船用隔離器的低頻振動試驗?

史冬巖, 石先杰, 任龍龍

(哈爾濱工程大學機電工程學院 哈爾濱,150001)

引 言

磁流變阻尼器由于具有出力大、溫度適應性強、響應速度快、能耗低、結構簡單、阻尼力連續順逆可調并可方便地與微機控制結合等優良特點,已成為汽車、機械裝置、橋梁以及土木建筑等領域新一代的高性能和智能化的減振裝置。部分裝置已經應用于實際工程,展現出了良好的應用前景[1-3]。雖然磁流變阻尼器在工程上已有一定的應用,但在船舶減振方面的研究還較少。當前,在船用隔離器研制中,低頻減振是該研究領域的難點。若將一種阻尼器與一種減振器相配合組成一種新的隔離器,這種隔離器若能提高船用隔離器的低頻減振效果,將對改善艦船的隱蔽性、生命力和戰斗力具有重要的理論和實踐意義。

筆者提出了一種由傳統的鋼絲繩減振器與磁流變阻尼器(簡稱 MR阻尼器)組合而成的隔離器系統,旨在對艦船基座傳統的被動式隔離器進行改造,加強減振系統的低頻減振效果。通過對船用隔離器進行振動試驗,得到一系列性能曲線。根據試驗結果,分析了船用隔離器低頻振動性能,為其實際應用提供了參考。

1 船用隔離器

1.1 隔離器設計思想

筆者提出的具體設計方法是:在柔度大、變形能力強的傳統減振元件基礎上并聯智能出力元件,構成新的船用隔離器系統,使隔離器系統的動力學特性由固定不變轉為智能可控,再配以適當的控制算法,即可根據激振力的變化而調整系統的出力狀態,實現最佳的隔振效果。其原理如圖1所示。該隔離器的優點是:a.減振頻帶寬,可彌補傳統大柔度隔離器在低頻減振方面的不足;b.充分發揮大柔度隔離器在抗沖擊時的優越性,避免了沖擊過程中由于隔離器變形過大而產生的二次碰撞。

圖1 船用隔離器原理圖

1.2 鋼絲繩彈簧和磁流變阻尼器

鋼絲繩彈簧是近幾年發展起來的一種新型減振元件,具有相當大的撓度和較大的阻尼,能適應惡劣的環境[4]。其單獨應用于艦船主機減振時存在以下不足:a.主機處于某些特定工作狀態時會引起劇烈的振動響應;b.由于對稱布置的鋼絲繩彈簧受力不均勻,會引起主機傾斜,甚至會引起受壓力較大一側的鋼絲繩彈簧發生較大塑性變形。

磁流變液是一種新型智能材料,由它設計而成的磁流變阻尼器(簡稱 MR damper)已成為新一代的減振裝置[5-6]。當其安裝在結構上時,根據受控結構的振動狀態,按照一定的控制規則迅速自動調整阻尼器參數(阻尼),從而抑制結構的振動響應,可以作為一種理想的智能控制裝置[7-8]。

2 船用隔離器振動試驗

2.1 振動試驗系統

筆者設計的船用隔離器系統的物理模型如圖 2所示,它主要由以下幾部分組成:a.模型下部結構用于模擬船底;b.模型上部結構作為承載設備;c.磁流變阻尼器和鋼絲繩彈簧,將模型上、下部結構連成整體,是系統減振抗沖的主要元件;d.側向限制結構,用于限制上部結構的水平方向運動。

圖2 系統模型側向示意圖

在進行振動試驗時,將模型的下部結構固定于地面,模擬船底結構。在模型的上部結構上施加豎直方向的激振力以模擬主機振動載荷,激振力通過額定載荷為 10 kN的 MTS液壓伺服加載系統施加給隔離器系統,加載系統的作動筒與模型之間通過傳力桿連接。振動試驗系統如圖3所示。

