减隔振方面的研究和工程实践起步较晚，所采用的减振降噪技术方案都比较单一，所以新材料、新工艺、新结构的研发和性能试验就显得尤为重要和急迫。因此，必须对目前各种减振降噪技术进行梳理、总结、归纳，从而掌握具有更好的减振技术，拥有更经济的工程造价和更优良的轨道交通装备，将这些轨道结构应用于建设中，这些都是值得更进一步研究的。
2 减振降噪的一般措施
轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论，轮轨之间的振动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。轨道结构的减振降噪则主要是通过改变结构参数来实现。
与有碴轨道相比，无碴轨道具有整体稳定性好、维修少等优点，但其缺点是振动噪声较大，尤其是用于高架轨道时更为突出，对此，应采取有效的减振降噪措施。
从轨道结构方面来看，国外已尝试的减振降噪措施主要有：
（1）采用焊接长钢轨；（2）采用减振型钢轨；（3）采用减振型扣件（如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低刚度型等等）；（4）采用减振型轨下基础（如有碴轨道采用弹性轨枕和道床弹性胶垫，无碴轨道则采用弹性支承块、防振型轨道板等等）；（5）采用钢轨打磨技术。这些措施均已被证明具有不同程度的减振降噪效果，适应环保要求。例如，由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成的弹性支承块式轨道结构 减振降噪的效果较为明显，因此，对于振动和噪声敏感的地段，特别是高架结构，采用弹性支承块式无碴轨道结构是比较理想的方案。
减振型轨下基础的研究也很有价值，如在碎石道床的基础上，加设弹性轨枕道床和道碴垫道床，增加道床弹性，可有效降低道碴振动，与一般碎石道床相比，其减振效果可达5～15dB。新加坡、香港地铁的特殊减振地段采用浮置板结构，减振效果非常显著。另外控制轨道不平顺度也能获得很好的减振降噪结果。例如，钢轨打磨后，在振动频率为8～100Hz 范围内，振动噪声下降 4～8dBA，站台上的振动噪声下降 5～15dBA。
另外，橡胶材料在轨道交通减振降噪中应用很广，如轨下胶垫、支承块下胶垫、桥梁橡胶支座等，但橡胶材料配方工艺不同，其减振降噪效果就不同，而且其耐磨性能和抗老化性能也不同。因此，研制高性能橡胶材料至关重要。如ZnOw改性橡胶复合材料，开发既具有优越的减振降噪性能又具有良好的耐磨、抗老化性能的橡胶垫板产品，进而研制出新的减振型轨下胶垫、扣件铁垫板下胶垫和支承块下胶垫等系列产品，为减振型轨道结构提供配套部件。开发高效轻质的减振降噪新材料，包括单相匀质的新材料和多层结构的复合材料。进行高效吸声、隔声材料的体结构设计，提高隔声性能。借助有限元等分析手段对不同吸声、隔声材料的性能进行模拟，优化吸声、隔声体的性能。
3 轨道结构减振隔振方案设计及其动力性能预测
在国内外轨道交通减振降噪研究成果的基础上，结合我国轨道交通实际，围绕轨道结构开展各种可能的减振隔振结构设计和参数优化研究，主要开展以下工作：
（1）弹性支承块式无碴轨道结构参数设计。目前我国轨道交通主要采用承轨台式混凝土道床结构，由于只有扣件弹性垫板一个减振环节，而轨道整体刚度大，其减振效果并不理想。若在承轨台下设置一层橡胶垫，便能大大降低轨道整体支承刚度，显著提高轨道的减振降噪性能。这种结构已被瑞士、丹麦、英国、法国等采用，特别是在英法海峡隧道和我国长大秦岭隧道内得到了成功应用，被证明具有优越的减振降噪性能。本项目还将研究其应用技术条件，并通过车辆-轨道耦合动力学新理论对其进行动力学参数优化设计。
（2）防振钢轨设计。在钢轨轨腰两侧粘贴（或包覆）防振吸音材料（如橡胶、树脂），可望获得较理想的降噪效果，适用于需特殊降噪地段（如医院、学校和住宅区附近）。通过对不同的防振吸音材料的理论和实验研究，找出其最佳的防振材料及其粘附方案。
（3）浮置板式轨道结构设计及动力学评估。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的橡胶支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量-弹簧系统。为探索其应用于轨道交通的可行性与经济性，拟运用车辆-轨道耦合动力学理论，具体评估车辆运行于 浮置板式轨道结构上的动力学能。
（4）有碴轨道减振设计。运用车辆-轨道耦合动力学理论及有关仿真软件，以目前我国有碴轨道结构参数为基础，通过对高弹性轨下胶垫、弹性轨枕和道碴下胶垫等所进行的轮轨动力分析，评估其减振效果，并确定轨道各部件刚度的合理设计范围。
基于以上不同减振隔振轨道结构方案的分析，结合轨道交通运营实际，提出最优动力性能轨道结构方案，包括适合于一般地段和特殊要求地段的方案各一套。在部分轨道交通线上根据最优轨道结构方案试铺试验线段，或对试验地段线路局部改造，加设关键减振技术环节，通过过路列车运行测试其减振降噪效果。
