徐秋霞，王鎖泉，徐 敏

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 張家港 215600;2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082)

隔振元件機(jī)械阻抗的加載測(cè)試研究

徐秋霞1，王鎖泉2，徐 敏2

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 張家港 215600;2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082)

基于隔振元件承載方式的全面調(diào)研，對(duì)加載約束狀態(tài)下隔振元件機(jī)械阻抗測(cè)試類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)，給出了單向加載約束狀態(tài)隔振元件三向平動(dòng)機(jī)械阻抗的測(cè)試方案，并對(duì)加載工況下典型隔振元件機(jī)械阻抗進(jìn)行了測(cè)量，分析了加載對(duì)隔振元件機(jī)械阻抗參數(shù)的影響規(guī)律，驗(yàn)證了加載測(cè)試的重要性。

隔振元件;機(jī)械阻抗;加載;測(cè)試

0 引言

隔振元件機(jī)械阻抗參數(shù)與隔振元件結(jié)構(gòu)形式、材料性能、載荷工況、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)，通常依賴(lài)試驗(yàn)測(cè)量得到［1～5］。國(guó)內(nèi)已建立加載狀態(tài)下隔振元件三向機(jī)械阻抗測(cè)試方法［2，3］，并經(jīng)過(guò)了考核驗(yàn)證［4］，測(cè)量結(jié)果已在艦船工程中得到應(yīng)用，但目前加載方式僅局限于軸向加載。

本文在對(duì)我國(guó)船舶隔振元件的承載方式進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)加載約束狀態(tài)下隔振元件機(jī)械阻抗測(cè)試類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)，全面給出了單向加載狀態(tài)隔振元件三向平動(dòng)機(jī)械阻抗測(cè)試方案，介紹了試驗(yàn)測(cè)試主要元素和基本流程?；跍y(cè)試方案，對(duì)加載工況下典型隔振元件的機(jī)械阻抗進(jìn)行了測(cè)量研究，分析了不同加載方式與載荷對(duì)隔振元件機(jī)械阻抗參數(shù)的影響規(guī)律，驗(yàn)證了加載測(cè)試的重要性。

1 隔振元件承載方式

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)船舶機(jī)械隔振系統(tǒng)與管路系統(tǒng)采用了大量隔振元件，如隔振器、撓性接管、管路彈性支撐等。隔振元件的布置使用方式也不盡相同，有的單向承載，有的組合承載。

大部分隔振器采用正置隔振安裝形式。隔振器正置支撐設(shè)備時(shí)，承受軸向壓縮載荷;而正置吊掛設(shè)備時(shí)，承受軸向拉伸載荷，如圖1所示。為節(jié)省安裝空間，設(shè)備側(cè)掛隔振安裝在我國(guó)船舶上使用也較為普遍，此時(shí)隔振器承受剪切載荷，如圖2所示。船上部分隔振器采用斜置安裝形式，隔振器同時(shí)承受軸向與橫向載荷，即組合承載，如圖3所示。

圖1 隔振器正置安裝承載示意圖

圖2 隔振器側(cè)掛安裝承載示意圖

圖3 隔振器斜置安裝承載示意圖

由于普通撓性接管通常不具備自行平衡功能，管內(nèi)充壓時(shí)管體有伸長(zhǎng)或縮短趨勢(shì)，使其兩端法蘭受到上下游金屬管道的軸向約束載荷。圖4給出了普通撓性接管的承載示意圖。

2 隔振元件機(jī)械阻抗測(cè)試類(lèi)型

國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)提出，隔振元件機(jī)械阻抗參數(shù)與加載約束載荷存在一定關(guān)系，試驗(yàn)測(cè)量中應(yīng)考慮被測(cè)試件的載荷工況［5］。根據(jù)我國(guó)隔振元件使用承載方式調(diào)研結(jié)果與隔振元件機(jī)械阻抗定義，可將加載約束狀態(tài)下隔振元件機(jī)械阻抗測(cè)試歸納為以下幾種類(lèi)型:

①軸向加載(含空載)狀態(tài)軸向機(jī)械阻抗測(cè)試;

②軸向加載(含空載)狀態(tài)橫向機(jī)械阻抗測(cè)試;

③橫向加載狀態(tài)軸向機(jī)械阻抗測(cè)試;

④橫向加載狀態(tài)橫向機(jī)械阻抗測(cè)試;

⑤組合加載狀態(tài)軸向機(jī)械阻抗測(cè)試;

⑥組合加載狀態(tài)橫向機(jī)械阻抗測(cè)試。

以上測(cè)試類(lèi)型均屬于平動(dòng)機(jī)械阻抗測(cè)試范疇，①～④加載工況較為單一，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn);⑤和⑥加載工況較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大。

