摘要：本文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，提出了针刺机减振降噪问题的解决措施与思路。
关键词： 阻尼结构；针刺机； 减振降噪；措施
中图分类号：TS173.4 文献标志码：A
Damping Technology Used in Nonwoven Needle Loom
Abstract： The current situation of vibration and noise reduction of needle loom as well as damping technology were summarized in this article. Based on analyzing the source of vibration and noise， the existing problems and development trends of needle loom， the authors introduced the application of damping technology. Besides， some countermeasures for reducing the vibration and noise of needle loom were also put forward.
Key words： damping structures； needle loom； vibration and noise reduction； countermeasure
针对针刺机振动与噪声控制的关键问题，受目前试验等条件的制约，还有尚待解决的问题。本文旨在通过对非织造布用针刺机发生强烈振动与噪声的根源、解决现状和发展趋势分析的基础上，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
针刺机最早产生于英国，随后其他国家的纺织机械制造商在其基础上研发出了不同形式的针刺机。国内的第一台针刺机由仪征纺织机械厂研制，该针刺机的针刺频率可达1 200刺/min。随后一段时期内，由于民营企业的加入，国内针刺设备迅速发展，针刺机技术得到了明显改善。随着市场对非织造布需求的不断加大，国内非织造布企业开始引入国际先进的针刺设备，Dilo（迪罗）和Fehrer（菲勒）等公司的针刺设备相继引入，促使国内非织造布用针刺设备生产企业不断提高针刺机的研发制造水平。目前制约针刺机发展的一个关键问题是针刺机的振动与噪声控制。在针刺机中引起结构振动的关键部件 —— 针刺机构需进行广泛深入的研究。
针刺机构如图 1 所示，其主要由主轴、偏心轮、连杆、滑套、导杆、针梁、针板及刺针等部分构成。其运动原理是偏心轮在主轴的带动下旋转并带动连杆一起运动，与连杆相连的导杆以及针梁与针板在滑套的导向下做上下往复运动，进而使针板上的刺针完成反复穿刺的功能。针刺机构实质是曲柄连杆滑块机构，针刺机构的运动是针刺机振动和噪声产生的源头。
目前应对针刺机产生强烈振动所采取的措施主要是增加平衡机构，减轻设备振动，改善结构使用寿命，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。
2 阻尼减振降噪方法的研究现状
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，而阻尼减振离不开阻尼结构。
2.1 约束阻尼结构减振方法的研究现状
早在1959年，Kerwin E M就用复弯曲刚度理论对三层夹心梁结构进行了相关力学研究。此后，Ross D等针对约束阻尼层结构开展的阻尼机理研究，为随后对阻尼结构的研究奠定了基础。如，Kim W在求解锥形线绕复合材料Timoshenko圆轴结构自由振动的问题时引入了Galerkin方法。国内，郑慧明等基于Hamilton原理，推导了对称双层夹心悬臂梁的运动问题，在推导该问题时考虑了永磁体的影响；申智春采用了Timoshenko梁理论分析了主动约束阻尼结构空心圆截面梁的动力学性能；李恩奇等引入传递函数方法对约束阻尼梁结构的动力学性能进行了研究；刘志臻根据拟坐标拉格朗日方程，并借用混合坐标法对大型挠性航天器简化模型“中心刚体和固接板混合系统”进行了建模与求解。
自1993年，Baz提出将压电陶瓷材料作为约束阻尼结构的约束层可对阻尼层的剪切变形进行主动控制后，主动控制开始被研究者重视。如国内张希农等基于多点杂交阻尼控制技术，建立了约束阻尼梁结构的振动微分方程，并对结构的振动控制问题进行了研究；王淼等针对主动约束阻尼层覆盖的梁结构的耦合振动问题的解决采用了多层谱有限元分析方法。
针对约束阻尼壳结构的研究，Huang S C等对柱壳表面轴向粘贴约束阻尼条后的阻尼效果进行了分析，研究了铺设约束层和阻尼层的厚度变化以及阻尼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。
2.2 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。隔振是振动控制的重要方法，其本质是利用弹性或非弹性连接将振源与基础分离的处理方法，该方法可以起到隔绝或减弱振动能量的传递，对结构减振降噪的目的。目前常见的减振降噪装置包括隔声罩、消声器等。
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、蜂窝轻质材料等应用于机械结构。本文认为可以尝试将泡沫等轻质材料应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。
2.3 拓扑优化技术在阻尼减振中的研究现状
随着对约束阻尼板壳结构研究的不断深入，人们开始尝试将约束阻尼结构不完全铺设在控制结构表面，研究局部铺设阻尼材料结构的力学性能。其中Lall较早对局部覆盖阻尼材料夹心梁结构的动力性能进行了相关研究；Chen和Huang基于Donnel-Mushtari-Viasov假设方法，建立了局部覆盖约束阻尼圆柱壳的动力学模型，并对该模型进行了求解等分析；Wang采用Kantorovich方法，针对局部覆盖约束阻尼板动力学特性和动响应进行了研究，为约束阻尼结构在板壳中的应用提供了理论支撑；Zheng和Kumar分别基于遗传算法和实验的手段，从理论和实验的角度针对在柱壳结构表面如何合理铺设阻尼材料，最大限度改善结构动力学特性进行了相关研究。由于对结构自身重量有严格限制，一些特殊领域需要人们在增加结构阻尼的同时，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等领域。
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，需要采取以下方法。
（1）将动力学优化技术应用于针刺机的结构设计中。因为在以往的设计过程中，经常忽略结构的动力学性能，设计者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。
（2）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，以提高结构阻尼和结构抑制振动，起到减振降噪的作用。
（3）采用安装阻尼器的方法。基于针刺机自身结构以及所受载荷分布情况，在针刺机与地面间合适的位置安装最佳参数的阻尼器。
（4）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。
（5）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以及节能的目的。
（6）应用轻质新材料。树脂材料、泡沫铝、蜂窝铝等轻质材料自身具有强的吸振能力，可以尝试将新的高阻尼材料应用于针刺机的制造中，以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
针对针刺机振动与噪声问题的解决思路，本文提出采用整体-局部-整体的分析思路。
首先通过数值计算的方法对针刺机整机结构进行分析，找出对针刺机振动影响较大的关键部件；然后将关键部件分离，采用结构优化或安装阻尼器及阻尼材料的方法对关键部件进行处理；最后将对关键部件分析的结果进行整合，并应用到整体结构中，最终对整体结构进行减振降噪处理。
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；然后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，通过试验和理论研究相结合的方法对针刺机的振动与噪声控制进行研究。在实现一定频率宽度的情况下，结构的振动响应幅度能有效降低，结构的寿命能明显提高。具体研究流程如图2 所示。
5 结论
本文分析了国内外阻尼减振技术的研究现状，研究了针刺机发生强烈振动和噪声的根源，同时探索了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，为针刺非织造技术和设备的发展提供一定的参考。
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