隔振元件機械阻抗的加載測試研究

徐秋霞，王鎖泉，徐 敏

(1.江蘇科技大學，江蘇 張家港 215600;2.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082)

隔振元件機械阻抗的加載測試研究

徐秋霞1，王鎖泉2，徐 敏2

(1.江蘇科技大學，江蘇 張家港 215600;2.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082)

基于隔振元件承載方式的全面調研，對加載約束狀態下隔振元件機械阻抗測試類型進行了分類，給出了單向加載約束狀態隔振元件三向平動機械阻抗的測試方案，并對加載工況下典型隔振元件機械阻抗進行了測量，分析了加載對隔振元件機械阻抗參數的影響規律，驗證了加載測試的重要性。

隔振元件;機械阻抗;加載;測試

0 引言

隔振元件機械阻抗參數與隔振元件結構形式、材料性能、載荷工況、環境溫度等因素密切相關，通常依賴試驗測量得到［1～5］。國內已建立加載狀態下隔振元件三向機械阻抗測試方法［2，3］，并經過了考核驗證［4］，測量結果已在艦船工程中得到應用，但目前加載方式僅局限于軸向加載。

本文在對我國船舶隔振元件的承載方式進行系統調研的基礎上，對加載約束狀態下隔振元件機械阻抗測試類型進行了分類，全面給出了單向加載狀態隔振元件三向平動機械阻抗測試方案，介紹了試驗測試主要元素和基本流程。基于測試方案，對加載工況下典型隔振元件的機械阻抗進行了測量研究，分析了不同加載方式與載荷對隔振元件機械阻抗參數的影響規律，驗證了加載測試的重要性。

1 隔振元件承載方式

調研發現，我國船舶機械隔振系統與管路系統采用了大量隔振元件，如隔振器、撓性接管、管路彈性支撐等。隔振元件的布置使用方式也不盡相同，有的單向承載，有的組合承載。

大部分隔振器采用正置隔振安裝形式。隔振器正置支撐設備時，承受軸向壓縮載荷;而正置吊掛設備時，承受軸向拉伸載荷，如圖1所示。為節省安裝空間，設備側掛隔振安裝在我國船舶上使用也較為普遍，此時隔振器承受剪切載荷，如圖2所示。船上部分隔振器采用斜置安裝形式，隔振器同時承受軸向與橫向載荷，即組合承載，如圖3所示。

圖1 隔振器正置安裝承載示意圖

圖2 隔振器側掛安裝承載示意圖

圖3 隔振器斜置安裝承載示意圖

由于普通撓性接管通常不具備自行平衡功能，管內充壓時管體有伸長或縮短趨勢，使其兩端法蘭受到上下游金屬管道的軸向約束載荷。圖4給出了普通撓性接管的承載示意圖。

2 隔振元件機械阻抗測試類型

國外相關文獻提出，隔振元件機械阻抗參數與加載約束載荷存在一定關系，試驗測量中應考慮被測試件的載荷工況［5］。根據我國隔振元件使用承載方式調研結果與隔振元件機械阻抗定義，可將加載約束狀態下隔振元件機械阻抗測試歸納為以下幾種類型:

①軸向加載(含空載)狀態軸向機械阻抗測試;

②軸向加載(含空載)狀態橫向機械阻抗測試;

③橫向加載狀態軸向機械阻抗測試;

④橫向加載狀態橫向機械阻抗測試;

⑤組合加載狀態軸向機械阻抗測試;

⑥組合加載狀態橫向機械阻抗測試。

以上測試類型均屬于平動機械阻抗測試范疇，①～④加載工況較為單一，相對容易實現;⑤和⑥加載工況較為復雜，實現難度較大。

圖4 普通撓性接管典型承載示意圖

3 隔振元件加載約束機械阻抗測試方案

近些年，作者對單向加載狀態三向平動機械阻抗測試方法開展了系統研究［3，4］。圖5～圖6為分別軸向加載狀態軸向、橫向機械阻抗的測試布置方案。圖7～圖8分別為橫向加載狀態下軸向、橫向機械阻抗測試布置圖。

要開展單向加載約束狀態下隔振元件三向平動機械阻抗測試，一般需具備以下試驗元素:

圖5 軸向加載狀態軸向機械阻抗測試布置方案

圖6 軸向加載狀態橫向機械阻抗測試布置方案

圖7 橫向加載狀態軸向機械阻抗測試布置方案

圖8 橫向加載狀態橫向機械阻抗測試布置方案

①實現振動堵塞邊界條件的阻抗平臺;

②實現垂向加載的立式加載機構與彈性加載系統;

③實現橫向加載的臥式加載機構與支撐;

④輸出端振動堵塞力測量用的垂向與橫向動態測力板;

⑤用于兩試件位置調整導向的水平滑臺;

⑥用于試件與試驗裝置連接的過渡元件;

⑦用于振動信號同步測量的儀表系統;

⑧其他輔助裝置與系統。

具備以上試驗元素后，可參考圖5～圖8所示方案開展對應加載工況下隔振元件橫向機械阻抗參數的測量。試驗基本步驟為:

①通過過渡元件將被測試件輸出端與測力板、阻抗平臺依次剛性連接;

②在被測試件輸入端與輸出端安裝力傳感器與加速度計;

③采用加載系統對被測試件進行加載到所需工況后鎖緊加載系統;

④彈性懸吊安裝激振系統，激勵輸入端產生所需方向振動響應;

⑤同步測量輸入端、輸出端的動態力與振動加速度，并按機械阻抗公式進行數據處理［1～4］。

4 典型隔振元件加載機械阻抗測試

作者基于以上測試布置方案和試驗要求，對最常見的加載約束狀態下不同類型隔振元件的三向機械阻抗進行了測量，目前有效測量頻率范圍為5～1 000 Hz，具體測試結果與分析如下。

4.1 軸向加載對機械阻抗測試結果影響分析

圖9給出了空載和軸向加載300 kg狀態下BM-300(壓縮型)隔振器的軸向輸入與傳遞機械阻抗測試結果對比圖，圖10給出了空載和軸向加載120 kg狀態下BE-120(剪切型)隔振器的軸向輸入與傳遞機械阻抗測試結果對比圖，圖11給出了管內介質0 MPa和充壓3 MPa狀態下JYXR(H)DN80撓性接管的軸向輸入與傳遞機械阻抗測試結果對比圖。

由圖9測試結果可以看出，BM-300隔振器軸向加載300 kg載荷后，一階軸向固有頻率從空載的134 Hz增大到了156 Hz，偏移量達16.4%，且共振頻率點處阻抗值略微增大。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機械阻抗值均變大，其中在5～20 Hz頻段范圍內，輸入機械阻抗與傳遞機械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性;加載后傳遞機械阻抗值比空載平均增大了35.9%，軸向加載后BM-300隔振器變“硬”。

圖10看出，BE-120隔振器軸向加載120 kg載荷后，一階軸向固有頻率從空載的330 Hz減小到了288 Hz，偏移量達12.7%，且共振頻率點處阻抗值略微增大。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機械阻抗值變小，其中在5～50 Hz頻段范圍內，輸入機械阻抗與傳遞機械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，加載后傳遞機械阻抗值比空載平均減小了17.6%，軸向加載后BE-120隔振器變“軟”。

圖9 BM-300隔振器軸向機械阻抗測試結果

圖10 BE-120隔振器軸向機械阻抗測試結果

圖11 JYXR(H)DN80撓性接管軸向機械阻抗測試結果

從圖11看出，JYXR(H)DN80撓性接管管內介質充壓3 MPa且約束后，管體一階軸向固有頻率從常壓的126 Hz增大到了164 Hz，偏移量達30.2%，且共振頻率點處阻抗值略微減小。另外，加載后的輸入與傳遞機械阻抗值變化規律與BM-300隔振器類似，其中在5～20 Hz頻段范圍內，輸入機械阻抗與傳遞機械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，充壓3 MPa后傳遞機械阻抗值比0 MPa時平均增大了98.7%，管內介質充壓后JYXR(H)DN80撓性接管管體變“硬”。

