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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-10-28 23:16
艦船在服役期間可能遭受較為嚴(yán)酷的環(huán)境條件，例如在實戰(zhàn)中很可能會遭受魚雷等彈藥爆炸形成的爆炸沖擊而導(dǎo)致船上設(shè)備和儀器毀壞，例如艦船內(nèi)部各種主機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動可能會向外輻射出機械噪聲而降低艦船的聲隱身效果。因此艦船設(shè)備通常需要進(jìn)行隔振設(shè)計，既能增強艦船用設(shè)備的抗沖擊能力，又能減小振動機械噪聲從而增強聲隱身的效果。隔振器的動態(tài)性能的優(yōu)劣，對艦船設(shè)備顯得尤為重要。本文對隔振器常見的動態(tài)性能測試方法進(jìn)行研究，并通過電動振動臺組建了基礎(chǔ)激振法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，通過疲勞試驗機組建了橢圓法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了隔振器動剛度的測試。同時，針對影響橢圓法動態(tài)性能測試結(jié)果的相關(guān)參數(shù)（激振頻率、激振位移幅值）進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，激振頻率、激振位移幅值的選值對測試結(jié)果有著較大的影響，這將為隔振器動態(tài)性能試驗的準(zhǔn)確性評估提供參考依據(jù)。
引言
艦船在服役期間可能遭受較為嚴(yán)酷的環(huán)境條件。一方面，艦艇在戰(zhàn)斗時可能會遇到魚雷等武器爆炸形成的沖擊力而導(dǎo)致的艦艇結(jié)構(gòu)變形和振動破壞，嚴(yán)重時造成人員傷亡和船體破壞。另一方面，艦船內(nèi)部安裝的主、輔機等裝備運轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生振動，不僅對艦船上電子設(shè)備造成一定的損害，也會向外輻射出機械噪聲而降低艦船的聲隱身效果。因此必須對艦船進(jìn)行隔振設(shè)計，在艦船設(shè)備與其安裝基座之間安裝隔振器，既能增強艦船用設(shè)備的抗沖擊能力，又能減小振動降低艦船向外輻射的機械噪聲，從而增強聲隱身的效果。隔振器的動態(tài)性能的優(yōu)劣，對艦船設(shè)備顯得尤為重要，因此更需要對其進(jìn)行實驗研究以便更好地掌握其隔振性能。
金屬橡膠隔振器是艦船上常用的隔振器，其在高低溫環(huán)境、振動環(huán)境、鹽霧腐蝕環(huán)境等嚴(yán)酷工況下都具備很好的隔振作用。本文針對金屬橡膠隔振器常見的動態(tài)性能測試方法進(jìn)行研究，并通過電動振動臺組建了基礎(chǔ)激振法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，通過疲勞試驗機組建了橢圓法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了隔振器動剛度的測試。同時，針對影響動態(tài)性能測試結(jié)果的相關(guān)參數(shù)（激振頻率、激振位移幅值）進(jìn)行了研究。這些研究將為隔振器動態(tài)性能試驗的準(zhǔn)確性評估提供參考依據(jù)。
隔振器動態(tài)心梗測試原理
