劉景云,劉家余,劉培培，趙鈺

(中國船舶集團有限公司第705研究所， 陜西西安 710077)

0 前言

魚雷熱動力裝置主要由發(fā)動機、燃燒室以及各類泵閥的能源控制與供應系統(tǒng)組成，各組部件在工作過程中會產(chǎn)生振動噪聲，甚至引起故障。因此，通過試驗研究動力裝置各部件的工作狀態(tài)是實現(xiàn)減振降噪的有效途徑。振動源分離試驗臺能夠為該試驗研究提供試驗條件。

為模擬動力裝置的真實工作狀態(tài)，采用電機拖動動力裝置在冷態(tài)條件下運行，以便于進行動力裝置的振動源分離、振動評估、振動控制等研究。同時，為隔離電機等試驗環(huán)境對動力裝置的振動傳遞，需要采取一定的有效隔振措施。隔振氣囊廣泛應用于汽車、醫(yī)療、軍事等領域，如汽車空氣彈簧懸架系統(tǒng)、各類精密試驗平臺的振動控制。國內(nèi)外學者大多通過對氣囊進行有限元分析來獲取其固有頻率等屬性。然而，氣囊本身剛度特性取決于室內(nèi)有效面積、初始充氣壓力等關鍵因素，其靜態(tài)剛度計算相對較容易。對于試驗臺隔振氣囊，在實際振動環(huán)境下其剛度特性時刻在變化，不同的振動方向或工作時長表現(xiàn)出不同的剛度特性，僅依靠理論計算和仿真分析很難精確評估其振動特性，因此需要在實際工況下進行試驗驗證，以確保其安全性和振動特性滿足應用需求。

針對動力裝置的振動激勵途徑，設計一種基于隔振氣囊的振動源分離試驗臺彈性支撐系統(tǒng),對氣囊剛度和固有頻率等技術特征進行分析和安全性校核，驗證基于實際運行工況下支撐系統(tǒng)的隔振性能，在充分保障試驗臺運行可靠性和安全性的前提下有效阻斷環(huán)境振動的傳遞途徑。

1 彈性支撐系統(tǒng)功能及組成

振動源分離試驗臺的關鍵組成部分是基于隔振氣囊的彈性支撐系統(tǒng)，其主要功能在于有效隔離環(huán)境振動對被試產(chǎn)品的振動影響，創(chuàng)造一個良好的振動試驗環(huán)境。彈性支撐系統(tǒng)由安裝平臺、支架、氣囊和托架四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。4個相互獨立的支架固定在安裝平臺上，氣囊的上、下底板分別與支架和托架連接，托架用于圓柱形被試產(chǎn)品的固定安裝。試驗前，向前后左右4個氣囊中充入低壓氣體，再將產(chǎn)品放入托架，實現(xiàn)產(chǎn)品的彈性支撐。

圖1 彈性支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點：

(1)承載質(zhì)量范圍大。采用4個氣囊相互獨立支撐，通過調(diào)節(jié)不同氣囊的氣壓，可滿足動力裝置在不同配置情況下的質(zhì)心變化；

(2)支撐系統(tǒng)可以在垂直于安裝平臺方向上調(diào)整產(chǎn)品高度，底部為產(chǎn)品外接潤滑、冷卻管路預留操作空間；

(3)寬頻率范圍與地基隔振。針對圓柱形動力裝置，托架設計為帶有彈性橡膠內(nèi)襯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在能夠穩(wěn)定緊固動力裝置的同時又能減少臺架對動力裝置的振動測試頻譜產(chǎn)生干擾，實現(xiàn)被試產(chǎn)品的精密測量；

(4)方便調(diào)節(jié)氣動元器件的承載質(zhì)量和剛度。通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部的充氣壓力來改變氣囊的剛度，從而調(diào)節(jié)彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率；

(5)可以通過調(diào)節(jié)支架高度和氣囊內(nèi)部壓力實現(xiàn)支撐系統(tǒng)的調(diào)平，以及實現(xiàn)拖動電機主軸和動力裝置輸出軸的對中，減小動力裝置在試驗運行過程中的擾動。

