機(jī)械設(shè)備輕量化中間質(zhì)量雙層隔振技術(shù)研究

邱元燃，徐 偉，胡澤超，付俊強(qiáng)

（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）

0 引 言

雙層隔振系統(tǒng)是一種有效降低中高頻振動(dòng)的隔振措施。當(dāng)前大型機(jī)械設(shè)備多采用整體框架式中間質(zhì)量的雙層（或浮筏）隔振裝置以降低振動(dòng)傳遞。在一般工程應(yīng)用中，中間質(zhì)量通常約為設(shè)備質(zhì)量的30%，甚至更大[1-4]。

在某些應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)機(jī)械設(shè)備隔振裝置設(shè)計(jì)既提出了高隔振指標(biāo)，又對(duì)其重量、結(jié)構(gòu)尺寸提出了嚴(yán)格限制。若采用目前廣泛應(yīng)用的整體框架式（以下簡(jiǎn)稱“框架式”）雙層隔振裝置結(jié)構(gòu)（如浮筏隔振裝置），則其隔振裝置質(zhì)量和安裝空間過大，且整體框架式中間質(zhì)量在中高頻段帶來較多彈性模態(tài)，使隔振效果變差，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。

一些機(jī)械設(shè)備既對(duì)隔振效果提出了高指標(biāo)，又對(duì)隔振裝置的重量、空間設(shè)置了嚴(yán)格要求，以滿足其適裝性的需求。針對(duì)此類設(shè)備的隔振難題，本文提出將上、下隔振器通過與剛性質(zhì)量塊相連接的緊湊型結(jié)構(gòu)形式的輕量化雙層隔振單元（如圖1 所示），并通過多個(gè)隔振單元按一定原則分布構(gòu)成的多輕量化中間質(zhì)量雙層隔振系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“輕量化雙層隔振系統(tǒng)”）來支撐機(jī)械設(shè)備，達(dá)到高效隔振、減輕中間質(zhì)量目的的輕量化隔振技術(shù)。

圖1 輕量化雙層隔振單元Fig.1 Lightweight two-stage mounting unit

輕量化隔振技術(shù)兼具重量輕、尺寸小、布置方式靈活和隔振性能好的特點(diǎn)，已在國外先進(jìn)艦船的柴發(fā)機(jī)組上應(yīng)用，如澳大利亞Collins 級(jí)潛艇及美國某公司的海洋測(cè)量船Bigelow 號(hào)，據(jù)公開資料披露[5]，該隔振方式能達(dá)到較好的隔振效果，如表1所示。但國內(nèi)尚未見應(yīng)用，因此亟須開展相關(guān)技術(shù)研究。

表1 國外相關(guān)類似隔振方案對(duì)比Tab.1 Comparison of similar mounting schemes abroad

本文以輕量化雙層隔振系統(tǒng)為研究對(duì)象，開展隔振機(jī)理研究，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，主要研究?jī)?nèi)容為輕量化雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)與其隔振效果之間的關(guān)系，特別是中間質(zhì)量的大小與結(jié)構(gòu)形式對(duì)振動(dòng)傳遞的影響，力求設(shè)計(jì)出滿足隔振指標(biāo)、穩(wěn)定性等要求且中間質(zhì)量盡可能小的隔振方案。鑒于當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)框架式與輕量化雙層隔振系統(tǒng)的性能對(duì)比研究較少，在本文中對(duì)兩種隔振系統(tǒng)開展了相應(yīng)的定性定量研究，可彌補(bǔ)在這一研究領(lǐng)域的不足。伴隨著機(jī)械設(shè)備大型化、高能化、高速化的發(fā)展趨勢(shì)，輕量化隔振技術(shù)運(yùn)用前景廣闊，通過本文的研究可指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 輕量化雙層隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性研究

1.1 輕量化雙層隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

輕量化雙層隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。輕量化隔振單元的中間質(zhì)量為方形質(zhì)量塊，具有剛性好、一階固有頻率高的特點(diǎn)，可將振源設(shè)備、中間質(zhì)量簡(jiǎn)化為具有單自由度的集中質(zhì)量塊。將隔振器簡(jiǎn)化為具有剛度k和阻尼c的彈簧，F(xiàn)、V是振源設(shè)備產(chǎn)生的激勵(lì)力和速度，F(xiàn)'、V'是傳遞至基礎(chǔ)的力和速度，只研究隔振系統(tǒng)垂向的振動(dòng)。使用四端參數(shù)法解析該隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué) 特 性，為 了 簡(jiǎn) 化 計(jì) 算，令k1=k2，k3=k4，c1=c2，c3=c4，M1=M2。

