一種改進(jìn)的氣囊隔振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

李步云， 帥長(zhǎng)庚， 楊兆豪

(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)

動(dòng)力機(jī)械產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)船船的安全性與隱身性造成了嚴(yán)重的威脅[1]。

隔振是最常用的減振降噪的手段。氣囊隔振裝置廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力裝置減隔振中，取得了良好的減振降噪的效果[2]。目前，針對(duì)如何進(jìn)一步提升氣囊隔振裝置隔振效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。Lü等[3-7]設(shè)計(jì)了雙層隔振裝置，如橡膠-氣囊雙層隔振裝置、氣囊-氣囊雙層隔振裝置，并進(jìn)行姿態(tài)控制算法的研究，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)隔振效果。He等[8-9]針對(duì)大功率推進(jìn)電機(jī)，提出了具有對(duì)中控制能力的新型氣囊隔振裝置。李正民等[10-12]針對(duì)推進(jìn)軸系，研究提出優(yōu)化的氣囊隔振系統(tǒng)布置形式。Li等[13-15]提出了將主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于隔振系統(tǒng)中，用于提升隔振系統(tǒng)隔振能力。金著等[16-18]通過(guò)隔振元器件出發(fā)，研究提升氣囊的自身性能，從而提升系統(tǒng)的隔振能力。計(jì)方等[19-20]通過(guò)研究設(shè)備安裝工藝等提升整體減振降噪水平。

然而，目前針對(duì)氣囊隔振裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大多結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，或涉及控制系統(tǒng)。針對(duì)優(yōu)化元器件自身性質(zhì)的研究也存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：一是隔振器的最低固有頻率有物理限制；二是隨著隔振器固有頻率的降低，隔振器會(huì)產(chǎn)生較大的靜變形，這會(huì)減低隔振系統(tǒng)在搖擺、傾斜等工況的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述情況，本文從隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，提出一種優(yōu)化的氣囊隔振裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步提升隔振裝置的隔振效果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在保證了氣囊隔振裝置的靜承載能力不變情況下，實(shí)現(xiàn)剛度的大幅降低。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原氣囊隔振裝置由垂向氣囊，側(cè)向氣囊與載重平臺(tái)組成。基于原裝置改進(jìn)后的氣囊隔振裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中：筏架用于承載重物；側(cè)向氣囊隔振器用于提高系統(tǒng)在搖擺等工況的穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)側(cè)向隔振；垂向氣囊隔振器用于支撐載重，實(shí)現(xiàn)垂向隔振。

1.筏架; 2.側(cè)向氣囊隔振器; 3.垂向氣囊隔振器;4.引進(jìn)的萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)。圖1 改進(jìn)后的氣囊隔振裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 The improved structure of air spring vibration isolation system

該結(jié)構(gòu)相比于原氣囊隔振裝置而言，增加了萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的引入不會(huì)影響系統(tǒng)的靜承載能力，保證了隔振系統(tǒng)在搖擺等工況下的穩(wěn)定性，如避免了筏架在搖擺等工況下直接與船體發(fā)生碰撞，但大幅降低了系統(tǒng)在垂向的剛度，提升了系統(tǒng)隔振效果。

2 力學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化分析，將新系統(tǒng)視為單自由度隔振系統(tǒng)。同時(shí)假設(shè)僅有一個(gè)垂向氣囊隔振器支撐載重平臺(tái)，在載重平臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)側(cè)向氣囊隔振器，側(cè)向氣囊隔振器通過(guò)連桿-萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)與載重平臺(tái)連接，其中連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，氣囊的安裝高度均為h。簡(jiǎn)化的力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的力學(xué)模型Fig.2 The simplified mechanical model

2.1 靜力學(xué)特性

當(dāng)載重平臺(tái)受靜力Pe作用時(shí)，垂向氣囊隔振器產(chǎn)生垂向壓縮。萬(wàn)向節(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。側(cè)向氣囊隔振器產(chǎn)生沿上蓋板的膨脹變形、橫向剪切變形以及轉(zhuǎn)動(dòng)變形。該系統(tǒng)靜力學(xué)分析模型，如圖3所示。

圖3 靜力學(xué)分析模型Fig.3 Static analysis model

在小位移情況下，可以假設(shè)氣囊的垂向回復(fù)力和橫向回復(fù)力為變形的一次函數(shù)，則垂向氣囊回復(fù)力為

Fvv=kvvx+Fvv0

(1)

式中：kvv為氣囊的垂向剛度；Fvv0為垂向氣囊初始力，與載重大小相同；x為垂向氣囊的垂向變形。

側(cè)向氣囊在3個(gè)方向的回復(fù)力為

{Fv=-kvdv+Fv0
Fh=khdh
M=kθθ

(2)

式中:dv，dh，θ分別為垂直于氣囊上蓋板的位移，沿著氣囊上蓋板的位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度；kv，kh，kθ分別為側(cè)向氣囊的垂向剛度、橫向剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；Fv0為氣囊初始力。

由幾何關(guān)系可知

(3)

(4)

新系統(tǒng)的回復(fù)力可以表示為

Fr=Fvv+2(Fhcosθ-Fvsinθ)-mg

(5)

(6)

無(wú)量綱參數(shù)μ1，μ2對(duì)系統(tǒng)的影響如圖4所示。由圖4可知：系統(tǒng)基本可以近似為一個(gè)線性系統(tǒng)，且隨著無(wú)量綱參數(shù)μ1的增大，系統(tǒng)的回復(fù)力曲線變陡，剛度增大。無(wú)量綱參數(shù)μ2對(duì)系統(tǒng)的影響則相反。因此，較小的μ1和較大的μ2可以使得系統(tǒng)剛度更低。