隔振氣囊是一種由橡膠布簾構(gòu)成的彈性支撐結(jié)構(gòu)，橡膠氣囊和上下蓋板組成密閉氣室，可將空氣封于囊內(nèi)，對該密閉氣室充入壓縮空氣，通過橡膠容積的變形實現(xiàn)空氣的壓縮。因此，它具有不同于金屬彈簧的非線性特性，具有非常好的吸收高頻振動和降噪的性能。

該試驗臺架的彈性支撐系統(tǒng)擬采用4個并聯(lián)的單曲囊式氣囊，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單曲囊式氣囊

根據(jù)承載力的大小，選用JB130084-1型單曲囊式隔振氣囊，相關尺寸參數(shù)見表1。

表1 單曲囊式氣囊尺寸參數(shù) 單位:mm

2 彈性支撐系統(tǒng)技術特性分析

彈性支撐系統(tǒng)一方面實現(xiàn)試驗產(chǎn)品的安裝，另一方面有效隔離環(huán)境振動對被試產(chǎn)品振動的影響。而以氣囊為主的彈性支撐系統(tǒng)對試驗臺架的安全性起決定性作用，因此，分析隔振氣囊的振動特性對試驗臺架的安全性分析至關重要。

2.1 隔振氣囊的剛度特性分析

隔振氣囊的剛度和大多數(shù)普通彈簧不同，它不是恒定參數(shù)，而是由設計高度得來的有效面積、體積、壓力的變化函數(shù)。研究表明，影響氣囊剛度的主要因素有氣囊初始壓力、有效面積變化率等因素。氣囊的剛度、承載能力大致與內(nèi)壓成正比，因此可以根據(jù)需要降低氣壓來選擇較低的剛度。對于尺寸既定的成形氣囊，剛度是隨載荷的改變而變化的，因而在任何載荷下自振頻率幾乎不變。

設隔振氣囊密閉氣室填充的是理想氣體，氣囊在垂直方向上承受載荷，對應氣室內(nèi)的絕對氣壓為、外部大氣壓為，則有以下關系式：

=(-)

(1)

==const

(2)

式中：為氣囊的有效承壓面積；為與氣體流動速度相關的指數(shù)，氣體流動速度極緩時接近于等溫過程，取1，氣體流動速度較快時可理想化為絕熱過程，取1.4，而通常情況下取1.33；、分別為氣囊處于靜平衡位置時內(nèi)部氣體的絕對壓力和容積。

由式(1)、式(2)可得：

=(-)

(3)

對式(3)求導，可得氣囊在垂直方向因受力產(chǎn)生微位移的剛度公式：

(4)

由式(4)可知有效面積變化率d/d和容積變化率d/d是決定氣囊剛度的主要因素。文獻[13]采用試驗手段驗證了通過增加附加氣室來改變?nèi)莘e變化率會降低氣囊的剛度。

(5)

由此可知，有效面積變化率對彈簧的剛度有決定性影響；氣囊的初始容積越大，彈簧剛度就越低。根據(jù)在靜平衡位置時氣囊的剛度表達式，可得此時氣囊的振動頻率為

(6)

式中：為重力加速度。

由上式可知，振動頻率與氣囊的初始充氣壓力有關，壓力越高振動頻率越高，但當初始充氣壓力很高時，對頻率的影響不明顯。研究結(jié)果表明，雖然氣囊的固有頻率隨著氣囊內(nèi)部氣體絕對壓力的變化而變化，但變化幅度非常小。此外，振動頻率與氣囊的有效面積變化率有關，變化率越小振動頻率就越低。

2.2 隔振氣囊剛度特性分析

(7)

(8)

其中:為產(chǎn)品質(zhì)量；為固定裝置(卡箍)的質(zhì)量。

因此，求得=1.18×10Pa。

氣囊的壓力安全范圍設定為不超過工作壓力的50%，即振動試驗臺選用的氣囊工作壓力的安全閾值為：=(1+50)=1.77×10Pa。

d/d為有效直徑變化率,對于單曲囊式氣囊，一般取0.2。

因此，根據(jù)剛度計算公式,得=17 634 N/m。

2.3 彈性支撐系統(tǒng)安全性校核

由于氣囊剛度已確定，可以計算出彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率。設單個氣囊的剛度為，則4個氣囊的總剛度為=4。

以某型動力裝置為例，有公式(9)：

(9)

