永磁推進(jìn)電機(jī)新型復(fù)合隔振裝置研制

徐 偉， 邱元燃， 謝向榮

（1. 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所， 武漢430033； 2. 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430033；3. 寧波海蘭信電子科技有限公司， 浙江 寧波315000）

0 引 言

永磁推進(jìn)電機(jī)是一種新型船舶動(dòng)力裝備，其振動(dòng)噪聲和抗沖擊性能有嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)要求。 永磁推進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)主要來源于調(diào)速過程中產(chǎn)生的電源高頻諧波，具有頻率高、能量集中的特點(diǎn)。 例如國外采用類似調(diào)速原理的先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)，2 kHz 頻率諧波產(chǎn)生的振動(dòng)達(dá)到了105 dB（Re:1E-6 m/s2）[1]。為降低永磁推進(jìn)電機(jī)高頻振動(dòng)對船舶輻射噪聲和自噪聲的影響， 必須采用隔振裝置大幅降低傳遞至船體的結(jié)構(gòu)噪聲。 另外，船舶遭受爆炸沖擊時(shí)，可能導(dǎo)致永磁推進(jìn)電機(jī)及與其相連的推進(jìn)軸系產(chǎn)生損傷。隔振裝置還承擔(dān)著衰減沖擊能量、限制沖擊位移、保護(hù)永磁推進(jìn)電機(jī)和軸系運(yùn)行安全的任務(wù)。

某永磁推進(jìn)電機(jī)對隔振裝置提出了高頻振動(dòng)衰減量不低于45 dB 的要求； 受規(guī)定的沖擊譜作用時(shí)，電機(jī)及其隔振裝置應(yīng)能安全運(yùn)行，且電機(jī)位移滿足軸系許用位移要求。 船舶推進(jìn)電機(jī)通常采用單層隔振裝置。經(jīng)實(shí)測，單層隔振裝置高頻隔振效果約為30～40 dB，不能滿足指標(biāo)要求。雙層隔振裝置高頻隔振效果可達(dá)40～60 dB，但其體積、重量大，而且在船舶搖擺或受沖擊時(shí)，推進(jìn)電機(jī)與軸系會(huì)產(chǎn)生過大的相對位移，因此難以滿足船舶的適裝性和軸系匹配性等要求。

為滿足永磁推進(jìn)電機(jī)的高頻隔振和抗沖擊需求，以現(xiàn)有的氣囊隔振技術(shù)為基礎(chǔ)[2]，綜合應(yīng)用輕型中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)和硬彈性復(fù)合材料， 研制出一種新型復(fù)合隔振裝置。 經(jīng)隔振效果實(shí)測和抗沖擊試驗(yàn)考核，達(dá)到了指標(biāo)要求。

1 高頻隔振理論分析

1.1 結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)特性

雙層隔振裝置可有效衰減高頻振動(dòng)。 傳統(tǒng)隔振理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:雙層隔振裝置的中間質(zhì)量至少應(yīng)達(dá)到機(jī)械設(shè)備重量的20%-30%，才能取得理想的高頻隔振效果[3]。 例如某發(fā)電機(jī)組總重約22 t，其雙層隔振裝置采用的中間質(zhì)量重達(dá)約8 t，占設(shè)備重量的36%，高頻（1-10 kHz）隔振效果約40～50 dB。

當(dāng)振動(dòng)頻率較低時(shí)，雙層隔振裝置的振動(dòng)特性可以較好地用剛體動(dòng)力學(xué)模型近似描述。 基于該模型的理論分析結(jié)果表明，中間質(zhì)量應(yīng)盡可能大，與機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量比為1：1 時(shí)隔振效果最好[4]。 普通動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)速頻率及其倍頻激勵(lì)通常較強(qiáng)，低頻振動(dòng)能量較大，因此采用較大的中間質(zhì)量有助于提高中、低頻隔振效果。

當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到數(shù)千赫茲級別時(shí)，普通的機(jī)械結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很大柔性。 當(dāng)頻率高至某一臨界值后，結(jié)構(gòu)導(dǎo)納接近于某一定值M∞[5]。對于一端固支梁的彎曲振動(dòng)情況，高頻導(dǎo)納和低頻導(dǎo)納有如下關(guān)系[6]:

