核電堆電火花加工機(jī)浮筏隔振特性分析

溫 瑞，肖國華

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315012）

0 引言

核電堆水下電火花加工振動(dòng)隔離技術(shù)的主要原理即為在主系統(tǒng)與振源之間連接彈性結(jié)構(gòu)，憑借彈性結(jié)構(gòu)減小振源對(duì)主系統(tǒng)的振動(dòng)影響［1］。從結(jié)構(gòu)上分類，隔振系統(tǒng)分為單層隔振系統(tǒng)、雙層隔振系統(tǒng)以及浮筏隔振系統(tǒng)，單層隔振系統(tǒng)在大量的實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，其在高頻域的隔振性能并不理想；雙層隔振系統(tǒng)彌補(bǔ)了單層隔振系統(tǒng)的部分缺失，具有良好的隔振性能，但體積一般過大，過于笨重；近二十年，浮筏隔振系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，浮筏隔振系統(tǒng)實(shí)為多機(jī)組多激勵(lì)的雙層隔振系統(tǒng)，可在達(dá)到雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的前提下同時(shí)具有質(zhì)量小占用空間小的優(yōu)點(diǎn)［2-4］。

浮筏隔振系統(tǒng)具有良好的隔振功能，浮筏隔振系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力裝置的振動(dòng)隔離及其他相關(guān)動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)的控制中［5］。在我國，小型浮筏隔振系統(tǒng)目前研究和應(yīng)用的范圍比較廣，而對(duì)于大型浮筏隔振系統(tǒng)的研究則相對(duì)比較少，還有待進(jìn)一步地開展基礎(chǔ)研究工作，本文根據(jù)大型浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)備多、體積大等特點(diǎn)采用功率流的方式從能量的角度研究了其力與位移的關(guān)系，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)傳遞功率流的影響，在構(gòu)件試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，對(duì)機(jī)組、筏架以及隔振器等組成部件的基本性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并總結(jié)出這些參數(shù)對(duì)功率流的影響，并給出了浮筏結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的基礎(chǔ)準(zhǔn)則。

1 浮筏隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)由4 臺(tái)具有相同參數(shù)的含電機(jī)循環(huán)水泵組成浮筏隔振裝置，如圖1 所示。4 臺(tái)水泵機(jī)組均勻等間隔，成對(duì)稱狀態(tài)安裝于隔振筏體上，單臺(tái)水泵機(jī)組設(shè)置有4個(gè)隔振器以增強(qiáng)隔振，筏體彈性安裝在基礎(chǔ)上以構(gòu)成減振浮筏，筏架分別通過隔振器和機(jī)組與地基相連，隔振系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別為上層的隔振器，下層的隔振筏體，上層隔振器總體高度設(shè)置為80 mm，下層隔振器總體高度設(shè)置為200 mm；隔振器安裝基礎(chǔ)面的阻尼為0.02，剛度系數(shù)經(jīng)測(cè)試后，表明為2.3×1012N/m。

圖1 含電機(jī)循環(huán)水泵浮筏隔振裝置

浮筏隔振機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及組件重量、力學(xué)構(gòu)件特性和規(guī)格尺寸如表1 所示，相應(yīng)的剛度系數(shù)如表2所示。

表1 浮筏整體結(jié)構(gòu)組件隔振系統(tǒng)參數(shù)

表2 上下層剛度因子及阻尼系數(shù)因子

2 功率流動(dòng)力學(xué)建模

一種浮筏隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示，浮筏隔振系統(tǒng)是由許多零部件連接而成，浮筏隔振系統(tǒng)的隔振性能受包括剛度阻尼、質(zhì)量比等多種因素的影響，在本文中，突出主要參數(shù)對(duì)其性能的影響，其動(dòng)力學(xué)特性主要受部件的質(zhì)量與阻尼的影響，根據(jù)這一特性將浮筏隔振系統(tǒng)簡化為基礎(chǔ)、筏體和設(shè)備三大模塊，以方便模型構(gòu)建。

圖2 浮筏隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)于實(shí)際周期振動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)功率流，按時(shí)間平均的功率流基本定義式即為：

