雙層隔振系統(tǒng)隔振效果實(shí)驗(yàn)分析*

孫玉華， 董大偉， 閆 兵， 王媛文， 武俊達(dá)

(1．西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 重慶，400715) (2．西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都，610031)

雙層隔振系統(tǒng)隔振效果實(shí)驗(yàn)分析*

孫玉華1， 董大偉2， 閆 兵2， 王媛文2， 武俊達(dá)2

(1．西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 重慶，400715) (2．西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都，610031)

針對(duì)出口內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力包采用的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果問題,根據(jù)優(yōu)化的雙層隔振系統(tǒng)剛度,對(duì)動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行了地面臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。利用三向加速度傳感器測(cè)試動(dòng)力包各運(yùn)行工況下機(jī)組振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)和1級(jí)、2級(jí)隔振器上下測(cè)點(diǎn)的加速度值，從機(jī)組的振動(dòng)烈度、1級(jí)、2級(jí)各隔振器的振級(jí)落差和動(dòng)態(tài)減振力有效值隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系分析了雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。結(jié)果表明，雙層隔振系統(tǒng)優(yōu)化的剛度結(jié)果隔振效果良好，能滿足實(shí)際工程的需要。

雙層隔振系統(tǒng)； 振動(dòng)烈度； 動(dòng)態(tài)減振力； 傳遞率

引 言

雙層隔振系統(tǒng)能夠大幅度地衰減動(dòng)力機(jī)械的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，在船舶、車輛以及一些對(duì)振動(dòng)要求很高的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，對(duì)雙層隔振系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于半主動(dòng)、主動(dòng)控制的研究，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證控制效果和影響因素[3-7]。對(duì)于雙層隔振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，Liu等[8]對(duì)可調(diào)諧的浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。胡甫才等[9]對(duì)不同質(zhì)量比、剛度比的雙層隔振系統(tǒng)的傳遞特性進(jìn)行了分析，并通過實(shí)船測(cè)量驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。段小帥等[10]從振級(jí)落差、插入損失和力傳遞率3個(gè)隔振評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了隔振實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)分析3個(gè)指標(biāo)與系統(tǒng)的阻尼、剛度和質(zhì)量之間的關(guān)系。楊鐵軍等[11]對(duì)上下質(zhì)量外形規(guī)則、質(zhì)量均勻的雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行了主動(dòng)控制與實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究主要側(cè)重于船舶的雙層隔振系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)形式的雙層隔振系統(tǒng)上、下質(zhì)量外形基本規(guī)則，質(zhì)量均勻，且隔振器相對(duì)于彈性中心基本對(duì)稱布置，中間質(zhì)量和剛度都很大，可以認(rèn)為是剛體。筆者研究的內(nèi)燃動(dòng)車上動(dòng)力包采用雙層隔振系統(tǒng)這種典型的結(jié)構(gòu)形式，受到結(jié)構(gòu)空間限制，柴油發(fā)電機(jī)組通過5個(gè)隔振器與構(gòu)架相連接，且相對(duì)于彈性中心不是對(duì)稱布置，公共構(gòu)架還需安裝其他附屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，且質(zhì)量很小，必須考慮其結(jié)構(gòu)柔性。構(gòu)架通過4個(gè)2級(jí)隔振器與車體相連接，構(gòu)架的質(zhì)心和機(jī)組的質(zhì)心不在同一鉛垂線上，這為雙層隔振系統(tǒng)的隔振和解耦帶來了很大困難；因此，必須對(duì)之前工作所得出的雙層隔振系統(tǒng)最優(yōu)的隔振器剛度方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前,對(duì)于隔振系統(tǒng)隔振效果的評(píng)價(jià)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，筆者結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，從隔振器的振級(jí)落差和隔振器動(dòng)態(tài)減振力的有效值隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系三方面對(duì)動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果進(jìn)行深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的建立

內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力包結(jié)構(gòu)見圖1，主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、連接套、空空冷卻裝置、靜壓泵組、水箱、空濾器、消音器、構(gòu)架組成。柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)通過同軸連接套連接，并通過1級(jí)5個(gè)隔振器與構(gòu)架連接；水箱、空濾器和消音器與構(gòu)架剛性連接；空空冷卻裝置和靜壓泵組與構(gòu)架彈性連接；公共構(gòu)架與車體通過2級(jí)隔振器連接，共同組成動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)。為了在裝車前測(cè)試動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果，必須對(duì)按照動(dòng)力包裝車后的運(yùn)行工況，建立專門的地面實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，測(cè)試雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。

