钢丝绳隔震器综述

2022-09-11

1 钢丝绳隔震器的特点

无论是整体隔震还是地板隔震, 在防护工程的隔震设计中隔震器都是关键元件。在地震工程隔震设计中主要是考虑地震对建筑物产生剪切破坏的水平震动, 因而在设计中通常采用一层钢板、一层橡胶叠合的隔震器, 这种隔震器水平向具有较高的隔震率;在动力机器的隔震设计中, 主要是考虑动力机器运行时对周围建筑物产生破坏的垂直振动, 故采用垂直向具有较高隔震率的隔震器, 这时常用的都是单向隔震 (振) 为主的隔震器。但在核武器、常规武器爆炸时, 不仅在垂直向, 而且在水平径向、水平切向均引起较强的震动, 因此对于爆炸震动的隔震, 必须采用三向均具有较高隔震率的隔震器。

现有的隔震器大多数属于线性隔震器, 即力与变形之间的关系是线性的, 它们共同的特点是制造工艺简单、成本低、产品设计已基本规范化, 由其构成的隔震系统具有简单的力学模型, 响应计算方便, 生产和使用部门都易于接受。但是, 在输入震动幅值较大的情况下 (如大于100) , 线性隔震器难以满足人员和设备的隔震要求, 即使设计出来, 仍然存在两个问题:一是隔震器占据的空间较大;二是隔震体系的自振频率太低, 将导致正常条件下隔震器工作的失稳。钢丝绳隔震器, 则是最近三十年才发展起来的, 与上述隔震器相比, 它具有明显的四个优点。

1.1 非线性软特性

钢丝绳隔震器的滞回模型如图, 由图可以看出:当位移较小时, 钢丝绳各股之间不产生滑移, 不形成干摩擦, 系统保持线性, 即图中的直线段, 这使它有力地支撑起荷载的质量;随着位移的增加, 钢丝绳刚度变软而发挥软弹簧的作用, 充分吸收外加冲击能量, 降低被隔设备、元件对冲击震动的响应;当荷载消除后, 钢丝绳的迟滞阻尼又能使余震很快消除, 可见钢丝绳隔震器确实是理想的隔震元件 (见图1) 。

1.2 多向隔震、高阻尼比

钢丝绳隔震器在相互垂直的三个方向, 即垂向、横向和纵向上均有一定的变形能力, 由其构成的系统在六个自由度上都可以起到不同程度的隔震作用, 并且动态稳定性好, 而传统的隔震产品一般只提供单一方向的隔震。

钢丝绳变形过程中丝与丝、丝与股、股与股之间的挤压和摩擦可以提供较大的阻尼, 等效阻尼比可达0.1~0.2, 比一般传统的线弹簧阻尼比高一个数量级, 有利于输入能量的吸收, 耗能显著且散热条件好, 抑制谐振能力强, 适用于各种条件下的隔震。

1.3 耐腐蚀、耐高低温

由于隔震器采用了耐腐蚀的不锈钢及铝合金材料制成, 并同时进行了防腐处理, 加之结构形式简单, 散热面积大, 故具有耐潮湿、盐雾、酸碱、尘埃和有机溶剂腐蚀等特点, 在-60°C~260°C的范围内也能保持稳定的性能。

1.4 结构紧凑、重量轻

钢丝绳隔震器体积小、重量轻, 安装尺寸是同等许用荷载的钢弹簧隔震器的1/2左右, 重量为其1/3~1/7。钢丝绳隔震器还具有安装方便、寿命长、通用性强等特点, 适合于国防工程爆炸震动的隔震。

2 钢丝绳隔振器发展的国内外动态

钢丝绳的干摩擦特性早已为人们所重视, 广泛用于高压输送电缆减振的Stock bridge减振器 (防振锤) 即是由两端连接有锤头的钢丝绳组成的。七十年代末, 美国Aeroflex公司研制出钢丝绳隔震器, 用于控制Aeroflex稳定平台的振动。随后, 在军事和商业部门也陆续开始使用, 如以下几种。

美军MMS-1扫雷舰上的5500磅重的功率配电盘、90~250磅重的控制板和船员坐椅;驱逐舰AN/SQS-35声纳鱼雷的装载架、舰艇导弹发射装置、声波定位器支架、导航装置、发射控制仪器等部位安装了钢丝绳隔震器。

Hughes号飞机制造公司的商标为“IOSPOD”运输箱, 专门用于运输精密的飞机仪器设备, 这些运输箱都装有四个以上的钢丝绳隔震器。

美军F-15飞机主发动机的起动器, 环境温度高达540°C, 其空气管道也需要隔振, 温度也达到370°C, 使用了四只钢丝绳隔震器进行隔振缓冲。

法国一家公司在一辆装有电子设备的卡车上安装了钢丝绳隔震器, 通过大约7000公里的Shahara大沙漠, 在粗糙不平的道路上行驶, 进行无线通讯, 整个系统经受住了80°C温差的考验。

另外, MCDonnell Donglas和通用动力巡航导弹发射控制中心、“三叉戟”潜艇导航控制系统、Litton CG-47号驱逐舰上的电器开关柜和通讯设施、BMY公司的弹药供给车辆、石油钻井平台上的高灵敏度测试仪器、ASO公司的万能集装箱等均采用钢丝绳隔震器进行隔震、缓冲和降低高频结构噪声。特别是在一些高温、低温和恶劣的环境和腐蚀性工况下工作的精密设备、仪器如航空航天飞机上的仪器仪表和发动机、导弹运输和发射系统、核反应设施、地质勘探车辆、石油化工设备、气象测量仪器等都相继大批量安装了该种类型的隔震器。

目前在国际市场上, 生产钢丝绳隔震器的两家主要厂商是Areoflex公司和Enidine公司, 其中Areoflex公司的产品从小到大, 规格多、品种全, 而Enidine公司则以螺旋形钢丝绳隔震器为主, 尤其以生产微型隔震器 (Compact rope isolator) 见长, 产品小到可以放在食指尖上。而在结构形式上, 以Areoflex公司最齐全, 主推三种类型的钢丝绳隔震器, 即常见的螺旋形、圆拱形及斜拱形。

国内最早是八十年代初引进这种产品的, 中科院力学所为某航天器设计了中间加箍套的钢丝绳隔振器, 并做过介绍和推广工作, 之后, 上海船舶运输研究所、总参科研三所所及江南大学等单位相继进行了研究和应用。南京航空学院、浙江工学院、中科院力学所等院校均有博士或硕士研究生以此作为论文研究课题。产品制造方面, 进行了生产或试制的厂家和单位有总参科研三所、海军工程大学、无锡宏源弹性器材厂、上海船舶运输研究所等, 隔震器负载范围多数在数百公斤以下。

摘要：对钢丝绳隔震器的特点、发展方向进行了介绍, 并介绍了目前国内外钢丝绳隔震器的发展动态。

关键词：隔震器,钢丝绳