其中：為固有頻率;為承載力。

滿足彈性支撐系統(tǒng)固有頻率低于電機主軸的1/2基頻的設計要求。

隔振氣囊本身非常柔軟，容易產(chǎn)生偏移，因此，除了考慮氣囊本身固有頻率滿足設計要求以外，應保證裝置的穩(wěn)定性。將隔振氣囊裝置應用于振動源分離試驗臺，能大幅度衰減試驗臺架及環(huán)境振動向被試產(chǎn)品的傳遞，但是被試產(chǎn)品在被拖動過程中各種對中擾動會增加電機主軸的不對中量，因此需要保證電機主軸與產(chǎn)品軸系的適配性。

3 試驗驗證

以某型動力裝置為被試對象，將它通過托架固定在彈性支撐系統(tǒng)上，對彈性支撐系統(tǒng)的安全性和隔振效果進行測試。采用單點力錘激振方式，選擇氣囊支架的某點進行錘擊，獲取同等激勵條件下不同測點的振動響應信號。LMS動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)信號采集器與力傳感器的參考信號一同輸入到LMS Test.lab模態(tài)分析軟件中進行波形存儲和分析，獲取葉輪的固有頻率和模態(tài)振型。

3.1 彈性支撐系統(tǒng)固有頻率測試

理論研究表明，影響氣囊剛度的主要因素為氣囊初始壓力和有效面積變化率。然而，對于型號固定的氣囊產(chǎn)品，其有效面積變化率不會改變，因此可通過調(diào)節(jié)氣囊的初始內(nèi)壓來調(diào)節(jié)氣囊的剛度，從而改變彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率。

為探索氣囊初始內(nèi)壓與彈性支撐系統(tǒng)固有頻率之間的關系，分別給氣囊提供5種不同初始充氣壓力，在氣囊上蓋板處固定加速度傳感器，檢測不同初始壓力下彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同初始壓力 下固有頻率

由圖3可知：彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率與氣囊的初始充氣壓力有關，壓力越高固有頻率越高，但當初始充氣壓力增加到一定值時，固有頻率的變化不大。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。因此，該彈性支撐系統(tǒng)在選擇氣囊初始壓力時，應能確保將被試產(chǎn)品支撐起來，在此基礎上盡可能選擇較低的初始充氣壓力，即選擇較低的固有頻率。

3.2 彈性支撐系統(tǒng)隔振效果測試

為進一步驗證彈性支撐系統(tǒng)的隔振效果，對該系統(tǒng)在同等激勵力條件下隔振前后的振動信號進行測量，評估隔振前后振動特性。

如圖4所示，在彈性氣囊上下蓋板處分別布置加速度傳感器，通過錘擊法錘擊支撐系統(tǒng)下部，使支撐系統(tǒng)產(chǎn)生激勵力，獲取同等激勵條件下彈性氣囊上下蓋板測點的振動響應信號，如圖5所示。

圖4 氣囊隔振效果測試 圖5 不同測點的頻響曲線

由圖5可知：未經(jīng)隔振氣囊減振的下蓋板測點振動幅值高，1階固有頻率為11.3 Hz，非常接近于電機主軸的1/2基頻，存在發(fā)生共振的安全隱患；而經(jīng)過隔振氣囊減振的上蓋板測點振動幅值相對較低，1階固有頻率為6.8 Hz。由此可知，隔振氣囊一方面能夠降低彈性支撐系統(tǒng)在電機主軸拖動激勵力下發(fā)生共振的風險，另一方面在一定程度上阻礙了試驗臺架產(chǎn)生的振動傳遞，為被試產(chǎn)品固有振動特性的測量提供了良好的條件。

4 結(jié)束語

本文作者從有效抑制振動傳遞途徑的角度出發(fā)，設計了一種基于隔振氣囊的振動源分離試驗臺彈性支撐系統(tǒng)，分析了彈性支撐系統(tǒng)的技術特性并對其進行了安全校核，通過試驗驗證了彈性支撐系統(tǒng)的振動特性和減振效果。結(jié)果表明：隔振氣囊的固有頻率隨內(nèi)壓升高呈非線性增大，在工程中應盡量通過選擇較低內(nèi)壓來選擇較低的剛度，從而降低支撐系統(tǒng)的固有頻率；所設計的試驗臺架彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率不超過主軸的1/2基頻，滿足振動源分離試驗臺隔振需求，為基于隔振氣囊的試驗臺支撐系統(tǒng)設計提供了參考。