式中，Mmo為梁作為剛體時(shí)的導(dǎo)納（與低頻導(dǎo)納接近），L 為梁的長度，λb為彎曲波的波長。

由（1）式可見，梁的高頻導(dǎo)納遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其低頻導(dǎo)納，而且采用增大橫截面積等加強(qiáng)靜剛度的措施，并不能有效降低高頻導(dǎo)納。對板、殼、桿等其他結(jié)構(gòu)件有相同結(jié)論[6]。換言之，一般機(jī)械結(jié)構(gòu)在數(shù)千赫茲以上頻率的激勵(lì)下都是柔性結(jié)構(gòu)。 因此，提高雙層隔振裝置的中間質(zhì)量不會(huì)明顯改變其高頻導(dǎo)納，即隔振效果不會(huì)顯著提高。

這一點(diǎn)對于永磁推進(jìn)電機(jī)雙層隔振裝置設(shè)計(jì)具有重要啟示:其低頻振動(dòng)小，沒有必要采用很大的中間質(zhì)量，即可使基座振動(dòng)降至較低水平；高頻振動(dòng)能量較大且頻率集中，增加中間質(zhì)量不會(huì)明顯提高隔振效果。 因此，永磁推進(jìn)電機(jī)雙層隔振裝置采用較輕的中間質(zhì)量有可能獲得滿意的隔振效果。

1.2 高頻隔振性能對比分析模型

現(xiàn)有技術(shù)手段尚難以對隔振系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)千赫茲級高頻振動(dòng)分析， 其原因在于隔振系統(tǒng)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的高頻阻抗特性無法準(zhǔn)確計(jì)算或測量，因此通常只能進(jìn)行定性分析。 本文從性能對比的角度出發(fā)，采用簡化模型分析隔振系統(tǒng)的高頻隔振特性。 單層和雙層隔振系統(tǒng)高頻振動(dòng)模型分別簡化為如圖1 和圖2 所示的模型。

圖1 單層隔振系統(tǒng)高頻振動(dòng)簡化模型Fig.1 Simplified high-frequency vibration model of one-stage mounting system

圖2 雙層隔振系統(tǒng)高頻振動(dòng)簡化模型Fig.2 Simplified high-frequency vibration model of two-stage mounting system

結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)是全局性運(yùn)動(dòng)，主要表現(xiàn)為整體的剛體運(yùn)動(dòng)或彎曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形；而高頻振動(dòng)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的局部運(yùn)動(dòng)[7]。 這一點(diǎn)可以從試驗(yàn)中得到驗(yàn)證:在結(jié)構(gòu)上相距幾厘米的部位，高頻振動(dòng)量級可能相差5 dB 以上。 因此，在建立隔振系統(tǒng)高頻傳遞特性模型時(shí)，沒有必要考慮機(jī)械設(shè)備的影響。 因?yàn)檫@樣不僅無益于提高計(jì)算準(zhǔn)確性，反而增加了模型復(fù)雜度，以至于無法將重點(diǎn)集中于隔振系統(tǒng)自身的性能分析。 所以本文直接將機(jī)械設(shè)備的高頻振動(dòng)簡化為激勵(lì)力作用于隔振系統(tǒng)。 圖1 和圖2模型中:減振器為均勻桿；基礎(chǔ)為均勻簡支梁；減振器位于簡支梁中點(diǎn)；中間質(zhì)量也用簡支梁表示，以模擬其質(zhì)量分布特性。

式中:Ar為桿的截面積，hr為桿的高度 可求出導(dǎo)納矩陣元素。

當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位于均勻簡支梁中點(diǎn)時(shí)，基礎(chǔ)的原點(diǎn)導(dǎo)納表達(dá)式為[9]

式中:Eb為梁材料的彈性模量，Ib為梁截面的慣性矩，lb為梁的長度，kb= （ω2mb/EbIb）1/4為彎曲波的波數(shù)，mb為梁材料的線密度。

參考圖1，單層隔振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

由（5）式可得基礎(chǔ)響應(yīng)的表達(dá)式為

代入（2-4）式即可求解響應(yīng)。

不安裝減振器的情況下，基礎(chǔ)響應(yīng)表達(dá)式為

利用（6-7）式即可求得單層隔振系統(tǒng)的隔振效果:

參考圖2 的雙層隔振系統(tǒng)，上層減振器運(yùn)動(dòng)方程為

中間質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方程為

式中:Mm為中間質(zhì)量的導(dǎo)納。 對于簡支梁結(jié)構(gòu)，其表達(dá)與（4）式相同。

下層減振器運(yùn)動(dòng)方程為

聯(lián)合（5b）和（9-11）式可得基礎(chǔ)響應(yīng)的表達(dá)式為:

同樣利用（8）式可計(jì)算雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)對高頻隔振效果的影響分析

