史冬巖, 石先杰, 任龍龍

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱,150001)

引 言

磁流變阻尼器由于具有出力大、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)并可方便地與微機(jī)控制結(jié)合等優(yōu)良特點(diǎn),已成為汽車、機(jī)械裝置、橋梁以及土木建筑等領(lǐng)域新一代的高性能和智能化的減振裝置。部分裝置已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程,展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[1-3]。雖然磁流變阻尼器在工程上已有一定的應(yīng)用,但在船舶減振方面的研究還較少。當(dāng)前,在船用隔離器研制中,低頻減振是該研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。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(duì)改善艦船的隱蔽性、生命力和戰(zhàn)斗力具有重要的理論和實(shí)踐意義。

筆者提出了一種由傳統(tǒng)的鋼絲繩減振器與磁流變阻尼器(簡(jiǎn)稱 MR阻尼器)組合而成的隔離器系統(tǒng),旨在對(duì)艦船基座傳統(tǒng)的被動(dòng)式隔離器進(jìn)行改造,加強(qiáng)減振系統(tǒng)的低頻減振效果。通過(guò)對(duì)船用隔離器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),得到一系列性能曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析了船用隔離器低頻振動(dòng)性能,為其實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

1 船用隔離器

1.1 隔離器設(shè)計(jì)思想

筆者提出的具體設(shè)計(jì)方法是:在柔度大、變形能力強(qiáng)的傳統(tǒng)減振元件基礎(chǔ)上并聯(lián)智能出力元件,構(gòu)成新的船用隔離器系統(tǒng),使隔離器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性由固定不變轉(zhuǎn)為智能可控,再配以適當(dāng)?shù)目刂扑惴?即可根據(jù)激振力的變化而調(diào)整系統(tǒng)的出力狀態(tài),實(shí)現(xiàn)最佳的隔振效果。其原理如圖1所示。該隔離器的優(yōu)點(diǎn)是:a.減振頻帶寬,可彌補(bǔ)傳統(tǒng)大柔度隔離器在低頻減振方面的不足;b.充分發(fā)揮大柔度隔離器在抗沖擊時(shí)的優(yōu)越性,避免了沖擊過(guò)程中由于隔離器變形過(guò)大而產(chǎn)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(fā)展起來(lái)的一種新型減振元件,具有相當(dāng)大的撓度和較大的阻尼,能適應(yīng)惡劣的環(huán)境[4]。其單獨(dú)應(yīng)用于艦船主機(jī)減振時(shí)存在以下不足:a.主機(jī)處于某些特定工作狀態(tài)時(shí)會(huì)引起劇烈的振動(dòng)響應(yīng);b.由于對(duì)稱布置的鋼絲繩彈簧受力不均勻,會(huì)引起主機(jī)傾斜,甚至?xí)鹗軌毫^大一側(cè)的鋼絲繩彈簧發(fā)生較大塑性變形。

磁流變液是一種新型智能材料,由它設(shè)計(jì)而成的磁流變阻尼器(簡(jiǎn)稱 MR damper)已成為新一代的減振裝置[5-6]。當(dāng)其安裝在結(jié)構(gòu)上時(shí),根據(jù)受控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài),按照一定的控制規(guī)則迅速自動(dòng)調(diào)整阻尼器參數(shù)(阻尼),從而抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng),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(dòng)試驗(yàn)

2.1 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

筆者設(shè)計(jì)的船用隔離器系統(tǒng)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(jié)構(gòu)用于模擬船底;b.模型上部結(jié)構(gòu)作為承載設(shè)備;c.磁流變阻尼器和鋼絲繩彈簧,將模型上、下部結(jié)構(gòu)連成整體,是系統(tǒng)減振抗沖的主要元件;d.側(cè)向限制結(jié)構(gòu),用于限制上部結(jié)構(gòu)的水平方向運(yùn)動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)模型側(cè)向示意圖

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),將模型的下部結(jié)構(gòu)固定于地面,模擬船底結(jié)構(gòu)。在模型的上部結(jié)構(gòu)上施加豎直方向的激振力以模擬主機(jī)振動(dòng)載荷,激振力通過(guò)額定載荷為 10 kN的 MTS液壓伺服加載系統(tǒng)施加給隔離器系統(tǒng),加載系統(tǒng)的作動(dòng)筒與模型之間通過(guò)傳力桿連接。振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

振動(dòng)試驗(yàn)輸入的激振載荷波形為

振動(dòng)試驗(yàn)的工況設(shè)定為:a.輸入系統(tǒng)激振力的力幅為24 kN,激振頻率為1～ 15 Hz共15個(gè)狀態(tài);b.整個(gè)模型系統(tǒng)的控制質(zhì)量劃分為 1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 kg共 6個(gè)狀態(tài);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(gè)狀態(tài)。將上述狀態(tài)進(jìn)行組合,共計(jì)630個(gè)工況。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)工況各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行的測(cè)試表明,在設(shè)定的邊界條件下,試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w表現(xiàn)為豎直方向的運(yùn)動(dòng)。在低頻狀態(tài)時(shí),結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)及磁流變阻尼器的出力較大,高頻狀態(tài)時(shí)較小。 MTS液壓伺服加載系統(tǒng)所施加的激振信號(hào)在頻率上與設(shè)計(jì)輸入相符合,但是力幅在高頻狀態(tài)下有一定的衰減。