對于經(jīng)典單自由度振動系統(tǒng)，如圖1所示，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，慣性力、彈性力、阻尼力及外力之間達(dá)到力平衡。振動系統(tǒng)一端為剛性基礎(chǔ)，振動系統(tǒng)運動方程按式(1)確定：
對于金屬橡膠隔振器，假定其為結(jié)構(gòu)阻尼、剛度為線性復(fù)剛度及輸入為簡諧力時，公式（1）轉(zhuǎn)化為：
式中：
M—振動系統(tǒng)中運動物體質(zhì)量，單位為kg；
K—彈性元件動剛度，單位為N/m；
η—結(jié)構(gòu)阻尼的損耗因子；
F0—激振力幅值，單位為N；
ω—擊振圓頻率，單位為rad/s。
圖1 單自由度振動系統(tǒng)模型
01基礎(chǔ)激振法
基礎(chǔ)激振法力學(xué)模型如圖2所示。隔振器底部固定在振動臺面上，隔振器頂部連接額定質(zhì)量塊，以在承載方向上施加額定靜載荷。隔振器安裝方式為水平安裝，為了加載的穩(wěn)定性，采用2個或者4個隔振器均勻?qū)ΨQ布置。
圖2 基礎(chǔ)激振法力學(xué)模型
測試程序如下：
1）在振動臺面上施加激振力，激振頻率從1/4至4倍于被試系統(tǒng)共振頻率的范圍內(nèi)進(jìn)行正弦掃描，激振振幅參考表1；
2）記錄基礎(chǔ)激振時振動臺面輸入和質(zhì)量響應(yīng)在各頻率下的位移(或速度、加速度)值，經(jīng)處理后得到無因次絕對位移響應(yīng)系數(shù)曲線TA如圖3所示。從圖3中可得到系統(tǒng)共振頻率fn，即為隔振器固有頻率。
圖3 無因次絕對位移響應(yīng)系數(shù)曲線
對于基礎(chǔ)激振法，此時公式（2）中F0=0、基礎(chǔ)位移為
，公式（2）轉(zhuǎn)化為：
可以測出系統(tǒng)質(zhì)量在各頻率下絕對位移響應(yīng)幅值與基礎(chǔ)輸入位移幅值之比TA，按公式（4）計算：
TA的最大值為
式中：
η—損耗因子；
ωn—系統(tǒng)共振圓頻率；
fn—系統(tǒng)共振頻率。
從圖3中可得到系統(tǒng)共振頻率fn和幅值比最大值Tmax。通過公式（5）可計算得到損耗因子η，再通過公式（6）可計算得到隔振器的動剛度：
當(dāng)共振頻率接近設(shè)備最高工作頻率時，無法獲取無因次位移響應(yīng)系數(shù)曲線的情況下，記錄系統(tǒng)質(zhì)量絕對位移隨頻率變化曲線，分別讀取共振點、半功率點（0.707倍峰值）對應(yīng)的頻率值，如圖4所示。此時損耗因子η可按公式（7）求解。但需注意，半功率法僅適用于小阻尼隔振器。
圖4 半功率法響應(yīng)系數(shù)曲線
02橢圓法
橢圓法是采用疲勞試驗機來對隔振器進(jìn)行激振，通過力傳感器測得隔振器的輸入力和傳遞力，通過位移傳感器測得隔振器的輸入位移和基礎(chǔ)位移，再通過計算求得隔振器的動態(tài)參數(shù)。當(dāng)采用較低頻率進(jìn)行激勵時，可以不考慮振動系統(tǒng)慣性力的影響。隔振器的動態(tài)性能測試系統(tǒng)安裝示意圖見圖5。
圖5 橢圓法測試系統(tǒng)示意圖
根據(jù)隔振器使用安裝狀態(tài)和承載方向，通過設(shè)計試驗夾具，使隔振器底部固定；隔振器頂部通過螺紋與試驗機連接。如圖5所示，安裝布置力傳感器、位移傳感器和加速度傳感器，其中力傳感器布置在隔振器輸入端。在 激振力輸入點和輸出點附近安裝位移傳感器或者加速度傳感器，測量隔振器的輸入位移和基礎(chǔ)位移。
從公式（2）中可見，傳遞力由彈性力和與其正交的阻尼力合成，當(dāng)位移為最大值X0時對應(yīng)的傳遞力Fm等于彈性力K*X0，從傳遞力-變形遲滯回線（如圖6所示）中可直接得到位移最大值X0和彈性力值，從而計算出動剛度，如公式（8）。
圖6力-位移遲滯曲線
