在造纸机/纸板机环境下的振动质量体中的振动衰减装置

摘要

本发明的目的是提供一种在造纸机/纸板机环境下的振动质量体中的振动衰减装置。该衰减装置包括结合在振动质量体(m

说明书

技术领域

本发明涉及对振动的衰减，其中该振动产生于造纸机/纸板机、整饰机、卷取机及其它属于造纸机环境的设备中的部件，以及它们的致动器的部件。

背景技术

在造纸机和纸板机环境中，不断出现不同类型的振动激励。当周期激振力的频率接近机器或结构的任意特定频率时，该结构抵抗约束作用(constraint action)的刚性丧失，且在此情况下，单独的减振(damping)将限制振幅的增加。当激励频率等于特定频率时，就是所指的谐振(resonance)或共振(resonance vibration)。机器以其特定频率振动的模式称为正常模式。以目前的造纸速度，在造纸机环境中，总是存在有一些类型的共振。

通常，机器及钢结构的正常模式的特定减振并不明显。这意味着在谐振过程中结构响应变高。由此导致机械部件过早损坏，并且由于维护工作的增加和产品中的质量问题还经常造成生产损失。

为了衰减(damping)共振，通常使用动态质量阻尼器。图1示意性地示出了动态质量阻尼器的基本实施方式，其中，在振动结构中结合有弹性辅助质量体，所述辅助质量体被调整到被衰减的特定频率。因此，在共振中振动的辅助系统提供了具有抵制振动的力的初级系统。辅助质量体的结合使得具有两个自由度的振动器的系统具有两个特定频率。这些频率从初始频率的任一侧接近初始频率。两个频率之间的距离仅由辅助质量体与被减振的质量体之间的质量比决定，其中，该质量比通常在大约10％至大约20％的范围内。在图1中，m₁为质量体，其中试图利用辅助质量体m₂来衰减质量体m₁的振动。k₁和k2表示弹性体或弹性结构，c₁和c₂表示阻尼器(damping)，例如，由聚合物或其它材料的损失、或由粘性流体产生的阻尼(damping)。弹性件k₁一般表示悬挂质量体的弹簧常数，即，弹性件k₁例如表示造纸机的辊、轴承、本体及辊的覆层的弹性。质量体m₁例如为振动辊。阻尼器(damper)c₁包括所述弹性部件的内部损失。在数学意义上，所有减小共振振动器的品质因数Q的损失均起到阻尼器的作用。换言之，弹性件k₁和阻尼器c₁始终为该系统的一部分，因此，通常造纸机的所有部件均具有一个特定频率，且容易振动。无减振的质量体m₁的特定频率的角频率为$\Omega =\sqrt{k_1/m_1}。$

质量阻尼器的问题在于，质量体m₂不能比质量体m₁小多个等级(order)。如果质量体m₂小于质量体m₁，则包括质量体m₂、c₂及k₂的振动器的品质因数必须较高，在此情况下，阻尼器的频带非常窄，且阻尼器的振幅较高，在振动改变后，振动缓慢地达到稳定的状态。由于通常在造纸环境中振动的质量体较大，且激励的和系统的特定频率随着运行速度以及例如随着辊的载荷或辊的温度而改变，并且，激励通常为宽带激励，因此，即便如本申请人在先的专利号为FI101320及FI104208的文献中所记载的，提供电脑控制来调整动态质量阻尼器，动态质量阻尼器也通常为较差的运行方案。

质量阻尼器的问题在于，其仅在较窄的频带范围内有效地进行减振，且当旋转速度改变时，质量阻尼器甚至可能立即加强振动。为了有效地运行，动态质量阻尼器需要辅助质量体与被减振的质量体之间的质量比(m₁/m₂)相对较高，这意味着辅助质量体m₂会不适当地加大。当激励频率改变时，最佳的阻尼器是具有较高的内阻尼(例如，压榨部具有多种激励频率)的阻尼器。另一方面，较高的内阻尼需要较大的辅助质量体，以便即使在谐振频率下也能提供充足的衰减效能。

在较大的结构中，使用质量阻尼器具有问题的理由如下。质量阻尼器的衰减效能仅由质量比决定，在较大的结构中，该质量比通常很低。当质量比很低时，最佳阻尼也较低。在此情况下，由于即便是最微小的偏差也会致使很大程度地降低辅助质量体的性能，所以必须将辅助质量体精确地调整到正确的频率。此外，即便主动地将阻尼器调整到一个特定频率以进行减振，但是辅助质量体达到稳定状态越慢，阻尼系数就越低。因此可能难以控制状态的改变。