根據(jù)動(dòng)力包實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)的臺(tái)架如圖2所示。臺(tái)架通過4立方鋼和4橫方鋼焊接而成，4立方鋼與地面剛性連接。在其中的2橫方鋼設(shè)計(jì)安裝2級(jí)隔振器的專用工裝，使動(dòng)力包方便安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的方鋼剛度很大，柴油發(fā)電機(jī)組在各個(gè)運(yùn)行工況不會(huì)出現(xiàn)臺(tái)架的彈性變形，保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試精度的準(zhǔn)確性。

圖1 內(nèi)燃動(dòng)車的雙層隔振系統(tǒng)圖Fig.1 Two-stage vibration isolation system diagram of diesel railcar

圖2 動(dòng)力包地面臺(tái)架示意圖Fig.2 Ground platform diagram of powerpack

2 實(shí)驗(yàn)工況

內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力包在裝車后分檔位運(yùn)行，按照柴油機(jī)運(yùn)行工況共分8個(gè)檔位，見表1。剛度工況1的1級(jí)隔振器動(dòng)、靜剛度見表2，2級(jí)隔振器剛度見表3中的剛度工況1。剛度工況2的1級(jí)隔振器剛度不變，2級(jí)隔振器剛度見表3的剛度工況2。剛度工況1是之前工作中優(yōu)化的最優(yōu)雙層隔振系統(tǒng)剛度值，為了便于和最優(yōu)的隔振器剛度進(jìn)行隔振效果對(duì)比，在2級(jí)隔振器靜剛度增加、動(dòng)剛度減小后重復(fù)進(jìn)行了動(dòng)力包運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。為了模擬柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，在動(dòng)力包運(yùn)行過程中按照實(shí)際的柴油機(jī)負(fù)載進(jìn)行加載。表1是在各個(gè)運(yùn)行工況下所加載的負(fù)載功率，在兩種剛度工況下所加載的負(fù)載值基本相等，保證測(cè)試條件基本相同，測(cè)試結(jié)果具有可對(duì)比性。

表1 柴油機(jī)的負(fù)載功率

表2 1級(jí)隔振器剛度參數(shù)

3 測(cè)試系統(tǒng)的組成

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與相應(yīng)的分析系統(tǒng)完成。所有的測(cè)試信號(hào)經(jīng)信號(hào)傳輸通道送到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和處理。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析中使用的主要儀器設(shè)備有LMS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)、Dell工作站、專用分析軟件等。使用的傳感器為內(nèi)置ICP的壓電式加速度傳感器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。表4為測(cè)試系統(tǒng)的型號(hào)及生產(chǎn)廠家簡(jiǎn)介。

表3 2級(jí)隔振器剛度參數(shù)

圖3 測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.3 Test system diagram

表4 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

Tab.4 The introduction of main experimental equipments

序號(hào)名稱數(shù)量型號(hào)生產(chǎn)廠家1LMS數(shù)采系統(tǒng)1412110110221LMS公司2加速度傳感器28LANCE?LC0156A朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司3高能激振器2HEA?1000南京佛能實(shí)業(yè)科技有限公司4信號(hào)發(fā)生器1DF1405寧波中策電子有限公司5阻抗頭2LANCE?LC朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司6工作站1LenovoLenovo公司

4 振動(dòng)烈度測(cè)試分析

4.1 測(cè)點(diǎn)的選取

振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)完全按照MAN公司柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置布置，其測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)布置在主軸承座上，其余5個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在最大振動(dòng)速度位置，參照測(cè)點(diǎn)位置分別布置7個(gè)烈度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)烈度的測(cè)試。圖4是振動(dòng)烈度測(cè)試過程中一個(gè)傳感器的布置位置。

圖4 振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)Fig.4 Vibration intensity measuring point

4.2 計(jì)算方法

參照柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評(píng)定方法GB5913-86，車內(nèi)設(shè)備測(cè)量頻率范圍取為10～1 000 Hz[12]。機(jī)械振動(dòng)烈度是指在一定運(yùn)行工況條件下，在選定的位置和方向上，通過測(cè)量值計(jì)算出的在所選取的整個(gè)頻率范圍內(nèi)的最大機(jī)械振動(dòng)速度的均方根值，機(jī)械振動(dòng)烈度量標(biāo)取為均方根速度。符號(hào)為Vrms，單位為mm/s。