在一個循環(huán)中彈性力、阻尼力相位差為90°，當(dāng)位移X=0時，阻尼力達(dá)到最大值，此時傳遞力等于阻尼力，由圖6可知，橢圓與Y軸相交點即為最大阻尼值。按公式（9）計算損耗因子。
式中：
X0為位移最大幅值；
FT為彈性力最大值；
FD為阻尼力最大值。
X0、FT、FD這些參數(shù)均可在圖6遲滯曲線中直接讀取。
橢圓法測試程序如下：
1）為減小隔振器殘余變形，在試驗前對隔振器進(jìn)行預(yù)加載、卸載，重復(fù)三次。
2）然后對隔振器施加額定載荷，同時記錄加載時隔振器的位移值。
施加激振力，采用低頻激振，激振幅值參考表1。記錄傳遞力和位移的時域曲線，繪制如圖6所示的力-位移遲滯曲線。
表1 激振幅值參考值
需要注意：（1）當(dāng)利用橢圓法求隔振器的動剛度時，疲勞試驗機的激振頻率應(yīng)當(dāng)小于振動系統(tǒng)固有頻率的十分之一，若無法獲得振動系統(tǒng)的固有頻率，可使用上限激振頻率代替。（2）測量振動的加速度傳感器， A1布置在靠近系統(tǒng)輸入端位置， A2布置在剛性基礎(chǔ)臺面中心位置。若A1/A2≥10，則剛性基礎(chǔ)速度趨近于零，測量方法有效。
試驗案例
01.基礎(chǔ)激振法
依據(jù)圖2所描述的測試方法，利用已有振動臺設(shè)備進(jìn)行基礎(chǔ)激振法測量動剛度的試驗系統(tǒng)搭建，如圖7所示?；A(chǔ)激振時，通過振動臺對隔振器施加激振力，輸入加速度傳感器經(jīng)過積分運算后得到輸入位移，響應(yīng)加速度傳感器經(jīng)過積分運算后得到質(zhì)量塊位移響應(yīng)，質(zhì)量塊通過導(dǎo)桿約束給隔振器施加額定載荷。
圖7 基礎(chǔ)激振掃描法系統(tǒng)實物
基礎(chǔ)激振時臺面輸入和質(zhì)量塊響應(yīng)在各頻率下的加速度值如圖8所示，可得該型號隔振器的固有頻率為5.007Hz，響應(yīng)與輸入的幅值比最大值為13，根據(jù)公式（5）可計算得到損耗因子為0.077；已知質(zhì)量塊重量為700kg，根據(jù)公式（5）可計算得到動剛度為7.1×105N.m。
圖8 質(zhì)量塊響應(yīng)幅值相對輸入的傳遞函數(shù)
02.橢圓法
利用靜力疲勞加載系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能測試試驗系統(tǒng)的搭建，如圖9所示。測量振動的傳感器，一個傳感器A1布置在靠近系統(tǒng)輸入端位置，另一個傳感器A2布置在速度趨近于零的剛性基礎(chǔ)臺面中心位置。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，A1/A2=0.2g/0.015g=13.3≥10，測量方法有效。
圖9 動剛度測量系統(tǒng)實物
承載方向動剛度測試時，先通過油缸給隔振器施加額定載荷，再給隔振器施加正弦位移激勵，如圖5所示。記錄激振力與位移時域波形，繪制激振力-位移遲滯曲線。
圖10 典型的激振力-位移遲滯曲線
典型的激振力-位移遲滯曲線如圖10所示。從中可直接得到位移最大值X0為2.009mm，彈性力值為1529N，根據(jù)公式（8）計算出動剛度為7.61×105N.m。
當(dāng)位移X=0時，阻尼力達(dá)到最大值為255N，根據(jù)公式（9）計算可得損耗因子為0.083。
已知質(zhì)量塊重量為700kg，根據(jù)公式（5）可計算得到系統(tǒng)的固有頻率為5.247Hz。
03.兩種方法比較
由上述案例可知，基礎(chǔ)激振法和橢圓法測試得到的動剛度值基本一致，動剛度測試誤差在6.7%，損耗因子測試誤差在7.2%，固有頻率測試誤差在4.6%。
