船用隔振器不同傾斜狀態下的剛度特性試驗研究

吳 超，帥長庚，張世軻，陳思旭

(1. 海軍工程大學 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

當前，隔振裝置技術是控制艦船機械噪聲最直接有效的手段，已廣泛應用[1]。隔振器選用是隔振裝置設計最重要的一個環節[2]，目前，隔振器評估主要基于垂向、橫向、縱向剛度參數，如圖1所示，隔振裝置根據實船安裝狀態，應用所選用隔振器的三向剛度參數開展效果評估。艦船在實際作戰航行時，由于外部環境作用或本艦戰術機動，不可避免會發生傾斜、搖擺，其彈性安裝設備狀態會發生變化，使隔振器產生一定角度的偏斜，這將與隔振裝置初始設計狀態發生偏離，這種偏離有可能惡化艦船輻射噪聲。傳統理論認為，隔振器不同安裝角度下的剛度可通過三向剛度線性疊加獲得[3]，而實際船用隔振器結構復雜，在不同受力狀態下呈現非線性變化。本文選用氣囊、鋼絲繩和橡膠等三型常用的艦用隔振器，如圖2所示，通過設計不同角度安裝夾具，對這三型隔振器不同傾斜角度下的剛度變化規律進行試驗研究，這對于評估和控制作戰航行狀態艦船的實際輻射噪聲具有重要的指導意義。

1 隔振氣囊在傾斜狀態下模型及分析

以JYQN-2500型圓形艦用氣囊隔振器為例[4]，模擬發生傾斜后的情況，如圖3所示，圖中以氣囊中心為坐標原點，平行和垂直與隔振器底板方向為x、y軸建立平面直角坐標系，陰影部分斜角為傾斜角α，激振力F方向與重力方向保持一致。

理想情況下，JYQN-2500型隔振氣囊水平安裝時的垂向、橫向靜剛度特性可按下式進行分析計算[5]。

垂向剛度特性

圖 2 三型常用的艦用隔振器Fig. 2 Three common vibration isolators on ship

橫向剛度特性

式中：為氣囊橫向靜剛度，kgf/cm；χ為無量綱常數，取值為0.1～0.2；Rk0為囊體額定最大半徑，cm；Kz, 靜為Z向靜剛度，kgf/cm；γ為經驗系數，等于0.7；ΔX為氣囊在X向的位移量，cm。

計算時要換算成上述指定的單位。

基礎傾斜情況下，傾斜角度α分別取3°，6°，9°，12°，設機械設備質量對氣囊作用力為F，沿力F方向位移為L，滿足

顯然隔振器受力點位移方向和F方向并不一致，F方向上的位移與受力F滿足

式中，K為垂向剛度。

為了方便計算，在計算過程中給定垂直于氣囊的y方向位移和斜面傾斜角度，通過垂向和橫向負載與位移的對應關系分別計算出橫向及垂向位移x，y，再將x，y方向位移在力F方向上投影得到位移L，即隔振器在作用力F下的位移。因垂向和橫向動剛度計算時取值不盡相同，因此在理論和試驗中均選取平均值進行比較分析（見圖8），通過計算得到豎直方向隔振器剛度及其傾斜角度之間的關系如圖4所示。

圖 4 氣囊隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 4 The stiffness of air spring at different angles of inclination

圖中隔振器的不同位移用不同標注的曲線表示，隔振器不同的位移也反映其不同的負載，從圖中可以發現：隨著傾斜角度的不斷增加，隔振器的垂向靜剛度會發生一定變化，但變化量不大，剛度最大變化量和0°時相比不超過3%。

2 隔振器剛度性能試驗

2.1 試驗設計

隔振器剛度特性試驗按照相關技術標準在10噸級MTS萬能試驗機上進行，利用加載法測試三型隔振器負載-位移曲線，每次測試分別進行3次，記錄選用第3次時的測試數據。根據測試要求，氣囊隔振器預定位移分段進行加載（額定載荷下囊內實際壓力1.6 Mp），另外兩型隔振器直接緩慢加載到額定載荷1.25倍。隔振器所處基礎斜面（測試夾具）傾角分別為0°，3°，6°，9°，12°，不同角度的測試夾具依靠螺栓和試驗臺工裝剛性聯接。試驗根據傾斜角度的不同分為5組，每組試驗依次進行完三型不同隔振器的試驗后，更換斜面進行下一組試驗。所選的三型隔振器分別為：JYQN-2500氣囊隔振器、PBE-400橡膠隔振器和HGGS-600鋼絲繩隔振器，試驗設計如圖5所示。

