復合式橡膠隔振器特性分析及設計驗證

張曉，杜堃

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

目前，在國外先進船舶中，永磁設備得到廣泛應用[1]。相比傳統設備，相同輸出條件下的永磁設備重量更輕、體積更小，總體優勢非常突出。但是，永磁設備在高頻段的振動一般比傳統設備高[2-3]，設備機腳的振動也比傳統設備的更明顯，其值甚至會高出20 dB。

傳統隔振方法包括單層隔振和浮筏隔振2 種[4-5]。其中：浮筏隔振雖然在高頻段內效果較好，但重量大，可達十幾噸，抵消了永磁設備的總體資源優勢；而傳統的單層隔振已無法滿足永磁設備高頻隔振的需求[6-8]。鑒于隔振措施在高頻段的缺陷，人們開始尋求更復雜的結構來提高隔振效果，而在振源與被隔離系統之間插入中間質量則是一個簡單、有效的方法[9-10]。該方法是在隔振系統中間插入附加質量以改善振動傳遞[11-13]，提高高頻隔振效果。

本文將基于在隔振系統中間插入附加質量的設計理念，針對高頻振動控制問題，提出一種用于永磁設備隔振系統的新型復合式隔振器，分析復合式隔振器的傳遞特性，并通過一系列試驗驗證設計方案的有效性。

1 理論分析

1.1 傳統橡膠隔振器的傳遞特性

圖1 為傳統橡膠隔振系統的受力示意圖，其運動微分方程為

圖 1 傳統橡膠隔振器的受力Fig. 1 Load of traditional rubber isolator

由于隔振器彈性力與位移、阻尼力與速度均成正比，所以二者相差一個90°的相角，其合力由下式表示：

1.2 復合式隔振器傳遞特性

復合式隔振器是基于在隔振系統中間插入質量的設計理念提出的，如圖2 所示。為分析其傳遞特性，建立了簡化的物理模型，推導得到了如式（5）所示的傳遞率函數。其中，FF為基座力， f1為中間質量上部橡膠體的固有頻率， f2為中間質量下部橡膠體的固有頻率， f 為激勵頻率， μ為設備質量與中間質量的比值。

圖 2 復合式隔振器示意圖Fig. 2 Sketch of compound rubber isolator

通過式（4）與式（5）的對比可以發現，在高頻段，傳統橡膠隔振器的傳遞率 ∝1/f2∝ f2，而復合式橡膠隔振器的傳遞率則 ∝1/f4∝ f4，后者明顯優于前者。為保證整體上復合式隔振器的剛度與傳統橡膠隔振器相等，對比分析了二者的傳遞性能，并做出如下假設：復合式隔振器的上層剛度與下層剛度相等，且為傳統橡膠隔振器剛度的2 倍。同時，假設被隔振的設備重量為30 t，布置有8 個隔振器。基于以上假設，對復合式隔振器與傳統橡膠隔振器的傳遞率進行了對比，結果如圖3 所示。

圖 3 復合式橡膠隔振器與傳統橡膠隔振器的傳遞率對比Fig. 3 Transfer rate comparison between compound and traditional rubber isolator

由圖3 可見，復合式隔振器和傳統橡膠隔振器在剛度相差不大的情況下，前者的傳遞率明顯優于后者；在較高頻段，前者的傳遞率衰減是后者的2 倍。可見，復合式隔振器有助于高頻振動控制。

2 隔振器方案設計

如圖4 所示，永磁設備與直流設備相比，機腳振動在高頻段明顯增加。本文以永磁設備的隔振為研究對象，基于在隔振系統中間插入中間質量的復合式隔振技術，設計了復合式橡膠隔振器。

圖 4 永磁設備與傳統的直流設備機腳振動對比Fig. 4 Leg vibration comparison of permanent magnet equipment and DC equipment

復合式隔振器設計是一個頻率、承載、重量和剛度反復交互的過程，同時還需考慮隔振對象的具體要求。基于有限元方法的交互計算，得到了復合式橡膠隔振器的設計方案。圖5 為隔振器方案的二維圖，圖6 為隔振器方案的三維結構。

圖 5 復合式橡膠隔振器的結構示意圖Fig. 5 Structure diagram of the compound rubber isolator

圖 6 復合式橡膠隔振器的三維模型Fig. 6 3D model of the compound rubber isolator

如圖5（a）所示，隔振器由上板1、上橡膠層2、隔片3、中間質量4、下橡膠層5、下板6 組成。插入中間質量的復合式橡膠器為部件1～部件6硫化而成的一個整體。上橡膠層2 和下橡膠層5夾持中間質量4，構成含中間質量的復合隔振形式，即由上、下兩層橡膠夾持中間質量的“三明治”式復合隔振器。該設計方案是基于在隔振系統中間插入質量的復合式隔振技術，即在上橡膠層隔振系統2 和下橡膠層隔振系統5 的中間插入質量4。設計的復合式橡膠隔振器的主要物理特性描述如下：整體結構尺寸（長×寬×高）為 400 mm×400 mm×220 mm，其中上安裝面尺寸為 330 mm×330 mm；總質量 155 kg；金屬構件所用材料為 Q345B鋼，橡膠采用丁腈橡膠。