圖4 普通撓性接管典型承載示意圖

3 隔振元件加載約束機(jī)械阻抗測(cè)試方案

近些年，作者對(duì)單向加載狀態(tài)三向平動(dòng)機(jī)械阻抗測(cè)試方法開(kāi)展了系統(tǒng)研究［3，4］。圖5～圖6為分別軸向加載狀態(tài)軸向、橫向機(jī)械阻抗的測(cè)試布置方案。圖7～圖8分別為橫向加載狀態(tài)下軸向、橫向機(jī)械阻抗測(cè)試布置圖。

要開(kāi)展單向加載約束狀態(tài)下隔振元件三向平動(dòng)機(jī)械阻抗測(cè)試，一般需具備以下試驗(yàn)元素:

圖5 軸向加載狀態(tài)軸向機(jī)械阻抗測(cè)試布置方案

圖6 軸向加載狀態(tài)橫向機(jī)械阻抗測(cè)試布置方案

圖7 橫向加載狀態(tài)軸向機(jī)械阻抗測(cè)試布置方案

圖8 橫向加載狀態(tài)橫向機(jī)械阻抗測(cè)試布置方案

①實(shí)現(xiàn)振動(dòng)堵塞邊界條件的阻抗平臺(tái);

②實(shí)現(xiàn)垂向加載的立式加載機(jī)構(gòu)與彈性加載系統(tǒng);

③實(shí)現(xiàn)橫向加載的臥式加載機(jī)構(gòu)與支撐;

④輸出端振動(dòng)堵塞力測(cè)量用的垂向與橫向動(dòng)態(tài)測(cè)力板;

⑤用于兩試件位置調(diào)整導(dǎo)向的水平滑臺(tái);

⑥用于試件與試驗(yàn)裝置連接的過(guò)渡元件;

⑦用于振動(dòng)信號(hào)同步測(cè)量的儀表系統(tǒng);

⑧其他輔助裝置與系統(tǒng)。

具備以上試驗(yàn)元素后，可參考圖5～圖8所示方案開(kāi)展對(duì)應(yīng)加載工況下隔振元件橫向機(jī)械阻抗參數(shù)的測(cè)量。試驗(yàn)基本步驟為:

①通過(guò)過(guò)渡元件將被測(cè)試件輸出端與測(cè)力板、阻抗平臺(tái)依次剛性連接;

②在被測(cè)試件輸入端與輸出端安裝力傳感器與加速度計(jì);

③采用加載系統(tǒng)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行加載到所需工況后鎖緊加載系統(tǒng);

④彈性懸吊安裝激振系統(tǒng)，激勵(lì)輸入端產(chǎn)生所需方向振動(dòng)響應(yīng);

⑤同步測(cè)量輸入端、輸出端的動(dòng)態(tài)力與振動(dòng)加速度，并按機(jī)械阻抗公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［1～4］。

4 典型隔振元件加載機(jī)械阻抗測(cè)試

作者基于以上測(cè)試布置方案和試驗(yàn)要求，對(duì)最常見(jiàn)的加載約束狀態(tài)下不同類(lèi)型隔振元件的三向機(jī)械阻抗進(jìn)行了測(cè)量，目前有效測(cè)量頻率范圍為5～1 000 Hz，具體測(cè)試結(jié)果與分析如下。

4.1 軸向加載對(duì)機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果影響分析

圖9給出了空載和軸向加載300 kg狀態(tài)下BM-300(壓縮型)隔振器的軸向輸入與傳遞機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，圖10給出了空載和軸向加載120 kg狀態(tài)下BE-120(剪切型)隔振器的軸向輸入與傳遞機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，圖11給出了管內(nèi)介質(zhì)0 MPa和充壓3 MPa狀態(tài)下JYXR(H)DN80撓性接管的軸向輸入與傳遞機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。

由圖9測(cè)試結(jié)果可以看出，BM-300隔振器軸向加載300 kg載荷后，一階軸向固有頻率從空載的134 Hz增大到了156 Hz，偏移量達(dá)16.4%，且共振頻率點(diǎn)處阻抗值略微增大。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機(jī)械阻抗值均變大，其中在5～20 Hz頻段范圍內(nèi)，輸入機(jī)械阻抗與傳遞機(jī)械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性;加載后傳遞機(jī)械阻抗值比空載平均增大了35.9%，軸向加載后BM-300隔振器變“硬”。

圖10看出，BE-120隔振器軸向加載120 kg載荷后，一階軸向固有頻率從空載的330 Hz減小到了288 Hz，偏移量達(dá)12.7%，且共振頻率點(diǎn)處阻抗值略微增大。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機(jī)械阻抗值變小，其中在5～50 Hz頻段范圍內(nèi)，輸入機(jī)械阻抗與傳遞機(jī)械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，加載后傳遞機(jī)械阻抗值比空載平均減小了17.6%，軸向加載后BE-120隔振器變“軟”。

