一種復(fù)合機座對設(shè)備隔振效果影響試驗

李海濤，賀 華，丁 煒，王 強

(上海船舶設(shè)備研究所，上海200031)

一種復(fù)合機座對設(shè)備隔振效果影響試驗

李海濤，賀 華，丁 煒，王 強

(上海船舶設(shè)備研究所，上海200031)

通過隔振理論分析，設(shè)計復(fù)合設(shè)備機座的隔振效果試驗方案，并討論試驗方案中振級落差和插入損失的關(guān)系；通過試驗分析，研究復(fù)合設(shè)備機座自身的隔振效果與其對試驗系統(tǒng)的隔振效果的影響，結(jié)果表明復(fù)合設(shè)備機座具有較好的高頻隔振效果，但對不同隔振系統(tǒng)的隔振效果影響不同。

振動與波；復(fù)合設(shè)備機座；單層隔振系統(tǒng)；雙層隔振系統(tǒng)；隔振效果

為了降低船舶的輻射噪聲，需要通過彈性元件對主要振動設(shè)備進行振動隔離，以降低其振動能量的傳遞，達到減小船體結(jié)構(gòu)振動的目的。在船舶設(shè)備振動隔離中通常采用單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)[1]。

近幾年，隨著新型復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合設(shè)備機座已逐步應(yīng)用于艦艇的振動控制中。文獻[2]研究了不同夾層材料與幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)抑振量的影響，得出增加夾層層數(shù)對結(jié)構(gòu)抑振的提高量有限，增加夾層厚度可改善抑振性能，采用較硬的約束層和較軟的阻尼層可顯著提高抑振量。文獻[3]通過電－力類比的方法建立了彈性基座的導(dǎo)納分析模型，提出了單層隔振系統(tǒng)中彈性基座噪聲控制的基本原則。文獻[4]通過試驗研究的方法，研究了夾芯復(fù)合材料基座的隔振效果，得出夾芯復(fù)合材料基座均具有較好的隔振效果,且能夠有效抑制高頻共振的結(jié)論。

目前，國內(nèi)對復(fù)合材料設(shè)備機座的研究主要是基座自身的隔振效果。本文通過試驗分析，研究一種復(fù)合設(shè)備機座（以下簡稱復(fù)合機座）對設(shè)備隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，為復(fù)合機座的研制及工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 隔振理論分析

在船舶工程中，應(yīng)用隔振系統(tǒng)的目的是減小設(shè)備的振動傳遞，因此，對隔振系統(tǒng)進行評估的指標(biāo)是設(shè)備振動量級的衰減量。目前常用的隔振效果評估指標(biāo)有力傳遞率、插入損失、振級落差等。一般以力傳遞率作為隔振效果的理論預(yù)測論據(jù)，以插入損失或振級落差來評定各種實際系統(tǒng)的隔振效果。這三個評價指標(biāo)是從不同角度推導(dǎo)出來的。力傳遞率主要是針對理論研究，振級落差在試驗分析中測量最為簡單，只需測量隔振器上下兩端的振動量級之差就可得出其值，然而設(shè)計者最感興趣的是插入損失,它可理解為經(jīng)過隔振系統(tǒng)的作用，基礎(chǔ)的原始振動量級的降低值，體現(xiàn)了裝與不裝隔振系統(tǒng)的直接效果。

假設(shè)試驗設(shè)備與基礎(chǔ)是質(zhì)量分別為m與M的集中質(zhì)量塊，隔振系統(tǒng)的剛度為k，阻尼為c，所以設(shè)備阻抗Zm=iwm，基礎(chǔ)阻抗ZM=iwM，隔振系統(tǒng)阻抗則插入損失LI與振級落差LD[6]可寫為

在設(shè)計隔振系統(tǒng)時，基礎(chǔ)阻抗一般比隔振系統(tǒng)阻抗大5～10倍，當(dāng)基礎(chǔ)阻抗遠小于設(shè)備阻抗時，插入損失LI與振級落差LD近似相等；當(dāng)基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相當(dāng)時，插入損失LI比振級落差LD約小5 dB左右；當(dāng)基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相比較大時，插入損失LI遠小于振級落差LD。為此，可以看出，振級落差僅在基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相比小于1時，才可近似反映隔振系統(tǒng)的隔振效果。

1.2 復(fù)合機座的設(shè)計依據(jù)

在隔振設(shè)計中，一方面，要求系統(tǒng)的固有頻率很低,通常外部激勵頻率要大于固有頻率的倍才能起隔振作用，另一方面,隔振系統(tǒng)作為支撐結(jié)構(gòu),為了保證設(shè)備的安裝精度和支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又要求有足夠的支撐結(jié)構(gòu)剛度。利用復(fù)合材料良好的阻尼特性,在剛性基座的設(shè)備安裝連接處填充復(fù)合材料，復(fù)合機座結(jié)構(gòu)如圖1所示。機座中復(fù)合材料部分的幾何尺寸為400 mm×80 mm×15 mm，E=454 MPa, μ=0.44，機座外形尺寸為1 100 mm×500 mm×70 mm，質(zhì)量為278 kg。