圖2 輕量化雙層隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化解析模型Fig.2 Simplified analytical model of lightweight two-stage mounting system

利用四端參數(shù)法可得輕量化雙層隔振系統(tǒng)輸入端和輸出端的關(guān)系，如式（1）所示[6-8]：

式中，B11、B12、B21、B22是振源設(shè)備、中間質(zhì)量和隔振器構(gòu)成的輕量化雙層隔振系統(tǒng)的四端參數(shù)矩陣元素：

不安裝隔振器的情況下，基礎(chǔ)響應(yīng)表達(dá)式為

式中，ZF是基礎(chǔ)的機(jī)械阻抗。

聯(lián)合式（1）～（2）可推導(dǎo)得該隔振系統(tǒng)的速度振級(jí)落差LD為

1.2 框架式雙層隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)中間質(zhì)量剛性不足時(shí)，構(gòu)件表現(xiàn)出“柔性”特征，是具有分布質(zhì)量的彈性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)能量以結(jié)構(gòu)聲波的形式在隔振系統(tǒng)中傳播，將其簡(jiǎn)化為剛體不能較好模擬系統(tǒng)的傳遞特征[9]。如運(yùn)用于某型艦船的大型浮筏，尺寸約為14 m×5 m×1 m，重量受總體限制不能過大，導(dǎo)致其一階固有頻率低至十幾赫茲，與機(jī)械設(shè)備激勵(lì)頻率接近，極容易激起筏架的低頻共振。為模擬中間質(zhì)量的質(zhì)量和彈性的分布特性，采用簡(jiǎn)支梁、固支梁結(jié)構(gòu)模擬框架式中間質(zhì)量。

框架式雙層隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化理論解析模型如圖3 所示，對(duì)于振源設(shè)備傳遞至上層隔振器的路徑運(yùn)用阻抗/導(dǎo)納綜合法得[10]：

圖3 框架式雙層隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化解析模型Fig.3 Simplified analytical model of frame structure two-stage mounting system

不同邊界條件下，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位于均勻梁中點(diǎn)時(shí)，梁的原點(diǎn)導(dǎo)納矩陣表達(dá)式如下所示。

1.3 兩種系統(tǒng)的對(duì)比分析

將框架式與輕量化雙層隔振系統(tǒng)解析模型進(jìn)行對(duì)比，選定梁合適的參數(shù)令整體框架式中間質(zhì)量與輕量化中間質(zhì)量保持相等，其余參數(shù)相同，分別計(jì)算隔振效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 隔振效果對(duì)比Fig.4 Vibration isolation efficiency(VIE)

計(jì)算得框架式、輕量化隔振系統(tǒng)寬頻帶（1～100 Hz）總振級(jí)如表2所示。

表2 總振級(jí)對(duì)比Tab.2 Comparison of total vibration level

結(jié)果表明：（1）采用梁模型模擬整體框架式中間質(zhì)量后，框架式雙層隔振系統(tǒng)比輕量化雙層隔振系統(tǒng)出現(xiàn)了更多的共振與反共振峰；（2）在同等質(zhì)量下，不管是固支還是簡(jiǎn)支的邊界條件，輕量化雙層隔振系統(tǒng)隔振效果明顯好于框架式雙層隔振系統(tǒng)。輕量化中間質(zhì)量塊質(zhì)量降為50 kg×2，輕量化雙層隔振系統(tǒng)隔振效果仍優(yōu)于框架式雙層隔振系統(tǒng)。由以上理論分析可知：同等中間質(zhì)量大小的輕量化雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果與框架式雙層隔振系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)明顯，采用較小的中間質(zhì)量便可獲得與大整體框架式中間質(zhì)量的隔振系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母粽裥Ч?，從而為輕量化雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了定性理論依據(jù)。