從機械阻抗加載測試對比結果可以看出，不同隔振元件加載約束后軸向機械阻抗變化規律不一樣，有的變“硬”，有的變“軟”，作者分析認為，出現這種情況的原因應與隔振元件的結構形式有關。BM-300隔振器屬于純拉壓型隔振器，加載后隔振器橡膠部分受壓縮，橡膠剛度變大;而BE-120隔振器屬于剪切型隔振器，加載后實際上橡膠部分承受拉伸和剪切，橡膠剛度變小。JYXR(H)DN80撓性接管充壓后，管體橡膠和簾線受到內部壓力膨脹影響，管體剛度變大。

4.2 橫向加載機械阻抗測試結果影響分析

圖12為3 MPa壓力下空載和橫向加載4 mm狀態下JYXR(H)DN125撓性接管的軸向輸入與傳遞機械阻抗測試結果對比圖。圖13給出了0 MPa壓力下空載和橫向加載5 mm狀態下JYXR(H)DN80撓性接管的橫向輸入與傳遞機械阻抗測試結果對比圖。

圖12 空載和橫向加載4 mm狀態下JYXR(H)DN125撓性接管軸向機械阻抗測試結果(3 MPa)

圖13 空載和橫向加載5 mm狀態下JYXR(H)DN80撓性接管橫向機械阻抗測試結果(0 MPa)

由圖12可以看出，JYXR(H)DN125撓性接管在充壓3 MPa橫向加載4 mm后，與空載狀態相比，機械阻抗測試結果偏差不大，基本一致。高壓狀態下，橫向加載對JYXR(H)DN125撓性接管軸向機械阻抗參數影響不大，可以忽略。

從圖13看出，JYXR(H)DN80撓性接管在常壓狀態橫向加載5 mm后，與空載狀態相比，管體一階軸向固有頻率從常壓的186 Hz增大到了197 Hz，偏移量達5.9%，且共振頻率點處阻抗值略微減小。另外，加載后在一階固有頻率以前，輸入與傳遞機械阻抗值均變大，其中在5～20 Hz頻段范圍內，輸入機械阻抗與傳遞機械阻抗重合較好，反映其低頻剛度特性，加載后傳遞機械阻抗值比空載平均增大了23.7%，橫向加載后JYXR(H)DN80撓性接管橫向變“硬”。

5 結論

研究發現，反映隔振元件寬頻動態特性的機械阻抗參數的確與其承載方式相關，且機械阻抗隨載荷的變化規律與隔振元件的結構形式、承載方式以及載荷大小均有不同程度的關系。因此，在特定加載方式和載荷工況下進行隔振元件機械阻抗測量非常必要，這樣可保證試驗數據的客觀性和準確性。

本文建立了單向加載狀態下隔振元件三向機械阻抗測試布置方案，給出了部分測試結果與分析結論，全面驗證了機械阻抗加載測試的重要性。

本文還提出了組合加載狀態下的軸向與橫向機械阻抗測試的基本類型，具體測試方法研究、試驗裝置研制以及復雜載荷對機械阻抗的影響規律分析還有待今后深入研究。

［1］ 王鎖泉，周慶云，等.隔振元器件機械阻抗測量與數據處理方法研究［J］.艦船科學技術，2006，28(215):107-111.

［2］ 王鎖泉，朱忠，等.加載對隔振器機械阻抗參數的影響［C］//吳有生.第十一屆船舶水下噪聲學術討論會論文集.北京:中國造船工程學會，2007:180-185.

［3］ 王鎖泉，席亦農，等.加載狀態下隔振元件三向機械阻抗測試［J］.噪聲與振動控制，2010，30(S1):290-292.

［4］ 王鎖泉，苗金林，等.隔振元器件機械阻抗測試方法標模驗證［C］//崔維成.第十三屆船舶水下噪聲學術討論會論文集.北京:中國造船工程學會，2011:223-229.

［5］ Dickens J D ，Norwood C J.Universal method to measure dynamical performance of vibration isolators under static loads［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，244(4):685-696.

TB52+3

A

2011-10-24

徐秋霞(1991-)，女，本科，研究方向為船舶結構設計;王鎖泉(1979-)，男，高級工程師，主要從事船舶振動噪聲控制與測試技術;徐敏(1959-)，男，高級工程師，主要從事船舶振動噪聲控制與測試技術。