详情

原文传递旋转圆环板声振特性分析及轨道车轮动力吸振器应用研究

论文题名：	旋转圆环板声振特性分析及轨道车轮动力吸振器应用研究
关键词：	旋转圆环板;声辐射;多频动力吸振器;环形阻尼器
摘要：	圆环板类高速旋转机械如高铁车轮、齿轮、汽轮机转子等近年来在国民经济中的地位越来越重要，而这些机械在运行过程中受到机械、气动、温度场甚至磁场等多种外载荷的单独或者综合作用，会产生由横向振动引发的噪声。强烈的噪声会严重影响人们的正常生产、生活以及交通工具的乘坐舒适性。然而现有关于旋转圆环板类构件的研究主要集中于其稳定性问题，而对于其振动噪声问题研究较少，因此，开展针对旋转圆环板类构件的振动噪声问题研究对于该类构件的设计具有重要意义。动力吸振器作为一种高效的振动噪声抑制结构，广泛应用于各种梁、板、壳的振动噪声控制中，然而旋转圆环板类构件的频率随转速的变化发生变化且具有多频特性，因此应用于该类构件的具有多频减振降噪性能的动力吸振器参数设计尚需进一步研究。基于此，本文以旋转圆环板作为研究对象，分别从其不同参数下的固有特性、噪声特性及多频动力吸振器噪声控制等方面展开研究，具体研究内容为：　　基于经典薄板理论，利用哈密顿原理推导了旋转坐标系下旋转圆环板的自由振动控制方程，利用伽辽金法对方程进行求解，并通过实验与仿真的形式验证了理论推导的正确性。首先分析了旋转圆环板动频随其转速的变化规律，随后，分析了转速的影响对于圆环板的几何、材料、边界条件等参数的敏感性。发现随着圆环板厚径比、弹性模量的减小，转速对其动频的影响更为显著，同时发现了只有当圆环板的转速达到一定值时转速对动频的提升才会较为明显。　　基于旋转圆环板的自由振动方程，建立了其受横向点激励的横向受迫振动控制方程，利用伽辽金法对方程进行求解，得到旋转圆环板的横向振动位移与振动速度。基于辐射单元法，利用Rayleigh积分推导了旋转圆环板受横向点激励作用下的辐射声功率及声辐射效率，利用实验及仿真的方式对理论计算结果进行了验证。基于建立的理论模型，分析圆环板的转速、几何、材料、边界条件等参数对其辐射声功率及声辐射效率的影响规律。发现随着圆环板转速的增大其辐射声功率具有向高频移动的趋势，而随着厚径比及弹性模量的降低，其辐射声功率具有向低频移动的趋势，且在相同频段内分布更为密集，而声辐射效率同样具有向低频移动的趋势；同时发现随着厚径比的降低，圆环板辐射声功率的谷值在部分频段具有明显向上移动的趋势，而当弹性模量与厚度的降幅较大时圆环板高频的声辐射效率显著下降。　　建立了旋转圆环板与多频动力吸振器的耦合动力学模型，研究了质量比、频率比、阻尼比、安装位置、分布方式等参数对动力吸振器噪声抑制效果的影响规律，对比了基于二自由度系统的动力吸振器参数确定方法与引入振型函数的确定方法所得到的参数对动力吸振器降噪效果的影响。发现增大质量比、将动力吸振器安装于圆环板模态位移最大处以及将频率比设置为1等均会提升动力吸振器噪声抑制效果，同时发现在相同的分布策略下，动力吸振器的集中式与均布式分布具有相同的噪声抑制效果，而引入振型函数的频率比、阻尼比参数确定方法相较于经典方法更为有效。　　以列车车轮为例进行了多频动力吸振器的减振降噪应用实验。首先通过实验与二自由度模型提出了车轮各模态与现有环形阻尼器之间均存在着最佳接触刚度，且随着环形阻尼器预紧力的增大，车轮各模态与阻尼器之间的接触刚度将按照由低频到高频的顺序依次经历“低于——达到——超过”最优值这一过程。在现有环形阻尼器的基础上，设计了同样具有多频动力吸振器特征的新型环形阻尼器结构。通过实验测试了车轮安装现有环形阻尼器以及新型环形阻尼器之后的模态、传递函数以及辐射声压，发现新型环形阻尼器相较于现有环形阻尼器对车轮的各类模态均具有更好的振动噪声抑制效果。　　本文以旋转圆环板为研究对象，分析了转速、几何参数、材料参数以及边界条件等对其动频、辐射声功率以及声辐射效率的影响，建立了附加多频动力吸振器的旋转圆环板理论模型并进行了参数分析，提出了具有多频动力吸振器特性的新型环形阻尼器结构，相关研究成果为旋转圆环板类构件低噪声结构设计及其振动噪声控制方法提供了理论支持及工程应用的参考。
作者：	王忠龙
专业：	机械设计及理论
导师：	焦映厚
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020