基于彈性氣囊的試驗(yàn)臺(tái)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉景云,劉家余,劉培培，趙鈺

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第705研究所， 陜西西安 710077)

0 前言

魚(yú)雷熱動(dòng)力裝置主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒室以及各類(lèi)泵閥的能源控制與供應(yīng)系統(tǒng)組成，各組部件在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，甚至引起故障。因此，通過(guò)試驗(yàn)研究動(dòng)力裝置各部件的工作狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)減振降噪的有效途徑。振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)能夠?yàn)樵撛囼?yàn)研究提供試驗(yàn)條件。

為模擬動(dòng)力裝置的真實(shí)工作狀態(tài)，采用電機(jī)拖動(dòng)動(dòng)力裝置在冷態(tài)條件下運(yùn)行，以便于進(jìn)行動(dòng)力裝置的振動(dòng)源分離、振動(dòng)評(píng)估、振動(dòng)控制等研究。同時(shí)，為隔離電機(jī)等試驗(yàn)環(huán)境對(duì)動(dòng)力裝置的振動(dòng)傳遞，需要采取一定的有效隔振措施。隔振氣囊廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，如汽車(chē)空氣彈簧懸架系統(tǒng)、各類(lèi)精密試驗(yàn)平臺(tái)的振動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)對(duì)氣囊進(jìn)行有限元分析來(lái)獲取其固有頻率等屬性。然而，氣囊本身剛度特性取決于室內(nèi)有效面積、初始充氣壓力等關(guān)鍵因素，其靜態(tài)剛度計(jì)算相對(duì)較容易。對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)隔振氣囊，在實(shí)際振動(dòng)環(huán)境下其剛度特性時(shí)刻在變化，不同的振動(dòng)方向或工作時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)出不同的剛度特性，僅依靠理論計(jì)算和仿真分析很難精確評(píng)估其振動(dòng)特性，因此需要在實(shí)際工況下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保其安全性和振動(dòng)特性滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

針對(duì)動(dòng)力裝置的振動(dòng)激勵(lì)途徑，設(shè)計(jì)一種基于隔振氣囊的振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)彈性支撐系統(tǒng),對(duì)氣囊剛度和固有頻率等技術(shù)特征進(jìn)行分析和安全性校核，驗(yàn)證基于實(shí)際運(yùn)行工況下支撐系統(tǒng)的隔振性能，在充分保障試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行可靠性和安全性的前提下有效阻斷環(huán)境振動(dòng)的傳遞途徑。

1 彈性支撐系統(tǒng)功能及組成

振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵組成部分是基于隔振氣囊的彈性支撐系統(tǒng)，其主要功能在于有效隔離環(huán)境振動(dòng)對(duì)被試產(chǎn)品的振動(dòng)影響，創(chuàng)造一個(gè)良好的振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境。彈性支撐系統(tǒng)由安裝平臺(tái)、支架、氣囊和托架四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。4個(gè)相互獨(dú)立的支架固定在安裝平臺(tái)上，氣囊的上、下底板分別與支架和托架連接，托架用于圓柱形被試產(chǎn)品的固定安裝。試驗(yàn)前，向前后左右4個(gè)氣囊中充入低壓氣體，再將產(chǎn)品放入托架，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的彈性支撐。

圖1 彈性支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)承載質(zhì)量范圍大。采用4個(gè)氣囊相互獨(dú)立支撐，通過(guò)調(diào)節(jié)不同氣囊的氣壓，可滿(mǎn)足動(dòng)力裝置在不同配置情況下的質(zhì)心變化；

(2)支撐系統(tǒng)可以在垂直于安裝平臺(tái)方向上調(diào)整產(chǎn)品高度，底部為產(chǎn)品外接潤(rùn)滑、冷卻管路預(yù)留操作空間；

(3)寬頻率范圍與地基隔振。針對(duì)圓柱形動(dòng)力裝置，托架設(shè)計(jì)為帶有彈性橡膠內(nèi)襯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在能夠穩(wěn)定緊固動(dòng)力裝置的同時(shí)又能減少臺(tái)架對(duì)動(dòng)力裝置的振動(dòng)測(cè)試頻譜產(chǎn)生干擾，實(shí)現(xiàn)被試產(chǎn)品的精密測(cè)量；

(4)方便調(diào)節(jié)氣動(dòng)元器件的承載質(zhì)量和剛度。通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部的充氣壓力來(lái)改變氣囊的剛度，從而調(diào)節(jié)彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率；

(5)可以通過(guò)調(diào)節(jié)支架高度和氣囊內(nèi)部壓力實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)的調(diào)平，以及實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)電機(jī)主軸和動(dòng)力裝置輸出軸的對(duì)中，減小動(dòng)力裝置在試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的擾動(dòng)。