在动态质量阻尼器的改进形式中，目的在于增加内阻尼。因此，阻尼器能够制造为在较宽的频率范围上进行操作。通常利用粘弹性材料来增加阻尼器的内阻尼。还使用了电子和液压阻尼器，例如压电式、磁性及液体阻尼器。通过增加阻尼加宽了阻尼器的使用频率范围，但同时也减小了最有效的衰减。通常，利用聚合物来增加动态阻尼器的阻尼。利用聚合物，通常能在非常窄的温度范围内获得最有效的衰减作用，在此，材料的刚性显著地减小。这是造纸业的应用中的问题，其中，温度可能在非常宽的范围上发生改变，这意味着阻尼器将不能在所有的情况下有效地运行，且阻尼器的动作也并非为线性，这将导致在不同的应用中会产生问题。图2示出了动态质量阻尼器的阻尼与温度的关系曲线，其中动态质量阻尼器利用粘弹性聚合物被内部衰减。T_g是指聚合物的玻璃化温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的在造纸机/纸板机环境中的振动衰减装置。为实现此目的，根据本发明的装置的特征在于，该衰减装置(dampingarrangement)包括结合在振动质量体中的冲击阻尼器(impact damper)。

附图说明

以下参照附图对本发明进行更加详细的说明，在附图中：

图1示出了现有技术的动态质量阻尼器的原理示意图；

图2示出了聚合物材料的刚度和阻尼随着温度的变化而变化的示图；及

图3示出了根据本发明的衰减装置(damper arrangement)的原理示意图。

具体实施方式

根据本发明，除了动态质量阻尼器之外，或替代动态质量阻尼器，使用冲击阻尼器与造纸机/纸板机、整饰机、卷取机及其它属于造纸环境的设备的部件及它们的致动器的部件连接。图3示出了根据本发明的衰减装置，其包括动态质量阻尼器10和冲击阻尼器11。冲击阻尼器由例如松散(loose)且刚性的冲击质量体m₃和内部放置该冲击质量体m₃的壳体部件12组成。冲击质量体可由一个或多个实体粒子组成。壳体12的内部尺寸选择为在冲击质量体m₃周围留出运动空间(play)，因此，质量体将能够与壳体的壁碰撞。冲击质量体m₃也可大于辅助质量体m₂，这意味着，辅助质量体实际上以大于冲击质量体的速度移动。冲击阻尼器的壳体部件12可被制成独立的结构，然后该结构结合为质量阻尼器10的一部分，或者，冲击阻尼器的壳体部件12可作为质量阻尼器结构的一个组成部分。冲击阻尼器也可构造为如图3所示，其中，冲击阻尼器11连接于动态质量阻尼器10的辅助质量体m₂，或者，冲击阻尼器可直接连接于振动部件m₁，在此情况下，完全可省去动态质量阻尼器10。

也可以想到除了利用封装的(encased)质量体以外的其它方式来获得冲击阻尼器。冲击质量体例如可为在杆上移动的滑动件，该滑动件与杆上的另一质量体碰撞，或者，冲击质量体可由多个彼此套设的、以不同方式弯曲的管组成，从而所述管同时起到弹性件、质量体及冲击质量体的作用。公知的其它冲击质量体实施为在水平面上悬挂或滑动的链条、金属颗粒盒、及金属颗粒袋。冲击质量体也可为容纳金属颗粒的盒，该盒增加了碰撞的摩擦损失。该装置根据本发明进行操作，假设利用振动能量来产生碰撞，其中，振动能量转化为冲击质量体的速度变化，且能量的一部分由于摩擦作用而转化为热量。

冲击阻尼器的操作是以自由移动的质量体的碰撞以及由此产生的线性动量的改变为基础的。在其自身的碰撞中，能量主要由于摩擦作用而消耗。由于因碰撞而发生的线性动量的改变，因此冲击质量体改变其运动方向。另一方面，初级质量体的线性动量减少了传递到冲击质量体的线性动量的量，因此，初级质量体的移动减慢。由于初级质量体的移动减慢而产生了期望的衰减，因此，初级质量体的振幅也减小。在这一点上，自由移动的质量体也可以以阻尼的方式出现(spring)或中止(suspend)。重要的是，质量体可以碰撞，且线性动量将在冲击质量体与初级质量体之间移动。