假定單層隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:減振器材料為橡膠，彈性模量5 MPa，損耗因子0.1，長0.15 m，橫截面半徑0.03 mm，密度1 100 kg/m3； 基礎(chǔ)梁的材料為鋼， 彈性模量200 GPa，損耗因子0.001，長1 m，橫截面尺寸0.01 mm×0.01 mm，密度7 800 kg/m3。雙層隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:上、下層減振器參數(shù)與單層隔振系統(tǒng)相同； 中間質(zhì)量梁長1.5 m，基礎(chǔ)梁長1 m，其他參數(shù)與單層隔振系統(tǒng)基礎(chǔ)梁相同。

（1） 單層和雙層隔振系統(tǒng)效果對比

圖3 給出了單層和雙層隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)速度響應(yīng)對比。由圖可見:（1） 由于上層減振器和中間質(zhì)量的模態(tài)影響，頻率較低時(shí)，雙層隔振系統(tǒng)存在較多共振峰值，基礎(chǔ)響應(yīng)有時(shí)比單層隔振系統(tǒng)甚至剛性安裝狀態(tài)大；（2）隨著頻率的升高，雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果越來越明顯，整體上明顯高于單層隔振系統(tǒng)。如在8 290 Hz 處，單層隔振效果為32 dB，而雙層隔振效果為81 dB。

若在設(shè)計(jì)船舶通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)能將變風(fēng)量系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)控制，使其能自動(dòng)識別艙內(nèi)的情況并控制變風(fēng)量末端，則將進(jìn)一步降低不必要的空調(diào)能耗。若系統(tǒng)除了檢測到外艙都有乘員，但有1/2是陰面艙室以外，還檢測到內(nèi)艙有16個(gè)房間沒有乘員，則送風(fēng)量只要保證與廁所抽風(fēng)量平衡即可，一個(gè)艙室為72 m3/h，送風(fēng)量隨之降低2 688 m3/h，制冷量也會(huì)降至86 kW。

（2） 雙層隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量的影響

改變雙層隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量簡支梁的長度， 從而改變其剛性。 分別取梁的長度為1 m，1.5 m 和2 m，即剛性逐漸減小。 另外將簡支梁替換為同等質(zhì)量的剛性塊。 分別計(jì)算隔振效果（以10logE 表示），結(jié)果如圖4 所示。由圖可見，改變中間質(zhì)量的剛性主要會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)共振頻率的變化，并未明顯提高高頻隔振效果。

圖3 單層和雙層隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)響應(yīng)對比Fig.3 Receiver velocity response comparision of one- and two-stage mounting system

圖4 改變中間質(zhì)量剛性對隔振效果的影響Fig.4 Isolation efficiency of two-stage mounting system with different intermediate mass rigidity

（3） 減振器材料彈性模量的影響

改變材料的彈性模量時(shí)，單層隔振系統(tǒng)的隔振效果如圖5 所示。 由圖可見，材料的彈性模量越低，隔振效果越明顯，如在8 290 Hz 處， 彈性模量5 MPa 的材料隔振效果為32 dB，而40 MPa 材料隔振效果為20 dB。

（4） 材料阻尼的影響

為提高高頻隔振效果，工程上常用的方法是增加減振器和中間質(zhì)量的阻尼，例如采用高阻尼比橡膠材料，或在中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)上涂敷阻尼材料。

根據(jù)一般粘彈性材料的損耗因子范圍，分別取隔振器材料損耗因子為0.05，0.1，0.15 和0.2，計(jì)算單層隔振系統(tǒng)的隔振效果，結(jié)果如圖6 所示。 由圖可見:減振器阻尼對高頻振動(dòng)衰減有非常重要的作用，阻尼越大則高頻隔振效果越好， 如在8 290 Hz 處，損耗因子為0.2 材料的隔振效果為56 dB，而0.05 材料的隔振效果為19 dB。 但減振器阻尼過大通常會(huì)降低低頻隔振效果，因此應(yīng)權(quán)衡選擇阻尼參數(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)條件下，增加中間質(zhì)量阻尼的主要措施是敷設(shè)阻尼材料或采用阻尼合金，但不能大幅提高阻尼。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別取梁的阻尼損耗因子為0.001 和0.01， 計(jì)算雙層隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)響應(yīng)，如圖7 所示。 圖中峰值較小的虛線為損耗因子0.01 的中間質(zhì)量。 由圖可見:增加中間質(zhì)量阻尼的作用主要是在共振頻率處抑制響應(yīng)峰值，當(dāng)不發(fā)生共振時(shí)，阻尼對基礎(chǔ)響應(yīng)和隔振效果沒有影響。