機(jī)械振動(dòng)烈度的計(jì)算公式為

其中：ΣVx，ΣVy，ΣVz為3個(gè)相互垂直的方向上，各自測(cè)點(diǎn)各同一工況的均方根速度和；Nx，Ny，Nz為3個(gè)相互垂直方向上，同一工況的各自測(cè)點(diǎn)數(shù)；x，y，z為與被測(cè)設(shè)備相一致的鉛垂方向、橫向及縱向。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)機(jī)組各個(gè)振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)測(cè)試的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，通過積分得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)域曲線，利用振動(dòng)烈度的計(jì)算公式計(jì)算兩種剛度工況下的各個(gè)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)烈度值，如圖5所示。從圖中可以看出，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，兩種剛度工況下的振動(dòng)烈度相差不大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時(shí)，2級(jí)隔振器靜剛度的增加導(dǎo)致柴油機(jī)組的振動(dòng)烈度迅速增加，在1 650和1 800 r/min振動(dòng)烈度已經(jīng)到了容忍工作狀態(tài)的等級(jí)。剛度工況1時(shí)柴油機(jī)在600 r/min下的振動(dòng)烈度等級(jí)為良好工作狀態(tài)，其他運(yùn)行工況振動(dòng)烈度等級(jí)為正常工作狀態(tài)；剛度工況2時(shí)柴油機(jī)在1650和1 800 r/min下的振動(dòng)烈度等級(jí)為容忍工作狀態(tài)，其他運(yùn)行工況為正常工作狀態(tài)。當(dāng)1級(jí)隔振器剛度不變，2級(jí)隔振器靜剛度增加后，柴油機(jī)組的振動(dòng)烈度變大，部分運(yùn)行工況出現(xiàn)了容忍的工作狀態(tài)，機(jī)組的振動(dòng)烈度變大，隔振效果變差。說明優(yōu)化得到的隔振器剛度取值合理，隔振效果良好，能夠滿足實(shí)際工程的需要。

圖5 機(jī)組振動(dòng)烈度曲線Fig.5 Unit′s vibration intensity curves

5 隔振器的平均傳遞率分析

5.1 測(cè)點(diǎn)的選取

圖6 2級(jí)隔振器上測(cè)點(diǎn)位置Fig.6 Upper measuring point position of secondary vibration isolator

圖7 2級(jí)隔振器下測(cè)點(diǎn)位置Fig.7 Lower measuring point position of secondary vibration isolator

為了測(cè)試雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞關(guān)系,分別在1級(jí)、2級(jí)隔振器安裝位置上下布置1個(gè)傳感器，圖6和圖7分別是2級(jí)隔振器上、下測(cè)點(diǎn)的傳感器布置位置圖。為了便于比較2級(jí)隔振器靜剛度增加后的隔振效果，同樣進(jìn)行了剛度工況1和剛度工況2下的兩組實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的1級(jí)、2級(jí)隔振器上、下測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，利用隔振器的加速度傳遞率和動(dòng)態(tài)減振力有效值隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，綜合評(píng)價(jià)雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。

5.2 加速度傳遞率分析

根據(jù)1級(jí)、2級(jí)隔振器上、下測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域曲線，計(jì)算上下測(cè)點(diǎn)的有效值，根據(jù)加速度傳遞率的計(jì)算式計(jì)算1級(jí)、2級(jí)各個(gè)隔振器的加速度傳遞率(即振級(jí)落差)。圖8和圖9分別是剛度工況1和剛度工況2下的1級(jí)隔振器加速度傳遞率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖8可以看出，1級(jí)4號(hào)隔振器在1 200 r/min出現(xiàn)了振動(dòng)放大現(xiàn)象，放大系數(shù)為1.645 8。由圖9可以看出：在2級(jí)隔振器剛度增加后，1號(hào)隔振器在1 650 r/min出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象，放大系數(shù)為2.126 7；3號(hào)隔振器在900 r/min出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象，放大系數(shù)為2.063 4；4號(hào)隔振器在1 100，1 200和1 650 r/min也出現(xiàn)了振動(dòng)放大現(xiàn)象，放大系數(shù)分別為1.060 8，1.35和1.071 9。2級(jí)隔振器剛度增加后，1級(jí)多個(gè)隔振器都出現(xiàn)了振動(dòng)放大現(xiàn)象，總體隔振效果變差。

圖10和圖11是剛度工況1和剛度工況2下的2級(jí)隔振器加速度傳遞率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。由圖10可以看出，2級(jí)隔振器加速度傳遞率隨轉(zhuǎn)速的增加總體都降低，在1 800 r/min時(shí)，加速度傳遞率為0.2左右。由圖11可以看出，2級(jí)隔振器剛度增加后，2級(jí)隔振器的加速度傳遞率總體上也呈下降趨勢(shì)，但是2級(jí)4號(hào)隔振器在1 100 r/min和1 650 r/min的傳遞率比較大，總體隔振效果不如工況1。

圖8 工況1的1級(jí)隔振器加速度傳遞率Fig.8 Acceleration transmissibility of primary isolator under condition 1