1.4 輕量化雙層隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

如何通過優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的隔振效果，使隔振裝置占用較小的重量與體積是輕量化雙層隔振技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

本節(jié)探究了上、下隔振器剛度大小、剛度配置和中間質(zhì)量大小對(duì)隔振效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隔振系統(tǒng)的傳遞特性影響Fig.5 Influence of design parameters on the transmission characteristics of mounting system

根據(jù)上述對(duì)輕量化雙層隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性和隔振性能的分析，可得到以下關(guān)于輕量化雙層隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則：（1）僅從隔振效果的角度考慮，雙層隔振系統(tǒng)的上、下層隔振器的剛度應(yīng)盡可能小。但雙層隔振系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際工程中時(shí)應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，避免機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生較大的位移進(jìn)而影響機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全，因此在上、下隔振器的剛度選擇上應(yīng)兼顧穩(wěn)定性，選擇適中的隔振器剛度。其中一個(gè)折中方案是上、下層隔振器分別采用較硬和較軟的隔振器。算例分析結(jié)果表明，折中方案仍可獲得較好的隔振效果。進(jìn)一步分析表明，采用“上硬下軟”的隔振器配置方案的隔振效果略優(yōu)于“上軟下硬”的方案。（2）對(duì)于輕量化雙層隔振系統(tǒng)，增加中間質(zhì)量有利于提高系統(tǒng)的隔振效果，但不建議大幅增加中間質(zhì)量，有限幅度增加中間質(zhì)量通常不會(huì)大幅增加其剛性，因此難以較大幅度提高系統(tǒng)隔振效果。

2 輕量化隔振系統(tǒng)性能分析

2.1 輕量化雙層隔振系統(tǒng)

為深入理解輕量化雙層隔振系統(tǒng)的降噪機(jī)理，為隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供定量化設(shè)計(jì)參考，在有限元軟件Abaqus中建立簡(jiǎn)化的輕量化雙層隔振系統(tǒng)數(shù)值分析模型，如圖6所示，定量研究隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的特征，用具有三向剛度和阻尼的Cartesian線性彈簧模擬隔振器，分別對(duì)彈簧兩端的連接部分施加六自由度耦合約束，其余部件采用實(shí)體建模。由于低頻振動(dòng)對(duì)振動(dòng)總級(jí)的貢獻(xiàn)量最大，因此將系統(tǒng)建模分析重點(diǎn)集中在低頻方面。

圖6 輕量化雙層隔振系統(tǒng)數(shù)值分析模型Fig.6 Numerical analysis model of lightweight two-stage mounting system

對(duì)輕量化雙層隔振系統(tǒng)數(shù)值分析模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，頻率分析范圍為1～100 Hz。通過在中間質(zhì)量附加質(zhì)量塊，研究垂向單位力激勵(lì)下不同中間質(zhì)量大小對(duì)輕量化雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，以力傳遞率為隔振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。分別在中間質(zhì)量塊上附加40 kg、80 kg、120 kg、160 kg、200 kg 和240 kg質(zhì)量塊后系統(tǒng)的隔振效果如圖7所示。

圖7 中間質(zhì)量大小對(duì)輕量化系統(tǒng)隔振效果的影響Fig.7 Effect of different intermediate mass on the VIE of lightweight mounting system

結(jié)果表明：（1）在10～100 Hz范圍內(nèi)，輕量化雙層隔振系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超過30 dB 的隔振效果；（2）在1～100 Hz的激勵(lì)范圍內(nèi)，傳遞曲線未出現(xiàn)大量線譜，即多質(zhì)量塊的雙層隔振方式并未給系統(tǒng)引入過多的短板通道；（3）增加中間質(zhì)量有利于提高系統(tǒng)隔振效果。然而當(dāng)附加質(zhì)量塊增加至240 kg 時(shí)，與200 kg相比隔振效果并無明顯改善，甚至在某些頻段內(nèi)的隔振效果與附加質(zhì)量為200 kg 的系統(tǒng)相比處于劣勢(shì)，此時(shí)中間質(zhì)量大小約占上層設(shè)備總重的27.5%，增加中間質(zhì)量對(duì)隔振效果的增益出現(xiàn)邊界效益：即通過繼續(xù)增加中間質(zhì)量的方式來改善系統(tǒng)的隔振效果并不經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 與框架式雙層隔振系統(tǒng)的對(duì)比研究