圖9 BM-300隔振器軸向機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果

圖10 BE-120隔振器軸向機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果

圖11 JYXR(H)DN80撓性接管軸向機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果

從圖11看出，JYXR(H)DN80撓性接管管內(nèi)介質(zhì)充壓3 MPa且約束后，管體一階軸向固有頻率從常壓的126 Hz增大到了164 Hz，偏移量達(dá)30.2%，且共振頻率點(diǎn)處阻抗值略微減小。另外，加載后的輸入與傳遞機(jī)械阻抗值變化規(guī)律與BM-300隔振器類(lèi)似，其中在5～20 Hz頻段范圍內(nèi)，輸入機(jī)械阻抗與傳遞機(jī)械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，充壓3 MPa后傳遞機(jī)械阻抗值比0 MPa時(shí)平均增大了98.7%，管內(nèi)介質(zhì)充壓后JYXR(H)DN80撓性接管管體變“硬”。

從機(jī)械阻抗加載測(cè)試對(duì)比結(jié)果可以看出，不同隔振元件加載約束后軸向機(jī)械阻抗變化規(guī)律不一樣，有的變“硬”，有的變“軟”，作者分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因應(yīng)與隔振元件的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。BM-300隔振器屬于純拉壓型隔振器，加載后隔振器橡膠部分受壓縮，橡膠剛度變大;而B(niǎo)E-120隔振器屬于剪切型隔振器，加載后實(shí)際上橡膠部分承受拉伸和剪切，橡膠剛度變小。JYXR(H)DN80撓性接管充壓后，管體橡膠和簾線受到內(nèi)部壓力膨脹影響，管體剛度變大。

4.2 橫向加載機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果影響分析

圖12為3 MPa壓力下空載和橫向加載4 mm狀態(tài)下JYXR(H)DN125撓性接管的軸向輸入與傳遞機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。圖13給出了0 MPa壓力下空載和橫向加載5 mm狀態(tài)下JYXR(H)DN80撓性接管的橫向輸入與傳遞機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。

圖12 空載和橫向加載4 mm狀態(tài)下JYXR(H)DN125撓性接管軸向機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果(3 MPa)

圖13 空載和橫向加載5 mm狀態(tài)下JYXR(H)DN80撓性接管橫向機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果(0 MPa)

由圖12可以看出，JYXR(H)DN125撓性接管在充壓3 MPa橫向加載4 mm后，與空載狀態(tài)相比，機(jī)械阻抗測(cè)試結(jié)果偏差不大，基本一致。高壓狀態(tài)下，橫向加載對(duì)JYXR(H)DN125撓性接管軸向機(jī)械阻抗參數(shù)影響不大，可以忽略。

從圖13看出，JYXR(H)DN80撓性接管在常壓狀態(tài)橫向加載5 mm后，與空載狀態(tài)相比，管體一階軸向固有頻率從常壓的186 Hz增大到了197 Hz，偏移量達(dá)5.9%，且共振頻率點(diǎn)處阻抗值略微減小。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機(jī)械阻抗值均變大，其中在5～20 Hz頻段范圍內(nèi)，輸入機(jī)械阻抗與傳遞機(jī)械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，加載后傳遞機(jī)械阻抗值比空載平均增大了23.7%，橫向加載后JYXR(H)DN80撓性接管橫向變“硬”。

5 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，反映隔振元件寬頻動(dòng)態(tài)特性的機(jī)械阻抗參數(shù)的確與其承載方式相關(guān)，且機(jī)械阻抗隨載荷的變化規(guī)律與隔振元件的結(jié)構(gòu)形式、承載方式以及載荷大小均有不同程度的關(guān)系。因此，在特定加載方式和載荷工況下進(jìn)行隔振元件機(jī)械阻抗測(cè)量非常必要，這樣可保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性和準(zhǔn)確性。

本文建立了單向加載狀態(tài)下隔振元件三向機(jī)械阻抗測(cè)試布置方案，給出了部分測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)論，全面驗(yàn)證了機(jī)械阻抗加載測(cè)試的重要性。

本文還提出了組合加載狀態(tài)下的軸向與橫向機(jī)械阻抗測(cè)試的基本類(lèi)型，具體測(cè)試方法研究、試驗(yàn)裝置研制以及復(fù)雜載荷對(duì)機(jī)械阻抗的影響規(guī)律分析還有待今后深入研究。

［1］ 王鎖泉，周慶云，等.隔振元器件機(jī)械阻抗測(cè)量與數(shù)據(jù)處理方法研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28(215):107-111.

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［3］ 王鎖泉，席亦農(nóng)，等.加載狀態(tài)下隔振元件三向機(jī)械阻抗測(cè)試［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(S1):290-292.

［4］ 王鎖泉，苗金林，等.隔振元器件機(jī)械阻抗測(cè)試方法標(biāo)模驗(yàn)證［C］//崔維成.第十三屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京:中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，2011:223-229.

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TB52+3

A

2011-10-24

徐秋霞(1991-)，女，本科，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);王鎖泉(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶振動(dòng)噪聲控制與測(cè)試技術(shù);徐敏(1959-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶振動(dòng)噪聲控制與測(cè)試技術(shù)。