基礎(chǔ)激振法的激振頻率由低到高，測試結(jié)果不受激振頻率影響。而橢圓法測試動剛度時對激振頻率和激振幅值提出了明確要求（見表1），須采用低頻激振；如果不按該表實施，其測試結(jié)果可能存在一定誤差。
橢圓法測試結(jié)果影響因素
01激振頻率對動態(tài)性能的影響
為了研究激振頻率對動剛度測量的影響，先施加固定位移幅值2mm，頻率分別為0.4Hz、2Hz、5Hz、8Hz，測得隔振器動剛度結(jié)果見表2。激振頻率對動態(tài)性能（動剛度、固有頻率）測量的影響見圖11。
表2 激振頻率對動剛度的影響
圖11 激振頻率對動剛度和固有頻率的影響
由上可得：隨著激振頻率的增大，動剛度先逐漸減小后逐漸增大，在共振頻率附近激勵時動剛度值最小。當(dāng)激振頻率很小時，作用在隔振系統(tǒng)的外力變化很慢，這時可以認(rèn)為動剛度和靜剛度基本相同。而在共振頻率附近，隔振系統(tǒng)相對容易被外界激勵起來引發(fā)共振，隔振器響應(yīng)最大，相應(yīng)動剛度會較小。當(dāng)激振頻率很大時，負(fù)載質(zhì)量在高頻振動中產(chǎn)生很大的慣性阻力，隔振系統(tǒng)不容易發(fā)生變形，相應(yīng)的動剛度會較大。
02激振位移幅值對動態(tài)性能測量的影響
為了研究激振位移幅值對動剛度測量的影響，先施加固定頻率0.4Hz，位移幅值分別為1mm、2mm、3mm，測得隔振器動剛度結(jié)果見表3。激振幅值對動態(tài)性能（動剛度、固有頻率）測量的影響見圖12。
表3 激振幅值對動剛度的影響
圖12 激振幅值對動剛度和固有頻率的影響
由上可得：隨著激振位移幅值的增大，動剛度呈逐漸減小的趨勢。這是因為，隨著激振位移幅值的逐漸增大，隔振器振動幅值也越大，隔振器金屬絲之間更可能產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象，隔振器振動時需克服金屬絲之間的摩擦力會逐漸更大，隔振器動剛度會逐漸減小。
結(jié)論
艦船在服役期間可能遭受爆炸沖擊等較為嚴(yán)酷的環(huán)境條件，因此艦船設(shè)備通常需要進(jìn)行隔振設(shè)計，既能增強艦船用設(shè)備的抗沖擊能力，又能減小振動噪聲從而增強聲隱身的效果。隔振器的動態(tài)性能的優(yōu)劣，對艦船設(shè)備顯得尤為重要，因此更需要對其進(jìn)行實驗研究以便更好地掌握其隔振性能。
本文對隔振器常見的動態(tài)性能測試方法進(jìn)行研究，并通過電動振動臺組建了基礎(chǔ)激振法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，通過疲勞試驗機組建了橢圓法動態(tài)性能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了隔振器動剛度的測試，兩種方法測試結(jié)果基本一致。同時，本文分析了激振頻率、激振位移幅值對橢圓法動剛度測量結(jié)果的影響：①隨著激振頻率的增大，動剛度先逐漸減小后逐漸增大，在共振頻率處激勵時動剛度值最小。②隨著激振位移幅值的增大，動剛度呈逐漸減小的趨勢。由此可見，在進(jìn)行橢圓法動態(tài)性能試驗時，激振頻率、激振位移幅值的選值，對測試結(jié)果有著較大的影響。這將為隔振器動態(tài)性能試驗的準(zhǔn)確性評估提供參考依據(jù)。
引用本文：
周煥陽，姚明格，張望，劉浩，孫航.船用隔振器動態(tài)性能測試方法研究[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(04):151-156.
來源：環(huán)境技術(shù)核心期刊
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