圖 5 隔振器性能試驗臺架Fig. 5 Vibration isolators stiffness test bench

2.2 試驗結果分析

2.2.1 JYQN-2500 型隔振器

根據試驗數據，整理得到的隔振器傾角-剛度曲線如圖6所示。

試驗與理論計算得出的曲線圖（見圖4）變化趨勢較為相似，但和理論計算相比，試驗中隔振器剛度隨傾角增大而增大的量更大。靜剛度的理論和試驗曲線對比在隔振器的額定載荷下進行（見圖7），動剛度的對比則是同一傾角下取平均值（見圖8）。從圖中可以看出隔振器動、靜剛度隨隔振器傾斜角度變化的情況類似，都隨隔振器傾斜角度的增加先減小后增加，理論值變化幅度小于試驗值，動剛度變化幅度大于靜剛度。

2.2.2 PBE-400 型隔振器

圖9～圖11 3組曲線圖依次為橡膠隔振器傾角-剛度曲線，靜、動剛度試驗值和理論值對比曲線。從圖中試驗曲線可以看出，該型橡膠隔振器的靜剛度隨傾角變化而變化，先隨傾角增大而減小，后隨傾角增大

圖 6 氣囊隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 6 The curve of angle verse static stiffness of air spring with different loads

圖 7 氣囊隔振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 7 The curve of angle verse static stiffness of air spring atstandard load

圖 8 氣囊隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 8 The curve of angle verse average dynamic stiffness of air spring

而增大，傾角為6°～9°時靜剛度最小；隔振器靜剛度隨負載增加（形變增大）而減小，剛度的變化量最大可達水平狀態時的17%左右；動剛度在傾斜角度小于9°時變化較小，超過9°后迅速隨傾角增加而增加。

2.2.3 HGGS-600 型隔振器

圖12～圖14 3組曲線圖依次為鋼絲繩隔振器傾角-剛度曲線，靜、動剛度試驗值和理論值對比曲線。從試驗結果來看：鋼絲繩隔振器殘余變形較大，偏離額定載荷越多其剛度越不穩定；剛度會隨傾角增大而緩慢增大，特別是位移較小時；隔振器在額定負載附近工作時，其剛度特性比較穩定，受傾角影響較小。

3 結 語

圖 9 橡膠隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 9 The curve of angle verse static stiffness of rubber absorber with different loads

圖 10 橡膠隔振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 10 The curve of angle verse static stiffness of rubber absorber at standard load

圖 11 氣囊隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 11 The curve of angle verse average dynamic stiffness of rubber absorber

正常航行時，在垂向以及橫向載荷允許范圍內，艦船發生一定傾斜時，不同隔振器的剛度特性變化各不相同。總的來看：1）隔振器工作在額定載荷附近時傾斜對剛度影響比較小，偏離額定載荷越多，隔振器剛度受傾斜的影響越大；2）隔振器負載（形變）對其剛度有較大影響，有時甚至會超過隔振器傾斜所造成的影響；3）同一隔振器動、靜剛度隨隔振器傾斜角度變化而變化的趨勢較為一致；4）隔振器傳統的三向剛度評估法理論值和試驗值在變化趨勢上較為一致，但在變化幅度上差異比較明顯，因此傳統的疊加計算法只能簡單評估隔振器發生傾斜時剛度的變化趨勢。影響隔振器隔振性能的不單是其剛度[6]，下一步可繼續深入研究傾斜時隔振器阻尼特性及最終振動傳遞率（減振效果）和艦船傾斜之間的關系。

圖 12 鋼絲繩振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 12 The curve of angle verse static stiffness of wire rope isolator with different loads

圖 13 鋼絲繩振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 13 The curve of angle verse static stiffness of wire rope isolator at standard load

圖 14 鋼絲繩隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 14 The curve of angle verse average dynamic stiffness ofwire rope isolator