建立框架式雙層隔振系統(tǒng)數(shù)值分析模型，如圖8所示，其框架式中間質(zhì)量大小為320 kg，與上層設(shè)備質(zhì)量比是20%。把數(shù)值計(jì)算得到的輕量化雙層隔振系統(tǒng)各階模態(tài)頻率及振型與框架式雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 框架式、輕量化雙層隔振系統(tǒng)模態(tài)對(duì)比Tab.3 Modals comparison of two systems

圖8 整體框架式雙層隔振系統(tǒng)數(shù)值分析模型Fig.8 Numerical analysis model of integral two-stage mounting system

過于分散的固有頻率分布并不利于系統(tǒng)隔振，因?yàn)槿菀滓鹣到y(tǒng)的共振。由數(shù)值分析結(jié)果可知，輕量化雙層隔振系統(tǒng)前6階為系統(tǒng)的整體模態(tài)，主要振型為系統(tǒng)整體橫搖、縱搖、平搖及垂蕩。第7階后為系統(tǒng)的局部模態(tài)，主要表現(xiàn)為中間質(zhì)量模態(tài)?？蚣苁诫p層隔振系統(tǒng)前8階皆為系統(tǒng)的整體模態(tài)，且各頻率較為分散。與框架式系統(tǒng)相比，輕量化系統(tǒng)存在較多固有頻率集中的現(xiàn)象，如第1 階與第2階的固有頻率約為4 Hz，第4階與第5階的固有頻率約為7 Hz，第7～9階的固有頻率約為33 Hz，第11、12階的固有頻率約為51 Hz。因此，盡管輕量化系統(tǒng)固有頻率增加，但是分布集中，固有頻率集中分布的現(xiàn)象降低了系統(tǒng)規(guī)避機(jī)械設(shè)備激勵(lì)頻率的難度，使設(shè)計(jì)者容易通過合計(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì)避開設(shè)備的運(yùn)行激勵(lì)頻率。而且，當(dāng)激勵(lì)力的方向與振型不一致時(shí)，也不易引發(fā)共振，因此輕量化雙層隔振系統(tǒng)具有很好的可靠性。

令整體框架式的中間質(zhì)量與輕量化中間質(zhì)量之和保持一致，隔振器參數(shù)保持相同，對(duì)比框架式雙層隔振系統(tǒng)與輕量化雙層隔振系統(tǒng)在相同垂向單位力激勵(lì)下系統(tǒng)的隔振效果，結(jié)果如圖9所示。

圖9 框架式、輕量化雙層隔振系統(tǒng)隔振效果對(duì)比Fig.9 VIE comparison of two types of mounting systems predicted by FEM

由圖可知：（1）數(shù)值仿真預(yù)測(cè)趨勢(shì)與理論解析結(jié)果保持一致，即當(dāng)整體框架式與輕量化中間質(zhì)量的質(zhì)量相等時(shí)，輕量化雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果優(yōu)于框架式雙層隔振系統(tǒng)。（2）在線譜方面，由于板、梁結(jié)構(gòu)拼接成的整體框架式中間質(zhì)量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限，系統(tǒng)在低頻段內(nèi)出現(xiàn)了比輕量化系統(tǒng)更多的共振峰，導(dǎo)致整體框架式系統(tǒng)隔振效果不理想，然而輕量化中間質(zhì)量雖然增加了系統(tǒng)低頻段固有頻率的數(shù)量，但其共振峰少，可見采用該隔振形式未增加共振風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值分析的結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，再次驗(yàn)證了輕量化雙層隔振系統(tǒng)在隔振效果上的優(yōu)越性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架的建立

為驗(yàn)證理論解析與數(shù)值仿真的分析結(jié)果，搭建了輕量化和框架式雙層隔振系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，分別以激振器、電機(jī)為振源，測(cè)試輕量化、框架式隔振系統(tǒng)的低頻、高頻振動(dòng)傳遞特性。