在稳定状态下，当在振动期间发生两次碰撞，即意味着，在每一个期间沿不同方向发生碰撞时，转移到冲击质量体的线性动量处于其最大值。冲击质量体的碰撞频率能够通过改变质量体周围的运动空间而进行调整。也可以调整冲击质量体的中止、质量体的尺寸、或碰撞的弹性。通常，最为容易的就是调整运动空间。当使用磁性材料作为冲击质量体时，能够通过使用电磁体来完成调整，通过该电磁体能够相对容易地调整冲击质量体与壳体部件的壁的碰撞频率。通常以这样的方式调整冲击质量体的运动空间，即，使质量体在一个振动期间内碰撞两次。由于碰撞和振动的频率易于测量，且与质量小的动态阻尼器相比，碰撞的质量体会更快地达到稳定的状态，因此，即使主动地通过电脑控制，也能相对容易地进行上述调整。冲击阻尼器的碰撞运动空间的调整并不像被主动控制的动态质量阻尼器的弹簧常数或质量体的调整一样关键。动态质量阻尼器的问题在于，其共振频率始终接近被衰减的频率，因此，当运行参数改变时，共振频率必将被绕过(by-passed)。冲击阻尼器并不具有清晰的共振频率。

当动态质量阻尼器相对于被减振的结构重量较轻，且其内阻尼较小时，其振幅将增加到较高的水平。在此情况中，作为附件的冲击阻尼器将有效且灵敏地进行操作。结合在质量阻尼器中的冲击阻尼器增加了阻尼器的阻尼，同时减少了所需要的辅助质量体。

借助于本发明，尤其可获得以下优点：

-仅通过改变冲击阻尼器的壳体与冲击质量体之间的运动空间，就能够调整阻尼器的阻尼。这点已通过实际的测试进行了验证。也可基于利用磁性材料和电磁体或永磁体进行上述调整。

-阻尼器的衰减作用和操作并不依赖于温度。

-阻尼器的操作频率范围较宽(已通过测量得到验证)，且阻尼器被调整到操作频率并不必如动态阻尼器一样精确。

-利用较小的质量比，能够完全消除早期有问题的特定频率，该质量比优选地在大约1％至5％的范围内，此外，能够将双峰(twin-peak)频率响应的两个峰值振幅衰减到大约低于共振的初始响应的50％至70％。而且，尽管质量比小，但是阻尼器的振幅仍保持较低。

-初级结构的正常模式的特定减振增加到多种(已通过测量得到验证)。

-实施简单且经济。

-持久耐用；阻尼器弹性件处在低应变下，且阻尼器c₂并非必要，或者阻尼器c₂的操作不太关键。

-除了冲击质量体的碰撞以外，不存在显著的噪音问题。也可通过冲击壳体和冲击质量体的坚固性(sturdiness)，以及对于壳体的冲击表面的材料的选择，而改变这类噪音问题。另一方面，坚固的硬壳体和硬弹性碰撞会产生高频噪音，可以通过封闭阻尼器来局部衰减这种高频噪音。再一方面，只要壳体不在碰撞中产生的频率下共振，轻微的碰撞只产生非常小的低频噪音。另外，在其它方面，冲击阻尼器的典型的噪音问题在造纸机环境中并不明显，并且，易于实现将噪音衰减到背景噪音以下。

-与可主动地被调整的动态质量振动器相比，冲击阻尼器更加适合于该激励可能为宽带或者该激励的频率会改变这些应用中。根据测试，与同样质量的独立的动态质量阻尼器相比，与动态质量阻尼器结合的冲击阻尼器的频带更宽，因此，其更易于调整。冲击阻尼器易于构造为更加紧凑的形式。此外，由于弹性件处在强应变(intense strain)下，因此强振动的窄带动态质量阻尼器磨损得相对较快。当运行参数改变时，强振动的质量体的频率可立即被偏移调整(tune offset)，甚至导致振动的加剧。当激励频率突然改变时，冲击阻尼器也能很好地运行。

利用根据本发明的装置，可同时获得较宽的衰减带(damping band)和很好的最大阻尼。与设置有具有相同带宽的内阻尼的阻尼器相比，本发明的最大阻尼大很多。与窄带的无衰减(undampened)的动态质量阻尼器相比，虽然最大阻尼的区别并不十分明显，但在准确的特定频率之外，该区别相当有利于本发明的阻尼器。

根据本发明的装置特别适于衰减压辊上的振动，但也可应用于造纸机或纸板机环境中的其它振动结构，例如框架结构、卷取机及致动器。由于尺寸小，因此冲击阻尼器也可设置于辊的内侧。