圖10 工況1時(shí)2級(jí)隔振器加速度傳遞率Fig.10 Acceleration transmissibility of secondary isolator under condition 1

圖11 工況2時(shí)2級(jí)隔振器加速度傳遞率Fig.11 Acceleration transmissibility of secondary isolator under condition 2

5.3 動(dòng)態(tài)減振力有效值傳遞率分析

隔振器的動(dòng)態(tài)減振力為隔振器的動(dòng)剛度與隔振器變形量的乘積，利用測(cè)試的隔振器各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域曲線，通過二次積分，計(jì)算得到各個(gè)隔振器上下的位移時(shí)域曲線，計(jì)算隔振器上下測(cè)點(diǎn)位移的有效值以及各個(gè)隔振器的變形量，通過與隔振器動(dòng)剛度的乘積得到隔振器動(dòng)態(tài)減振力的有效值。

圖12 工況1時(shí)1級(jí)隔振器動(dòng)態(tài)減振力Fig.12 Dynamic decreased vibration force of primary isolator under condition 1

圖13 工況2時(shí)1級(jí)隔振器動(dòng)態(tài)減振力Fig.13 Dynamic decreased vibration force of primary isolator under condition 2

由圖12可以看出在工況1下，1級(jí)1號(hào)隔振器在1 650和1 800 r/min的動(dòng)態(tài)減振力的有效值為130.3 N和201.6 N，其他運(yùn)行轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)減振力的有效值在110 N以內(nèi)。由圖13可以看出，2級(jí)隔振器靜剛度增加后，1級(jí)2號(hào)，4號(hào)和5號(hào)隔振器在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)減振力顯著增大。2號(hào)隔振器在1 650和1 800 r/min的動(dòng)態(tài)減振力有效值為507.7 N和720.1 N；4號(hào)隔振器在1 500，1 650和1 800 r/min的動(dòng)態(tài)減振力有效值為348.1，1 048.1和1 111.1；5號(hào)隔振器在1 650和1 800 r/min的動(dòng)態(tài)減振力有效值為204.7和269.8 N。2級(jí)隔振器剛度增大后1級(jí)2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)隔振器動(dòng)態(tài)力顯著增加，隔振效果變差。

由圖14可以看出在工況1下，2級(jí)4號(hào)隔振器在1 350 r/min的動(dòng)態(tài)減振力的有效值為193.6 N，其他運(yùn)行轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)減振力的有效值在130 N以內(nèi)。由圖15可以看出，2級(jí)隔振器靜剛度增加后，1號(hào)和4號(hào)隔振器的動(dòng)態(tài)減振力最大，2號(hào)隔振器的動(dòng)態(tài)減振力最小值在20N左右?？傮w來看，2級(jí)隔振器靜剛度增加后，2級(jí)隔振器的隔振效果變好。綜合考慮1級(jí)隔振器的隔振效果，剛度1工況是隔振系統(tǒng)的最佳剛度方案。

圖14 工況1時(shí)2級(jí)隔振器動(dòng)態(tài)減振力Fig.14 Dynamic decreased vibration force of secondary isolator under condition 1

圖15 工況2時(shí)2級(jí)隔振器動(dòng)態(tài)減振力Fig.15 Dynamic decreased vibration force of secondary isolator under condition 2

6 結(jié) 論

1) 動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)中機(jī)組的各個(gè)運(yùn)行工況的振動(dòng)烈度等級(jí)為正常工作狀態(tài)，更換隔振器剛度后，機(jī)組的烈度整體偏大，并出現(xiàn)了容忍工作狀態(tài)，驗(yàn)證了雙層隔振系統(tǒng)隔振器剛度優(yōu)化結(jié)果的正確性。

2) 從1級(jí)、2級(jí)各個(gè)隔振器的加速度傳遞率和動(dòng)態(tài)減振力的有效值隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系可以看出，剛度優(yōu)化后的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果良好，能完全滿足實(shí)際工程的需要，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙層隔振系統(tǒng)隔振器剛度優(yōu)化結(jié)果的正確性。

3) 從機(jī)組的振動(dòng)烈度、隔振器的加速度傳遞率以及動(dòng)態(tài)減振力，驗(yàn)證了動(dòng)力包雙層隔振系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)合理，隔振效果良好。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.03.024

*牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(2011TPL-Z02)

2013-03-30；

2013-08-09

TB535； TH113

孫玉華，男，1983年5月生，博士研究生。主要研究方向?yàn)檐囕v工程。曾發(fā)表《高架鐵路車站隔振技術(shù)研究》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2013年第33卷第1期)等論文。 E-mail:syh240@163.com