試驗(yàn)臺(tái)架如圖10所示，由上層激振器、電機(jī)的安裝機(jī)架與模擬被隔振設(shè)備質(zhì)量的質(zhì)量塊、中間質(zhì)量塊、上層聚氨酯橡膠隔振器、下層氣囊隔振器及基礎(chǔ)組成。隔振系統(tǒng)上層通過12個(gè)固有頻率為8 Hz的聚氨酯橡膠隔振器與中間質(zhì)量相連，中間質(zhì)量通過4 個(gè)固有頻率為4 Hz 的JYQN-1000 氣囊隔振器連接，氣囊在1.5 MPa 的額定壓強(qiáng)下工作。輕量化隔振系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架中間質(zhì)量為剛性極好的鑄鐵塊，可通過增減小質(zhì)量塊來改變中間質(zhì)量的大小，調(diào)整范圍為占上層激振器、機(jī)架與質(zhì)量塊總和的10%～30%，框架式雙層隔振系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)是仿照艦船筏架設(shè)計(jì)的框架式板梁結(jié)構(gòu)。將試驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)用螺栓與T 型槽進(jìn)行固定，組成輕量化與框架式雙層隔振系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，開展隔振效果試驗(yàn)。

測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理方法按照GJB 4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》[14]執(zhí)行。

試驗(yàn)臺(tái)架上共布置14 個(gè)振動(dòng)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)：電機(jī)（或激振器）斜對(duì)機(jī)腳布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直于電機(jī)（激振器）安裝面板安裝；中間質(zhì)量上表面（即聚氨酯隔振器下安裝面）布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直于中間質(zhì)量上表面安裝；氣囊隔振器上安裝面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，基座上（即氣囊隔振器下安裝面）布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直于氣囊安裝表面。系統(tǒng)隔振效果指的是機(jī)腳到基座的加速度平均振級(jí)落差。

3.2 低頻振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)

3.2.1 激振器掃頻對(duì)比試驗(yàn)

通過增減質(zhì)量塊調(diào)整輕量化隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量大小，令其與框架式系統(tǒng)中間質(zhì)量大小相等。對(duì)輕量化、框架式試驗(yàn)臺(tái)架施加相同幅值的掃頻激勵(lì)力，掃頻范圍為1～100 Hz，本試驗(yàn)主要關(guān)注低頻隔振效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，輕量化隔振系統(tǒng)在低頻激勵(lì)下獲得超過40 dB的隔振效果。與輕量化系統(tǒng)相比，框架式系統(tǒng)在掃頻激勵(lì)下，系統(tǒng)更多的模態(tài)被激發(fā)，產(chǎn)生共振，導(dǎo)致系統(tǒng)在該頻率下隔振效果變差，因此在同等質(zhì)量條件下，輕量化系統(tǒng)的隔振效果優(yōu)于整體框架式系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論解析與數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性。

圖11 框架式、輕量化試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試隔振效果對(duì)比Fig.11 Tested vibration isolation effectiveness comparison of two types of mounting systems

3.2.2 中間質(zhì)量對(duì)低頻振動(dòng)傳遞特性的影響

本試驗(yàn)主要探究不同激勵(lì)頻率下，不同中間質(zhì)量大小對(duì)系統(tǒng)隔振效果的影響，激振器工況如表4所示，結(jié)果如圖12 所示。結(jié)果表明：增加輕量化中間質(zhì)量大小，可有效提高系統(tǒng)的隔振效果，但隨著中間質(zhì)量的不斷增加，同等隔振效果的增益需要耗費(fèi)的質(zhì)量代價(jià)增大。

圖12 不同中間質(zhì)量下的系統(tǒng)隔振效果Fig.12 VIE of system with different intermediate mass

表4 激振器工況Tab.4 Working conditions of vibration generator

3.3 高頻振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)

3.3.1 電機(jī)同轉(zhuǎn)速對(duì)比試驗(yàn)

電機(jī)高頻振動(dòng)能量集中，本試驗(yàn)主要關(guān)注高頻隔振效果，在相同電機(jī)轉(zhuǎn)速、相同中間質(zhì)量下輕量化、框架式系統(tǒng)隔振效果測(cè)試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，同等中間質(zhì)量的輕量化雙層隔振系統(tǒng)能取得比框架式雙層隔振系統(tǒng)在低、高頻段更好的隔振效果。

表5 輕量化、框架式雙層隔振系統(tǒng)效果對(duì)比Tab.5 VIE comparison of two types of mounting systems