圖3 振動試驗系統

振動試驗輸入的激振載荷波形為

振動試驗的工況設定為:a.輸入系統激振力的力幅為24 kN,激振頻率為1～ 15 Hz共15個狀態;b.整個模型系統的控制質量劃分為 1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 kg共 6個狀態;c.將磁流變阻尼器的控制電流劃分為 0,0.25,0.5,1.0,1.5,1.75,2.0 A共 7個狀態。將上述狀態進行組合,共計630個工況。

2.2 振動試驗結果

對試驗工況各個狀態進行的測試表明,在設定的邊界條件下,試驗模型總體表現為豎直方向的運動。在低頻狀態時,結構的位移響應及磁流變阻尼器的出力較大,高頻狀態時較小。 MTS液壓伺服加載系統所施加的激振信號在頻率上與設計輸入相符合,但是力幅在高頻狀態下有一定的衰減。

2.2.1 磁流變阻尼器的出力特性

由實測磁流變阻尼器出力曲線(圖4)可以看出,在簡諧激振力作用下控制電流恒定時,其出力過程可近似為一條正弦曲線。這說明在振動試驗中,磁流變阻尼器的作用是給模型系統增加了一個阻尼。實測的磁流變阻尼器在不同電流狀態下的出力幅值如圖5所示。

圖4 施加控制電流2A時磁流變阻尼器的出力曲線

圖5 磁流變阻尼器出力與電流之間的關系

根據阻尼力幅值的計算公式,按照實測的數據進行計算,可得出磁流變阻尼器對應各個電流的阻尼,如圖6所示。該阻尼的變化規律符合二次多項式的情況,其擬合方程式為

此現象表明,線性地改變磁流變阻尼器的電流相當于以二次函數改變隔離器系統的阻尼系數。

圖6 磁流變阻尼器阻尼與電流之間的關系

2.2.2 振動響應與激振頻率的關系

下面列出了模型控制質量為 2 000 kg,激振力為24 kN的典型工況的試驗結果。圖7～圖9分別給出了力傳遞率、位移放大系數和加速度的典型特征曲線。由圖可知:

1)在頻率不變的情況下,系統的力傳遞率、位移放大系數、加速度幅值隨著電流的增加而不斷減小;

2)系統的力傳遞率、位移放大系數、加速度幅值出現了3個峰值,經試驗測得它們分別在頻率比為 0.4,1和 1.3,即 4,10和 13 Hz左右;

圖7 力傳遞率與頻率比的關系曲線

圖8 位移放大系數與頻率比的關系曲線

圖9 加速度與頻率比的關系曲線

3)系統的力傳遞率、位移放大系數總體表現為在低頻處較大,在高頻處較小。

3 船用隔離器振動特性分析

根據振動試驗結果對隔離器系統的振動特性進行分析,分析所采用的數據為模型的控制質量,即2 000 kg的典型工況的數據結果。

3.1 振動響應與激振頻率的關系

1)對隔離器模型的控制作用主要體現在對振動峰值的抑制上,其數值見表1。將未安裝磁流變阻尼器與安裝磁流變阻尼器未施加控制電流時對數據進行對比,系統的最大力傳遞率有了一定的降低,這主要是磁流變阻尼器的初始阻尼作用于系統的結果。控制電流逐漸增大,力傳遞率隨之減小。當控制電流達到額定電流 2 A時,力傳遞率降到最低,數值為1.1。可見磁流變阻尼器對系統力傳遞率的峰值具有較好的控制效果,與沒有磁流變阻尼器時相比較,響應峰值降低了34.5%。位移放大系數的控制規律與力傳遞率的控制規律基本相同,在沒有安裝磁流變阻尼器與安裝磁流變阻尼器未施加控制電流時相比,系統最大的位移放大系數也有了一定的降低。當控制電流達到額定電流 2 A時,位移放大系數降到最低,數值為1.1。在磁流變阻尼器的控制下,響應峰值最大可降低41.2%。試驗結果表明,隔離器系統在低頻減振方面具有較好的作用效果,與單獨使用鋼絲繩彈簧相比有了較大程度的改善。這是因為在頻率較低時,增加系統阻尼可以降低系統的振動響應。