圖5 改變減振器模量時(shí)的單層隔振系統(tǒng)的隔振效果Fig.5 Isolation efficiency of one-stage mounting system with different isolator moduli

圖6 減振器材料阻尼對單層隔振效果的影響Fig.6 Isolation efficiency of one-stage mounting system with different isolator material damping

圖7 不同中間質(zhì)量阻尼對基礎(chǔ)響應(yīng)的影響Fig.7 Receiver velocity response of two-stage mounting system with different intermediate mass damping

2 新型復(fù)合隔振裝置設(shè)計(jì)

針對永磁推進(jìn)電機(jī)應(yīng)用成熟的雙層隔振裝置技術(shù)， 雖然可以滿足隔振效果要求， 但其尺寸和重量較大，適裝性較差。 更重要的是，常規(guī)雙層隔振裝置難以滿足軸系匹配性要求。 永磁推進(jìn)電機(jī)功率密度較大，產(chǎn)生的最大輸出扭矩約為同等重量直流推進(jìn)電機(jī)的3倍， 輸出扭矩引起的減振器變形將導(dǎo)致電機(jī)與軸系產(chǎn)生較大的相對偏移量。 這是橡膠減振器等無法克服的難題，只能通過提高隔振系統(tǒng)的剛度來減小偏移量，但這樣又犧牲了隔振性能，難以達(dá)到隔振效果指標(biāo)要求。

圖8 永磁推進(jìn)電機(jī)復(fù)合隔振裝置示意圖Fig.8 Schematic of compound mounting system for permanent magnet propulsion motor

綜合考慮各主要指標(biāo)的要求， 基于高頻隔振理論分析結(jié)果，并結(jié)合隔振裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了氣囊隔振裝置與硬彈性材料結(jié)合的復(fù)合隔振裝置方案，如圖8 所示。復(fù)合隔振裝置由氣囊減振器、輕型中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)和硬彈性材料等構(gòu)成。該裝置有以下幾方面的特點(diǎn)。

（1） 重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊

采用了輕型中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重量約3.5 t，不超過10%電機(jī)重量，比常規(guī)雙層隔振裝置重量降低65%以上，具有較好的適裝性。

（2） 隔振性能好

氣囊減振器固有頻率約5 Hz，可有效衰減全頻段振動(dòng)；硬彈性材料固有頻率約29 Hz，主要用于進(jìn)一步衰減高頻振動(dòng)。 兩者構(gòu)成了柔性和硬彈性兩級隔振，可取得較好的隔振效果。

（3） 滿足軸系匹配性要求

復(fù)合隔振裝置整體的垂向固有頻率約5.6 Hz。若僅使用上層的氣囊隔振裝置，則垂向頻率為6 Hz，兩者剛度特性接近。 氣囊隔振裝置已實(shí)際應(yīng)用，在船舶傾斜、搖擺等情況下均滿足軸系匹配性要求。 計(jì)算結(jié)果表明:由于下層采用了硬彈性材料，在不考慮限位措施的情況下，船舶最大傾斜、搖擺角度時(shí)，電機(jī)輸出端與軸系相對位移約10 mm，比氣囊隔振裝置僅增大1～2 mm，仍可滿足軸系匹配性要求。

（4） 沖擊衰減與限位功能均衡設(shè)計(jì)

氣囊減振器固有頻率低，對沖擊能量具有很好的衰減作用，但易產(chǎn)生較大位移，影響推進(jìn)電機(jī)和軸系安全。 為此在氣囊減振器內(nèi)部集成設(shè)計(jì)了抗沖擊限位器， 并對限位間隙和限位器剛度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)沖擊衰減和限位性能的均衡。

（5） 可實(shí)現(xiàn)對中實(shí)時(shí)高精度控制

氣囊隔振裝置具有實(shí)時(shí)對中高精度控制功能[3]，可通過調(diào)節(jié)氣囊減振器的載荷，抵消永磁推進(jìn)電機(jī)輸出扭矩的影響，將電機(jī)與軸系的對中精度實(shí)時(shí)控制在0.5 mm 內(nèi)，從而提高了推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

3 抗沖擊性能設(shè)計(jì)校核

永磁推進(jìn)電機(jī)的抗沖擊等級為A 級[10]，其沖擊輸入按照BV043/85 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[11]。 據(jù)此對復(fù)合隔振裝置的抗沖擊性能進(jìn)行有限元計(jì)算校核，重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)加速度、位移和中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖9 氣囊隔振器內(nèi)的限位器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic of limiting protection in air-bag isolator