圖1 復(fù)合機座結(jié)構(gòu)

1.3 隔振試驗系統(tǒng)設(shè)計

在試驗中采用模擬船用設(shè)備的陸上系統(tǒng)來模擬復(fù)合機座的工作環(huán)境。模擬船用設(shè)備系統(tǒng)由兩臺電機、復(fù)合機座、中間質(zhì)量、隔振器、基座組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩臺電機與復(fù)合機座連接，復(fù)合機座通過隔振器與中間質(zhì)量連接，中間質(zhì)量最終與基座相連，組成一套雙層隔振系統(tǒng)。為研究設(shè)備機座對隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，原動機選用Y系列(IP 44)電動機，機座號為225 M，極數(shù)為2，重量約為309 kg，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，功率為15 kW。中間質(zhì)量重577 kg，機座質(zhì)量為2 632.94 kg。在設(shè)計試驗系統(tǒng)時充分考慮到中間質(zhì)量阻抗、基座阻抗與設(shè)備阻抗的關(guān)系，中間質(zhì)量的原點速度阻抗對于設(shè)備的阻抗是比較小，基座隔振器安裝連接處原點速度阻抗對于設(shè)備的阻抗是比較小的。所以根據(jù)（1）、（2）式可知，針對此試驗系統(tǒng)插入損失LI與振級落差LD均能正確反映隔振效果。

考慮到為了試驗研究復(fù)合機座對設(shè)備隔振效果的影響，采用在試驗時通過更換與復(fù)合機座結(jié)構(gòu)相同而不含有復(fù)合材料的剛性機座進行對比試驗，進而得到復(fù)合機座的插入損失。本論文對設(shè)備隔振系統(tǒng)隔振效果的評估指標(biāo)統(tǒng)一選用插入損失。機械振動噪聲的分析頻率范圍為10 Hz～8 000 Hz,并且采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的加速度傳感器與LMS公司的采集器和軟件進行數(shù)據(jù)采集與分析。

2 復(fù)合機座隔振效果的試驗分析

為了分析復(fù)合機座的隔振效果，將復(fù)合機座與基座直接剛性連接，其結(jié)構(gòu)如圖3。在試驗時通過更換與復(fù)合機座結(jié)構(gòu)相同的剛性機座進行對比試驗，進而得到復(fù)合機座的插入損失，從而研究其自身的隔振效果。

圖3 復(fù)合機座的隔振效果試驗系統(tǒng)

由圖4可知，在低頻段復(fù)合機座對振動激勵頻率50 Hz處起到約3 dB的放大作用，并且從160 Hz起對電機振動起到衰減作用。

圖4 復(fù)合機座與剛性機座的低頻振動加速度

由圖5可知，雖然在部分高頻段復(fù)合機座對電機振動沒有起到衰減作用，但是在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz，復(fù)合機座對電機振動仍起到衰減作用。從圖4和圖5對比可得出,復(fù)合機座在中高頻段加速度響應(yīng)比剛性機座要小得多,所以復(fù)合機座能夠有效地抑制中高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。

圖5 復(fù)合機座與剛性機座的中高頻振動加速度

由圖4與圖5可知，復(fù)合機座的低頻隔振效果為3.85 dB，中高頻隔振效果為6.81 dB，全頻段為6.93 dB，所以復(fù)合機座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。由于考慮到設(shè)備安裝強度問題，復(fù)合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率沒有處于大于固有頻率的倍的區(qū)域，所以使得軸頻處的加速度放大約3 dB。

3 復(fù)合機座對隔振系統(tǒng)隔振效果影響分析

由于在船舶設(shè)備振動隔離中通常采用單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)[7]，所以本文主要研究復(fù)合機座對單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

3.1 復(fù)合機座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果影響的試驗分析

為了試驗分析復(fù)合機座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，將復(fù)合機座與基座通過隔振器連接，其結(jié)構(gòu)如圖6。在試驗時，通過更換與復(fù)合機座結(jié)構(gòu)相同而不含有復(fù)合材料的剛性機座進行對比試驗，進而得到復(fù)合機座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

圖6 復(fù)合機座對單層隔振隔振效果影響試驗系統(tǒng)