圖 7 有限元分析模型Fig. 7 Finite element analysis model

采用有限元方法對復合式橡膠隔振器進行應力校核，有限元模型如圖7 所示。一般認為，在橡膠受壓時，應力不超過10 MPa 即可；在橡膠受拉時，橡膠應力不超過 3～4 MPa 即可；在垂向載荷作用下橡膠應力最大1.74 MPa，應力滿足要求。金屬結構最大應力21.3 MPa，小于材料的許用應力345 MPa。在橫向載荷作用下橡膠應力最大2.37 MPa，應力滿足要求。金屬結構最大應力22.0 MPa，小于材料的許用應力345 MPa。設計的復合式隔振器性能參數見表1。

表 1 復合式橡膠隔振器性能參數Table 1 Performance parameters of compound rubber isolator

3 復合式橡膠隔振器性能試驗

3.1 隔振器膠料試驗

船舶環境主要考慮溫度、耐油和鹽霧。通過膠料的性能試驗，可以檢查復合式橡膠隔振器的環境適應性。由于丁腈橡膠屬于耐油橡膠且在船用隔振器中應用廣泛，所以對其耐油性將不予重點考察。

針對橡膠材料開展相關試驗，試驗結果合格，具體如表2 所示。

表 2 橡膠材料試驗結果Table 2 Test results of rubber material

3.2 隔振器鹽霧試驗

本節驗證隔振器對船舶上鹽霧環境的適應性。鑒于復合式橡膠隔振器的重量較重（見表1），相當于2 個成人的體重，所以采用了與隔振器相同的金屬和橡膠材料進行硫化形成金屬橡膠試片。按照表面處理技術規范要求對試片進行全表面的油漆處理，并按GJB 150.11A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第11 部分：鹽霧試驗》進行試驗。試驗條件描述如下：鹽溶液濃度（5±1）%，循環周期 192 h（24 h 連續噴霧和 24 h 干燥），循環次數 4 次，共 192 h。

表3 所示為2 個金屬橡膠試片鹽霧試驗結果，結果顯示滿足技術要求。圖8 為試片試驗前后的照片，結果顯示，設計的復合式橡膠隔振器滿足鹽霧方面的要求。

3.3 隔振器剛度試驗

為了驗證復合式橡膠隔振器的動態特性滿足規范要求、動靜剛度比在合理范圍內，基于CB 1359-2002 和 GB/T 15168-2013 開 展了垂向剛度試驗(圖9)。根據被隔振設備重量和隔振器布置數量，分解得到隔振器載荷。

表 3 鹽霧試驗結果Table 3 Salt spray test results

圖 8 鹽霧試驗照片Fig. 8 Photograph of salt spray test results

圖 9 垂向剛度試驗照片Fig. 9 Photograph of vertical stiffness test

試驗結果表明，復合式橡膠隔振器的垂向動剛度為16.5 kN/mm，與設計值的偏差為8.3%，滿足CB1359-2002 要求。復合式橡膠隔振器的垂向靜剛度為9.1 kN/mm，動、靜剛度比為1.8，屬于丁腈橡膠動靜比的正常范圍。

3.4 隔振器極限承載試驗

在主承載方向，對試驗裝置上固定的復合式橡膠隔振器均勻加載，直至887 kN，隔振器變形29.8 mm。圖10 所示為垂向極限壓縮試驗過程中的載荷和位移曲線，圖11 為試驗現場。試驗結果顯示，復合式橡膠隔振器未破壞、無裂紋、無脫膠等現象，滿足CB1359-2002 對隔振器承載的要求。

圖 10 垂向極限壓縮曲線Fig. 10 Vertical extreme compression curve

4 配機試驗

圖 11 垂向極限壓縮試驗照片Fig. 11 Photograph of vertical extreme compression test

為開展配機試驗，搭建了由基座、復合式橡膠隔振器和永磁設備組成的臺架，以驗證復合式橡膠隔振器的隔振效果。圖12 所示為試驗結果。配機試驗中，由于 10 Hz～1 kHz 頻段內的背景振動較高，基座振動反而高于機腳振動。在1～10 kHz 的高頻段，被隔振設備的機腳振動明顯增加，而使用復合式隔振器，保證了基座振動與一般情況下的相差不大，復合式隔振器在此頻段內的設備機腳隔振效果可達41 dB，相比傳統的橡膠隔振器，隔振效果提高了約20 dB。可見，復合式橡膠隔振器可明顯提升高頻段內設備機腳的隔振效果，有助于降低設備振動向船體的傳遞，提升實船應用效果。

圖 12 復合式橡膠隔振器的機腳、基座振動比較Fig. 12 Vibration comparison of leg and foundation of the compound rubber isolator

5 結 語

本文基于在隔振系統中間插入質量的復合式隔振技術，提出了一種體積小、結構簡單，可應用于船載永磁設備隔振的復合式橡膠隔振器設計方案，比較了傳統橡膠隔振器與復合式橡膠隔振器的傳遞特性，并對復合式橡膠隔振器進行性能試驗，驗證了隔振器的動態特性、環境適應性和承載能力。結果表明，所提設計方案具有可行性，可滿足規范及船用環境條件的要求，提高有限空間下設備的隔振效果，尤其是高頻段內的隔振效果。本文設計的復合式橡膠隔振器可為設備隔振，特別是高頻段的隔振提供途徑和參考。