2)試驗振動響應峰值主要在3～ 5 Hz和10 Hz附近。動態特性測定試驗結果表明,豎直方向的固有頻率分別為6.1和13.2Hz。這是因為加載系統啟動時的系統調零過程對隔離器系統產生了預壓,使系統產生較大的變形,鋼絲繩彈簧的剛度減小,造成系統的固有頻率下降。實測結果顯示,該預壓引起的鋼絲繩彈簧變形為 4～ 5 mm,這使單個鋼絲繩彈簧的剛度從226 244.3 N/m降低到154 601.8 N/m,從而使系統的剛度降低了 32%,即實際激振時系統的固有頻率降低為原狀態的0.82倍。結合動態特性測定試驗結果可知,實際激振時隔離器系統的前兩階固有頻率應該為 5和 10.82 Hz,這與試驗結果較為符合。

表1 安裝磁流變阻尼器前、后振動響應峰值的變化

3)低頻時的峰值明顯高于高頻時的峰值,這主要是因為加載系統的作動筒出力方式是以激振頻率達到要求為目標。當激振頻率較高時,激振力的實際力幅出現了較大衰減,衰減情況見圖10。圖中:Fi為輸入給作動筒的激振力幅值的指令值;Fo為作動筒實際輸出的激振力幅值。

按照激振力衰減情況對力傳遞率與頻率關系曲線圖進行轉換,可得實際的力傳遞率與頻率比關系曲線,如圖11所示。當頻率比等于 1時,最大力傳遞率發生在無阻尼器時,其值為6.36,最小力傳遞率發生在阻尼器電流為 2A時,其值為 0.9,減幅達到了85.85%。

4)由豎直方向加速度響應曲線可看出,振動響應的峰值更明顯地體現在頻率比為0.4,1和1.3處,即固有頻率為 4,10,13 Hz附近,這與在分析力傳遞率時所得結論相一致。

圖10 激振力的衰減曲線

圖11 轉換后的力傳遞率與頻率比的關系曲線

3.2 振動響應與控制電流關系的變化規律

下面給出控制質量為 1 000,1 600,2 000 kg狀態下,試驗時的位移響應隨電流的變化關系的典型曲線。系統的位移響應整體表現為隨電流的增大而減小,并且在振動位移響應較大時,響應曲線明顯表現為一條上凸的曲線,如圖 12所示。這說明隨著電流的增大,電流的變化對振動響應的影響能力在增強。經研究發現,振動的位移幅值與電流的關系為平方關系,其理論關系曲線見圖13。可見,實測曲線與理論計算曲線所顯示的規律是一致的。

圖12 位移與電流的關系曲線

圖13 位移與電流的理論關系曲線

3.3 振動響應與控制質量關系的變化規律

激振力為24 kN,控制電流為0,1.0,2.0 A狀態下,位移響應隨質量的變化關系曲線如圖 14所示。由曲線的變化趨勢可以看出,在各種電流狀態下,系統的振動響應均表現為隨控制質量的增加而減小。在控制質量由 1 000 kg增加至 2 000 kg時,振動響應的降幅見表 2。

圖14 位移與質量的關系曲線

表2 由質量變化引起的振動響應降幅

由強迫振動的位移響應的計算式可知,在其他條件固定的情況下,振動系統質量的增加會降低系統的振動響應。

4 結 論

1)基于現有的船舶減振元件——鋼絲繩彈簧和智能出力元件磁流變阻尼器設計的船用隔離器系統的結構形式是合理的,經振動試驗驗證,船用隔離器系統的動力學響應正常。

2)磁流變阻尼器與鋼絲繩彈簧相并聯構成的減振系統對低頻振動響應有較好的控制作用,力傳遞率的減幅可達 85.85%,隔振效率較好。

3)磁流變阻尼器對系統的控制作用在激振載荷幅值較大、頻率較低時更加明顯。

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