隔振氣囊是一種由橡膠布簾構(gòu)成的彈性支撐結(jié)構(gòu)，橡膠氣囊和上下蓋板組成密閉氣室，可將空氣封于囊內(nèi)，對(duì)該密閉氣室充入壓縮空氣，通過(guò)橡膠容積的變形實(shí)現(xiàn)空氣的壓縮。因此，它具有不同于金屬?gòu)椈傻姆蔷€(xiàn)性特性，具有非常好的吸收高頻振動(dòng)和降噪的性能。

該試驗(yàn)臺(tái)架的彈性支撐系統(tǒng)擬采用4個(gè)并聯(lián)的單曲囊式氣囊，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單曲囊式氣囊

根據(jù)承載力的大小，選用JB130084-1型單曲囊式隔振氣囊，相關(guān)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單曲囊式氣囊尺寸參數(shù) 單位:mm

2 彈性支撐系統(tǒng)技術(shù)特性分析

彈性支撐系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)產(chǎn)品的安裝，另一方面有效隔離環(huán)境振動(dòng)對(duì)被試產(chǎn)品振動(dòng)的影響。而以氣囊為主的彈性支撐系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的安全性起決定性作用，因此，分析隔振氣囊的振動(dòng)特性對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的安全性分析至關(guān)重要。

2.1 隔振氣囊的剛度特性分析

隔振氣囊的剛度和大多數(shù)普通彈簧不同，它不是恒定參數(shù)，而是由設(shè)計(jì)高度得來(lái)的有效面積、體積、壓力的變化函數(shù)。研究表明，影響氣囊剛度的主要因素有氣囊初始?jí)毫?、有效面積變化率等因素。氣囊的剛度、承載能力大致與內(nèi)壓成正比，因此可以根據(jù)需要降低氣壓來(lái)選擇較低的剛度。對(duì)于尺寸既定的成形氣囊，剛度是隨載荷的改變而變化的，因而在任何載荷下自振頻率幾乎不變。

設(shè)隔振氣囊密閉氣室填充的是理想氣體，氣囊在垂直方向上承受載荷，對(duì)應(yīng)氣室內(nèi)的絕對(duì)氣壓為、外部大氣壓為，則有以下關(guān)系式：

=(-)

(1)

==const

(2)

式中：為氣囊的有效承壓面積；為與氣體流動(dòng)速度相關(guān)的指數(shù)，氣體流動(dòng)速度極緩時(shí)接近于等溫過(guò)程，取1，氣體流動(dòng)速度較快時(shí)可理想化為絕熱過(guò)程，取1.4，而通常情況下取1.33；、分別為氣囊處于靜平衡位置時(shí)內(nèi)部氣體的絕對(duì)壓力和容積。

由式(1)、式(2)可得：

=(-)

(3)

對(duì)式(3)求導(dǎo)，可得氣囊在垂直方向因受力產(chǎn)生微位移的剛度公式：

(4)

由式(4)可知有效面積變化率d/d和容積變化率d/d是決定氣囊剛度的主要因素。文獻(xiàn)[13]采用試驗(yàn)手段驗(yàn)證了通過(guò)增加附加氣室來(lái)改變?nèi)莘e變化率會(huì)降低氣囊的剛度。

(5)

由此可知，有效面積變化率對(duì)彈簧的剛度有決定性影響；氣囊的初始容積越大，彈簧剛度就越低。根據(jù)在靜平衡位置時(shí)氣囊的剛度表達(dá)式，可得此時(shí)氣囊的振動(dòng)頻率為

(6)

式中：為重力加速度。

由上式可知，振動(dòng)頻率與氣囊的初始充氣壓力有關(guān)，壓力越高振動(dòng)頻率越高，但當(dāng)初始充氣壓力很高時(shí)，對(duì)頻率的影響不明顯。研究結(jié)果表明，雖然氣囊的固有頻率隨著氣囊內(nèi)部氣體絕對(duì)壓力的變化而變化，但變化幅度非常小。此外，振動(dòng)頻率與氣囊的有效面積變化率有關(guān)，變化率越小振動(dòng)頻率就越低。

2.2 隔振氣囊剛度特性分析

(7)

(8)

其中:為產(chǎn)品質(zhì)量；為固定裝置(卡箍)的質(zhì)量。

因此，求得=1.18×10Pa。

氣囊的壓力安全范圍設(shè)定為不超過(guò)工作壓力的50%，即振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)選用的氣囊工作壓力的安全閾值為：=(1+50)=1.77×10Pa。

d/d為有效直徑變化率,對(duì)于單曲囊式氣囊，一般取0.2。

因此，根據(jù)剛度計(jì)算公式,得=17 634 N/m。

2.3 彈性支撐系統(tǒng)安全性校核

由于氣囊剛度已確定，可以計(jì)算出彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率。設(shè)單個(gè)氣囊的剛度為，則4個(gè)氣囊的總剛度為=4。

以某型動(dòng)力裝置為例，有公式(9)：

(9)