圖10 氣囊隔振器的沖擊測試結(jié)果Fig.10 Shock test result of the air-bag isolator

本裝置的抗沖擊性能主要取決于硬彈性材料、氣囊隔振器和限位器的沖擊剛度特性。 硬彈性材料由于剛度較大，沖擊變形較小，緩沖性能差，對裝置整體抗沖性能影響不大。 氣囊隔振器剛度小，緩沖性能好，但沖擊變形大，為此在氣囊內(nèi)部集成設(shè)計(jì)了限位器[12]，結(jié)構(gòu)如圖9 所示。 限位器為三向限位結(jié)構(gòu)，表面硫化橡膠以增加緩沖效果。 通過調(diào)整限位間隙和橡膠材料硬度、厚度等參數(shù)，可改變本裝置的沖擊剛度。 對氣囊隔振器進(jìn)行了沖擊測試，變形和沖擊力見圖10。 變形量在限位間隙5 mm 以內(nèi)時(shí)，沖擊剛度由壓縮氣體的彈性決定，近似呈線性；變形量達(dá)5～10 mm 時(shí)，限位器開始接觸，沖擊剛度主要由限位器表面橡膠的彈性決定，呈明顯非線性；變形量達(dá)10 mm 以上時(shí)，限位器表明橡膠變形接近極限，沖擊剛度呈強(qiáng)非線性。

除進(jìn)行限位器優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還根據(jù)校核計(jì)算結(jié)果對中間質(zhì)量進(jìn)行了局部加強(qiáng)，以減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力。 將沖擊輸入譜等效為時(shí)域三角波形，氣囊隔振器及限位器的沖擊剛度按照測試結(jié)果輸入模型進(jìn)行計(jì)算校核，結(jié)果表明:沖擊作用下，電機(jī)的加速度峰值低于30g；電機(jī)與軸系相對位移最大值約為20 mm，滿足所使用的彈性聯(lián)軸器最大瞬時(shí)許用位移要求；中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力（見圖11）滿足材料強(qiáng)度要求。

圖11 垂向沖擊作用下中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.11 Intermediate mass stress of compound mounting system under vertical shock

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 隔振性能試驗(yàn)

實(shí)測結(jié)果表明，復(fù)合隔振裝置（如圖12）對電機(jī)高頻振動(dòng)衰減效果達(dá)60 dB 以上，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。 應(yīng)用復(fù)合隔振裝置后，永磁推進(jìn)電機(jī)的基座振動(dòng)接近背景噪聲水平。

4.2 抗沖擊試驗(yàn)

圖12 永磁推進(jìn)電機(jī)新型復(fù)合隔振裝置Fig.12 Full-scale prototype of compound mounting system for permanent magnet propulsion motor

圖13 永磁推進(jìn)電機(jī)滿功率的對中偏移量曲線Fig.13 Offset of permanent magnet propulsion motor operating at full power

在抗沖擊試驗(yàn)中，復(fù)合隔振裝置有效地衰減了沖擊能量，使傳遞至永磁推進(jìn)電機(jī)的加速度時(shí)域峰值不超過35g，確保了推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行安全。永磁推進(jìn)電機(jī)與軸系的相對位移不超過18 mm，滿足彈性聯(lián)軸器許用位移和軸系負(fù)荷要求，不影響軸系運(yùn)行安全性。

4.3 對中控制精度試驗(yàn)

圖13 給出了永磁推進(jìn)電機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出端相對軸系的對中偏移量變化過程。 當(dāng)電機(jī)由低功率過渡到滿功率工況時(shí)，水平偏移量由0.4 mm 增大至約0.95 mm。此時(shí)復(fù)合隔振裝置啟動(dòng)對中控制功能，使對中偏移量逐漸收斂至0.25 mm，滿足軸系運(yùn)行安全性要求。

5 結(jié) 語

針對永磁推進(jìn)電機(jī)的隔振需求， 通過對高頻隔振理論的研究， 提出了新型復(fù)合隔振裝置技術(shù)方案。 與傳統(tǒng)雙層隔振裝置相比，該裝置的重量降低65%以上，結(jié)構(gòu)尺寸大幅減小。 經(jīng)系列試驗(yàn)，復(fù)合隔振裝置隔振效果、抗沖擊性能、可靠性和軸系匹配性等均達(dá)到要求。 復(fù)合隔振裝置也可應(yīng)用于各類新型船舶推進(jìn)電機(jī)。