圖4 無(wú)量綱參數(shù)對(duì)系統(tǒng)靜力學(xué)特性的影響Fig.4 The influence of non-dimensional parameters on static characteristics

新系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處的剛度可由式(6)計(jì)算得

(7)

無(wú)量綱參數(shù)μ1和μ2對(duì)平衡點(diǎn)處的剛度影響，如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)μ2<0.25時(shí)，系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處的剛度急劇增大。μ2代表側(cè)向氣囊橫垂剛度比的倒數(shù)，說(shuō)明側(cè)向氣囊的橫垂剛度比應(yīng)當(dāng)小于4，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的剛度更低。當(dāng)μ2>0.25時(shí)，平衡點(diǎn)處的剛度隨μ1的減小和μ2的增大而變小。

圖5 無(wú)量綱參數(shù)對(duì)系統(tǒng)平衡點(diǎn)處剛度的影響Fig.5 The influence of non-dimensional parameters on stiffness of the system at the equilibrium point

2.2 動(dòng)力學(xué)特性

由于新系統(tǒng)可以近似看為一個(gè)線性系統(tǒng)，因此，當(dāng)受簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí)，該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可以視為

(8)

(9)

改進(jìn)后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)力傳遞率和起始減振頻率的比較，如圖6和圖7所示。由圖6、圖7可知：新系統(tǒng)的傳遞率曲線靠左，且新系統(tǒng)起始隔振頻率遠(yuǎn)低于原隔振系統(tǒng)，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地提升了系統(tǒng)地隔振效果。較小的μ1和較大的μ2可以使得系統(tǒng)傳遞率曲線向左偏移，起始隔振頻率更低，隔振效果更好，與靜力學(xué)分析結(jié)果相符。

圖6 原裝置與新裝置力傳遞率比較Fig.6 The force transmissibility comparison between the original system and the improved system

圖7 原裝置與新裝置減振頻率比較Fig.7 The frequency of vibration isolation comparison between the original system and the improved system

3 原理樣機(jī)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)原理樣機(jī)，如圖8所示。垂向氣囊垂直安裝，支撐載重平臺(tái)。側(cè)向氣囊對(duì)稱安裝，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與載重平臺(tái)連接，見(jiàn)圖8(a)。萬(wàn)向節(jié)與連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖8(b)，可以通過(guò)改變?nèi)f向節(jié)頭的安裝位置，如靠近氣囊安裝或靠近筏架安裝改變系統(tǒng)參數(shù)μ1。無(wú)量綱參數(shù)μ2代表氣囊橫垂剛度比的倒數(shù)，當(dāng)氣囊型號(hào)選定時(shí)，μ2變化不大。

試驗(yàn)在MTS-Landmark-370-50機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由MTS軟件程序記錄。試驗(yàn)步驟如下：①將樣機(jī)安裝在機(jī)器上打開(kāi)壓縮機(jī)充入少量氣體，檢查氣密性；②開(kāi)始試驗(yàn)，垂向氣囊與側(cè)向氣囊氣壓設(shè)置如表1所示填充，以改變系統(tǒng)參數(shù)。壓縮位移設(shè)定為±4 mm，壓縮速度為0.1 mm/s。

試驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示。由圖9可知：新隔振系統(tǒng)可以近似為一個(gè)線性系統(tǒng)，而原隔振系統(tǒng)在大位移情況下表現(xiàn)出了強(qiáng)非線性，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性(特別是在大位移時(shí))。隨著側(cè)向氣囊壓力的增大，新系統(tǒng)保持著良好的線性特性，而原系統(tǒng)的非線性特性不變。在平衡點(diǎn)附近，新系統(tǒng)回復(fù)力曲線明顯比原系統(tǒng)回復(fù)力曲線要平緩，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)的剛度。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)μ1較小時(shí)，系統(tǒng)回復(fù)力曲線更平緩，系統(tǒng)剛度更低，這與理論分析結(jié)果相符。

圖8 原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The structure of the prototype

表1 氣囊氣壓設(shè)定Tab.1 The parameters for airsprings

圖9 試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 The test results

不同側(cè)向氣囊氣壓下，新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的測(cè)試得到的剛度對(duì)比，如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)在垂直方向剛度最大可下降了75%。當(dāng)μ1=0.1時(shí)，隨著側(cè)向氣囊壓力的增大，系統(tǒng)剛度降低的程度越大。當(dāng)μ1=1.0時(shí)，隨著側(cè)向氣囊壓力的增大，系統(tǒng)剛度降低的程度略微減少。該測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在初始平衡狀態(tài)時(shí)(萬(wàn)向節(jié)處于水平位置，不發(fā)生偏轉(zhuǎn))改進(jìn)后的系統(tǒng)承載能力與原系統(tǒng)相同，但剛度可以大幅下降，提升了系統(tǒng)的隔振性能。

表2 剛度比較Tab.2 The comparison of stiffness

4 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)的氣囊隔振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法能夠在保證系統(tǒng)靜承載不變情況下，大幅降低系統(tǒng)的剛度，提升隔振系統(tǒng)的隔振性能。本文建立了新系統(tǒng)簡(jiǎn)化的單自由度力學(xué)模型，分別進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性的分析。分析結(jié)果表明，新系統(tǒng)可以近似為一個(gè)線性系統(tǒng)，其隔振性能優(yōu)于原氣囊隔振裝置。設(shè)計(jì)和制造了新系統(tǒng)原理樣機(jī)，并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)剛度可降低75%。