其中：為固有頻率;為承載力。

滿(mǎn)足彈性支撐系統(tǒng)固有頻率低于電機(jī)主軸的1/2基頻的設(shè)計(jì)要求。

隔振氣囊本身非常柔軟，容易產(chǎn)生偏移，因此，除了考慮氣囊本身固有頻率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求以外，應(yīng)保證裝置的穩(wěn)定性。將隔振氣囊裝置應(yīng)用于振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)，能大幅度衰減試驗(yàn)臺(tái)架及環(huán)境振動(dòng)向被試產(chǎn)品的傳遞，但是被試產(chǎn)品在被拖動(dòng)過(guò)程中各種對(duì)中擾動(dòng)會(huì)增加電機(jī)主軸的不對(duì)中量，因此需要保證電機(jī)主軸與產(chǎn)品軸系的適配性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某型動(dòng)力裝置為被試對(duì)象，將它通過(guò)托架固定在彈性支撐系統(tǒng)上，對(duì)彈性支撐系統(tǒng)的安全性和隔振效果進(jìn)行測(cè)試。采用單點(diǎn)力錘激振方式，選擇氣囊支架的某點(diǎn)進(jìn)行錘擊，獲取同等激勵(lì)條件下不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。LMS動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)信號(hào)采集器與力傳感器的參考信號(hào)一同輸入到LMS Test.lab模態(tài)分析軟件中進(jìn)行波形存儲(chǔ)和分析，獲取葉輪的固有頻率和模態(tài)振型。

3.1 彈性支撐系統(tǒng)固有頻率測(cè)試

理論研究表明，影響氣囊剛度的主要因素為氣囊初始?jí)毫陀行娣e變化率。然而，對(duì)于型號(hào)固定的氣囊產(chǎn)品，其有效面積變化率不會(huì)改變，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊的初始內(nèi)壓來(lái)調(diào)節(jié)氣囊的剛度，從而改變彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率。

為探索氣囊初始內(nèi)壓與彈性支撐系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系，分別給氣囊提供5種不同初始充氣壓力，在氣囊上蓋板處固定加速度傳感器，檢測(cè)不同初始?jí)毫ο聫椥灾蜗到y(tǒng)的固有頻率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同初始?jí)毫?下固有頻率

由圖3可知：彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率與氣囊的初始充氣壓力有關(guān)，壓力越高固有頻率越高，但當(dāng)初始充氣壓力增加到一定值時(shí)，固有頻率的變化不大。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。因此，該彈性支撐系統(tǒng)在選擇氣囊初始?jí)毫r(shí)，應(yīng)能確保將被試產(chǎn)品支撐起來(lái)，在此基礎(chǔ)上盡可能選擇較低的初始充氣壓力，即選擇較低的固有頻率。

3.2 彈性支撐系統(tǒng)隔振效果測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證彈性支撐系統(tǒng)的隔振效果，對(duì)該系統(tǒng)在同等激勵(lì)力條件下隔振前后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估隔振前后振動(dòng)特性。

如圖4所示，在彈性氣囊上下蓋板處分別布置加速度傳感器，通過(guò)錘擊法錘擊支撐系統(tǒng)下部，使支撐系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)力，獲取同等激勵(lì)條件下彈性氣囊上下蓋板測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，如圖5所示。

圖4 氣囊隔振效果測(cè)試 圖5 不同測(cè)點(diǎn)的頻響曲線(xiàn)

由圖5可知：未經(jīng)隔振氣囊減振的下蓋板測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值高，1階固有頻率為11.3 Hz，非常接近于電機(jī)主軸的1/2基頻，存在發(fā)生共振的安全隱患；而經(jīng)過(guò)隔振氣囊減振的上蓋板測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值相對(duì)較低，1階固有頻率為6.8 Hz。由此可知，隔振氣囊一方面能夠降低彈性支撐系統(tǒng)在電機(jī)主軸拖動(dòng)激勵(lì)力下發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面在一定程度上阻礙了試驗(yàn)臺(tái)架產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞，為被試產(chǎn)品固有振動(dòng)特性的測(cè)量提供了良好的條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者從有效抑制振動(dòng)傳遞途徑的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于隔振氣囊的振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)彈性支撐系統(tǒng)，分析了彈性支撐系統(tǒng)的技術(shù)特性并對(duì)其進(jìn)行了安全校核，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了彈性支撐系統(tǒng)的振動(dòng)特性和減振效果。結(jié)果表明：隔振氣囊的固有頻率隨內(nèi)壓升高呈非線(xiàn)性增大，在工程中應(yīng)盡量通過(guò)選擇較低內(nèi)壓來(lái)選擇較低的剛度，從而降低支撐系統(tǒng)的固有頻率；所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架彈性支撐系統(tǒng)的固有頻率不超過(guò)主軸的1/2基頻，滿(mǎn)足振動(dòng)源分離試驗(yàn)臺(tái)隔振需求，為基于隔振氣囊的試驗(yàn)臺(tái)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。