響應(yīng)V（t）隨簡諧激振力F（t）同為簡諧函數(shù)，分別記為，功率流表達(dá)為激振頻率ω的函數(shù)，即：

其中V*、F*為共軛復(fù)函數(shù)，記M為結(jié)構(gòu)在F作用點(diǎn)處的導(dǎo)納，則有：

若F（t）的譜密度為GFF，相應(yīng)的，GVV為響應(yīng)速度譜密度即為，互譜密度為GFV，輸入上式中則有：

假設(shè)每個(gè)設(shè)備為理想剛體，考慮每個(gè)剛體6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)，其中第i個(gè)設(shè)備的質(zhì)心速度即表示為：

則有機(jī)械振源激勵(lì)質(zhì)心[ ]Qci：

其中第J（J=1，2，3，4）個(gè)隔振器上、下端的速度和作用力表示為：

由牛頓第三定律及胡可定律可得隔振器物理方程為：

得機(jī)組與筏體的動(dòng)力傳遞方程分別為：

由剛體運(yùn)動(dòng)定律得：

列出耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

圖3 功率流在機(jī)組、筏架、臺(tái)基面上的傳遞

圖4 筏架重量與輸出功率流的關(guān)系

圖5 上隔振剛度與輸出功率流的關(guān)系

圖6 下隔振剛度與輸出功率流的關(guān)系

設(shè)由振源輸入第i臺(tái)機(jī)器的時(shí)間平均功率流為：

通過上層第i臺(tái)機(jī)器第j個(gè)隔振器輸入筏架的時(shí)間平均功率流：

通過下層第l個(gè)隔振器輸入基礎(chǔ)的時(shí)間平均功率流：

3 計(jì)算機(jī)仿真

將前述數(shù)據(jù)及推導(dǎo)公式，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行仿真，得到隔振系統(tǒng)的功率輸出特性如以下結(jié)果所示，同時(shí)，也獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)與功率輸出流之間的關(guān)系，如圖3—8所示。

如圖3 所示，基礎(chǔ)出現(xiàn)多次波峰波谷，而水泵機(jī)組的傳遞功率流圖曲線最為平穩(wěn)，隔振筏架處于中間狀態(tài)，柔性基礎(chǔ)頻率超過一階固有頻率后出現(xiàn)多次波峰，而在剛性隔振理論中，當(dāng)其超過一階固有頻率后則會(huì)呈對(duì)數(shù)下降，此為剛性隔振理論不適合高頻隔振實(shí)踐的原因之一。如圖4 所示筏架質(zhì)量對(duì)固有頻率的影響不大，尤其是中高階固有頻率。如圖5—6 所示，隔振器剛度的減小會(huì)增強(qiáng)隔振效果，且下層隔振器的變化影響明顯強(qiáng)過上層的變化影響，不過在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意必要強(qiáng)度要求。如圖7—8 所示，隔振器阻尼對(duì)傳遞功率流的影響不大，但是從整體上來看，隔振器阻尼的增大有利于消耗激振力，增強(qiáng)隔振性能。

圖7 上隔振阻尼因素與輸出功率流的關(guān)系

圖8 下隔振阻尼因素與輸出功率流的關(guān)系

4 結(jié)語

本文通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)功率傳遞流的影響，繪制了相應(yīng)的功率流曲線，并對(duì)相應(yīng)的功率流曲線進(jìn)行分析，從中可以得到以下結(jié)論：（1）筏架雙層隔振系統(tǒng)能夠有效地控制高頻振源的功率流傳遞，且適當(dāng)?shù)奶岣叻ぜ艿馁|(zhì)量可以發(fā)揮更好的隔振效果，然而筏架雙層隔振系統(tǒng)對(duì)低頻振源的控制并不理想。（2）隔振器剛度的減小有利于提高浮筏雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果，且下層隔振器的參數(shù)改變影響效果大于上層隔振器參數(shù)改變的影響效果。（3）隔振器阻尼的改變可以影響中低階共振峰的功率流傳遞，彈簧阻尼的增加可以整體提高筏體雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。