基于激振掃描法對大型隔離器動剛度測試技術的研究

秦曉猛， 譚 棋， 盧 丹

（天津航天瑞萊科技有限公司成都分部， 四川 成都 610100）

0 引言

隔離器被廣泛應用于減震類設備中，如在石油設備、艦船設備、大型電子柜和精密儀器等都設有各類型的減震器或隔離器。隔離器主要用于避免減緩振動沖擊對關鍵設備的損壞，故對動剛度的特性要求極其嚴格。所以，大型動力設備中設有大型隔離器，其需要準確地了解其靜態性能和動態性能，如動剛度、固有頻率和損耗因子等。為了準確獲取大型隔離器的動態特性，需要對其進行動剛度測試，目前，主要采用的方法有激振掃描法、自激振蕩法和橢圓法。其中振動法具有激勵頻帶范圍廣和操作簡單的優勢，但為了準確獲取動態特性測試數據，需要對大型隔離器的振動工裝進行設計，同時也需要具備激振掃描法的動剛度測試理論基礎，才能保證數據獲取的有效性。

1 激振掃描法動剛度理論

根據單自由度彈性系統中慣性力、阻尼力、彈性力及外力平衡原理，在假定彈性系統中為黏彈性結構阻尼，輸入為簡諧信號的條件下進行的[1]。當系統假定為結構阻尼、剛度為線性復剛度及輸入為簡諧力，在剛性基礎情況下，M-K 彈性系統運動方程式為：

式中：M 為大型隔離器承受的額定配重，kg；K 為大型隔離器的動剛度，N/m；η 為系統結構阻尼的損耗因子；X 為配重的絕對位移，m；X¨為配重的絕對加速度，m/s2；F0為振動臺激振力幅值，N；ω 為振動臺激振圓頻率，rad/s；t 為激振力加載的時間。

當式（1）中F0=0、臺面位移為u=u0ejωt時為基礎激勵，力學模型如圖1 所示，運動方程式轉化為：

圖1 激振掃描法力學模型

圖2 激振掃描法動剛度測試工裝示意圖

求解方程（2），得到振動臺激勵的每個頻率絕對位移響應幅值X0及絕對位移共振幅值X0，max分別由式（3）和式（4）表示。

當式（1）中F0=0，時，運動方程轉化為：

求解該運動方程式（5），得到振動臺激勵的每個頻率相對位移響應幅值δ0及相對位移共振幅值δ0，max，分別由式（6）和式（7）表示。

式中：u0為基礎激振位移幅值；δ0為質量M 相對臺面位移幅值，δ0=（X0-u0），m；為基礎激振加速度幅值，m/s2；ωn為系統共振頻率，rad/s。

當大型隔離器激振M-K 彈性系統位移共振時，激振力與阻尼力相等、慣性力與彈性力相等，于是動剛度可以按照式（8）計算：

2 激振掃描法動剛度測試方法

2.1 配重工裝設計

激振掃描法是利用振動試驗機對其施加位移或者加速度，所以需要對大型隔離器設計匹配的額定載荷工裝。由于工裝的穩定性會影響大型動剛度的測試結果，所以設計出符合滿足測試要求的工裝至關重要。

1）工裝底部支撐結構在滿足振動臺能力的情況下，盡可能提高其剛度。

2）由于大型隔離器承重能力強而承重截面小，所以工裝設計需要考慮其穩定性，可以考慮低阻尼輔助支撐或者采用多個隔離器共同進行測試。

3）工裝自身的頻率固有頻率高，不會對整個系統產生影響。

2.2 測試程序

1）根據振動臺的能力情況，激振力施加在振動臺臺面或系統質量上，激勵頻率通常從1/4～4 倍于被試系統共振頻率的范圍內進行正弦掃描或白噪聲激振掃描，激振振幅參考表1[2]。

表1 激勵振幅參考值

2）通過振動控制儀，記錄振動臺激勵時臺面輸入和質量響應在各個振動臺激勵頻率下的位移（或速度、加速度）值，并求解隔離器配重響應與激勵之間的比值關系，得到無因次絕對位移響應曲線（亦稱為傳遞曲線）。

3）若隔離器存在非線性動態特性，則應分別測出不同靜載荷及位移幅值與動剛度（或固有頻率）的關系曲線。激振振幅不變的情況下，改變靜載荷進行測試；或在額定載荷下，改變激振幅值進行激振。

3 激振掃描法動剛度測試應用實例

3.1 測試布置

根據某大型船用隔離器的產品測試要求，采用激振掃描法，對其進行動剛度測試。試驗件額定承載1 700kg，放置于振動試驗機上，其測試布置如圖3 所示。

圖3 激振掃描法動剛度測試布置方案

3.2 測試計算

試驗過程中，采用1g 的恒定加速度對其進行掃描激勵，通過振動控制儀記錄傳遞力及位移時域波形，并求解隔離器配重響應與激勵之間的比值關系。以頻率為X 軸橫坐標、以傳遞比值為Y 軸縱坐標，繪制大型隔離器的無因次絕對位移響應曲線（亦稱為傳遞曲線）。響應最大的時刻發生在隔離器固有頻率處，則可以根據固有頻率推算動剛度，如圖4 所示。

圖4 某隔離器激振掃描法主承載方向動剛度試驗傳遞函數曲線

隔離器動剛度計算：

式中：fn為隔離器在額定配重下的固有頻率，Hz；M 為隔離器額定配重質量，kg。

3.3 測試結果

隔離器動剛度測試結果，如表2 所示。

表2 隔離器動剛度測試結果

4 結語

大型隔離器動剛度測試是一項準確性要求極高的測試，實際測試過程中，需要根據試驗件的實際情況合理設計工裝，結合試驗件特性合理選擇激振量級，確保獲取傳遞曲線有效準確，才能對其動態特性進行合理評估。綜合來看，激振掃描法具有頻帶范圍廣、激勵方便和易于計算的優勢，但大型隔離器的承載要求高，在工裝設計和對振動臺的能力要求方面則是激振掃描法的劣勢。