由圖7可知，安裝了復(fù)合機座的單層隔振系統(tǒng)與剛性機座情況下的單層隔振系統(tǒng)相比，在低頻段復(fù)合機座對振動激勵頻率50 Hz處起到約7 dB的放大作用，但是在100 Hz處對電機的二倍頻激勵起到了大約9 dB的衰減作用，并且在100 Hz處開始對電機的低頻振動起到衰減作用。

圖7 復(fù)合機座與剛性機座的低頻振動加速度

由圖8可知，安裝了復(fù)合機座的單層隔振系統(tǒng)與剛性機座的單層隔振系統(tǒng)相比在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz對振動均有明顯的抑制作用。在500 Hz與2 500 Hz處復(fù)合機座的隔振效果最小，分別約為2.67 dB與2.09 dB，而在其余頻段隔振效果均在5 dB以上，并且大部分頻段的隔振效果在13 dB以上。

從圖7和圖8對比可得出,安裝了復(fù)合機座單層隔振系統(tǒng)的低頻隔振效果為13.41 dB，中高頻隔振效果為31.47 dB，全頻段為34.89 dB，而安裝剛性機座單層隔振系統(tǒng)的低頻隔振效果為10.17dB，中高頻隔振效果為19.79 dB，全頻段為22.27 dB。所以可以看出復(fù)合機座相對于剛性機座在本套單層隔振試驗系統(tǒng)中能夠有效地抑制中高頻共振峰，提升11.68 dB的中高頻隔振效果。由于復(fù)合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率處于隔振系統(tǒng)的二次共振峰區(qū)域，所以使得軸頻處的加速度放大約7 dB，但是由于在電機的二倍頻處對振動起到衰減作用，所以低頻段相比于剛性機架仍提高了3.24 dB的隔振效果，并且在全頻段提高了12.62 dB的隔振效果。

圖8 復(fù)合機座與剛性機座的中高頻振動加速度

3.2 復(fù)合機座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果影響的試驗分析

為了試驗分析復(fù)合機座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，選用結(jié)構(gòu)如圖1所示的雙層隔振系統(tǒng)。在試驗時通過更換剛性機座進行對比試驗,進而得到復(fù)合機座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

圖9 復(fù)合機座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響

由圖9可知，安裝了復(fù)合機座的雙層隔振系統(tǒng)與剛性機座的雙層隔振系統(tǒng)在全頻段10 Hz～8 000 Hz的隔振效果幾乎是一致的，并且從試驗分析得到安裝了復(fù)合機座的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果為48.7 dB，而剛性機座情況下的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果為48.1 dB，從而得出對于本套雙層隔振試驗系統(tǒng)，這種復(fù)合機座并不能顯著提高全頻段的隔振效果。

4 結(jié)語

本文針對一種復(fù)合機座，設(shè)計了一個隔振效果試驗系統(tǒng)，通過試驗分析，主要研究了一種復(fù)合設(shè)備機座對試驗系統(tǒng)的隔振效果的影響，并對結(jié)果進行分析，得出如下結(jié)論：

(1)復(fù)合機座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果；

(2)將復(fù)合機座應(yīng)用于單層隔振試驗系統(tǒng)中能夠在高頻段進一步增加隔振效果，從而在不增加整個單層隔振試驗系統(tǒng)質(zhì)量的情況下，增加其隔振效果；

(3)將復(fù)合機座應(yīng)用于雙層隔振試驗系統(tǒng)中，并不能增加其隔振效果。

綜上，設(shè)計合理的復(fù)合機座能夠有效地抑制高頻共振峰，取得較好的高頻隔振效果，并且在單層隔振系統(tǒng)中也能夠在高頻段進一步增加隔振效果。但是，對于在雙層隔振系統(tǒng)中應(yīng)用復(fù)合機座可能會沒有效果，如何正確的選擇和優(yōu)化復(fù)合機座,則需要進行更多細致的研究工作。

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Research of the Impact of a Composite Foundation on the Effect of Equipment’s Vibration Isolation

LI Hai-tao,HE Hua,DING Wei,WANG Qiang

(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

Abastract∶The test scheme of a composite equipment foundation for vibration isolation is worked out and the relationship between the vibration level difference and the insertion loss in the test scheme is discussed through theoretical analysis.Through the test analysis,the vibration isolation effect of the non-metallic equipment foundation is studied and its impact on the vibration isolation effect of the test system with the composite equipment foundation is analyzed.The results show that the composite equipment foundation has good vibration isolation effect in high-frequency,but has different vibration isolation effects for different isolation systems.

∶vibration and wave;composite equipment foundation;single-layer isolation system;double-layer isolation system;vibration isolation effect

O422.6< class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.045

1006-1355(2014)06-0202-04

2014-07-21

李海濤（1989-），男，遼寧省朝陽市人，碩士生，主要研究方向：機械設(shè)備振動噪聲沖擊控制研究。

E-mail∶leewaver@163.com