3.3.2 中間質(zhì)量對(duì)高頻振動(dòng)傳遞特性的影響

不同電機(jī)轉(zhuǎn)速工況、不同中間質(zhì)量大小條件下，輕量化雙層隔振系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架隔振效果測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 電機(jī)工況Tab.6 Working conditions of motor

測(cè)試結(jié)果表明：輕量化中間質(zhì)量雙層隔振系統(tǒng)在高頻激勵(lì)下也能獲得超過40 dB 的隔振效果。對(duì)比電機(jī)工況1-7，研究不同質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)高頻隔振效果的影響，結(jié)果表明：隨著中間質(zhì)量的增加，系統(tǒng)隔振效果逐漸緩慢遞增，初期增加80 kg 中間質(zhì)量取得了超過2 dB 的隔振效果，但之后再增加中間質(zhì)量后隔振效果的增益十分有限，并且當(dāng)中間質(zhì)量增加至240 kg 時(shí)，系統(tǒng)全頻段隔振效果出現(xiàn)了下降（見圖13），變化趨勢(shì)與數(shù)值仿真結(jié)果基本吻合，即不論在低頻段或是高頻段，增加中間質(zhì)量能提高隔振效果，但隨著中間質(zhì)量的增加，隔振效果的增益出現(xiàn)“邊界效益”。

圖13 不同中間質(zhì)量下的系統(tǒng)隔振效果Fig.13 VIE of system with different intermediate mass

4 應(yīng)用實(shí)例

基于輕量化雙層隔振技術(shù)的理論與試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)某船用大功率汽輪發(fā)電機(jī)組采用輕量化雙層隔振裝置方案（如圖14所示），該裝置特點(diǎn)如下：

圖14 汽發(fā)機(jī)組輕量化雙層隔振裝置Fig.14 Photograph of light-weight two-stage mounting equipment for steam turbine generator set

（1）重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊

采用了剛性質(zhì)量塊的中間質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重量約18 t，僅為汽發(fā)機(jī)組重量的約15%，比常規(guī)雙層隔振裝置重量降低50%以上，具有較好的適裝性。

（2）隔振性能好

對(duì)該裝置進(jìn)行的大量測(cè)試結(jié)果表明：輕量化雙層隔振裝置振動(dòng)衰減效果達(dá)30 dB以上，汽發(fā)機(jī)組基座振動(dòng)接近背景噪聲水平。

（3）抗沖擊性能優(yōu)越

根據(jù)GJB 1060.1-91《艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境》，汽發(fā)機(jī)組的抗沖擊等級(jí)為A 級(jí)[15]。據(jù)此對(duì)輕量化雙層隔振裝置的抗沖擊性能進(jìn)行有限元計(jì)算校核，結(jié)果表明，汽發(fā)機(jī)組主要管路相對(duì)位移、隔振器變形均滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

本文采用理論解析、數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了輕量化雙層隔振系統(tǒng)的特性，得出了以下結(jié)論：

（1）理論解析結(jié)果表明，同等質(zhì)量的輕量化和框架式雙層隔振系統(tǒng)相比，輕量化系統(tǒng)隔振效果更好，從而為輕量化雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了定性理論依據(jù)。

（2）數(shù)值仿真結(jié)果表明，采用輕量化中間質(zhì)量雖然增加了系統(tǒng)低頻段固有頻率的數(shù)量，但未增加共振風(fēng)險(xiǎn)；中間質(zhì)量對(duì)隔振效果具有“邊際效益”，應(yīng)綜合考慮合理確定其大小。研究結(jié)果為輕量化雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了定量化設(shè)計(jì)參考。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，輕量化與框架式隔振系統(tǒng)相比，在低、高頻段隔振效果均具有優(yōu)越性且輕量化雙層隔振系統(tǒng)的中間質(zhì)量不超過設(shè)備質(zhì)量的25%即可獲得較好的隔振效果，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論解析和數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文驗(yàn)證了輕量化雙層隔振技術(shù)理論分析的工程有效性及實(shí)用價(jià)值，并可為大型汽發(fā)機(jī)組輕量化雙層隔振技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，該技術(shù)已在艦船上得到成功應(yīng)用。