2.2.1 磁流變阻尼器的出力特性

由實(shí)測(cè)磁流變阻尼器出力曲線(圖4)可以看出,在簡(jiǎn)諧激振力作用下控制電流恒定時(shí),其出力過(guò)程可近似為一條正弦曲線。這說(shuō)明在振動(dòng)試驗(yàn)中,磁流變阻尼器的作用是給模型系統(tǒng)增加了一個(gè)阻尼。實(shí)測(cè)的磁流變阻尼器在不同電流狀態(tài)下的出力幅值如圖5所示。

圖4 施加控制電流2A時(shí)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(guān)系

根據(jù)阻尼力幅值的計(jì)算公式,按照實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,可得出磁流變阻尼器對(duì)應(yīng)各個(gè)電流的阻尼,如圖6所示。該阻尼的變化規(guī)律符合二次多項(xiàng)式的情況,其擬合方程式為

此現(xiàn)象表明,線性地改變磁流變阻尼器的電流相當(dāng)于以二次函數(shù)改變隔離器系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

圖6 磁流變阻尼器阻尼與電流之間的關(guān)系

2.2.2 振動(dòng)響應(yīng)與激振頻率的關(guān)系

下面列出了模型控制質(zhì)量為 2 000 kg,激振力為24 kN的典型工況的試驗(yàn)結(jié)果。圖7～圖9分別給出了力傳遞率、位移放大系數(shù)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(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)、加速度幅值隨著電流的增加而不斷減小;

2)系統(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)、加速度幅值出現(xiàn)了3個(gè)峰值,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)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(guān)系曲線

圖8 位移放大系數(shù)與頻率比的關(guān)系曲線

圖9 加速度與頻率比的關(guān)系曲線

3)系統(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)總體表現(xiàn)為在低頻處較大,在高頻處較小。

3 船用隔離器振動(dòng)特性分析

根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)隔離器系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析,分析所采用的數(shù)據(jù)為模型的控制質(zhì)量,即2 000 kg的典型工況的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.1 振動(dòng)響應(yīng)與激振頻率的關(guān)系

1)對(duì)隔離器模型的控制作用主要體現(xiàn)在對(duì)振動(dòng)峰值的抑制上,其數(shù)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(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)果?？刂齐娏髦饾u增大,力傳遞率隨之減小。當(dāng)控制電流達(dá)到額定電流 2 A時(shí),力傳遞率降到最低,數(shù)值為1.1?？梢姶帕髯冏枘崞鲗?duì)系統(tǒng)力傳遞率的峰值具有較好的控制效果,與沒(méi)有磁流變阻尼器時(shí)相比較,響應(yīng)峰值降低了34.5%。位移放大系數(shù)的控制規(guī)律與力傳遞率的控制規(guī)律基本相同,在沒(méi)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(shí)相比,系統(tǒng)最大的位移放大系數(shù)也有了一定的降低。當(dāng)控制電流達(dá)到額定電流 2 A時(shí),位移放大系數(shù)降到最低,數(shù)值為1.1。在磁流變阻尼器的控制下,響應(yīng)峰值最大可降低41.2%。試驗(yàn)結(jié)果表明,隔離器系統(tǒng)在低頻減振方面具有較好的作用效果,與單獨(dú)使用鋼絲繩彈簧相比有了較大程度的改善。這是因?yàn)樵陬l率較低時(shí),增加系統(tǒng)阻尼可以降低系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。

2)試驗(yàn)振動(dòng)響應(yīng)峰值主要在3～ 5 Hz和10 Hz附近。動(dòng)態(tài)特性測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果表明,豎直方向的固有頻率分別為6.1和13.2Hz。這是因?yàn)榧虞d系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)調(diào)零過(guò)程對(duì)隔離器系統(tǒng)產(chǎn)生了預(yù)壓,使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的變形,鋼絲繩彈簧的剛度減小,造成系統(tǒng)的固有頻率下降。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,該預(yù)壓引起的鋼絲繩彈簧變形為 4～ 5 mm,這使單個(gè)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(tǒng)的剛度降低了 32%,即實(shí)際激振時(shí)系統(tǒng)的固有頻率降低為原狀態(tài)的0.82倍。結(jié)合動(dòng)態(tài)特性測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果可知,實(shí)際激振時(shí)隔離器系統(tǒng)的前兩階固有頻率應(yīng)該為 5和 10.82 Hz,這與試驗(yàn)結(jié)果較為符合。

表1 安裝磁流變阻尼器前、后振動(dòng)響應(yīng)峰值的變化

3)低頻時(shí)的峰值明顯高于高頻時(shí)的峰值,這主要是因?yàn)榧虞d系統(tǒng)的作動(dòng)筒出力方式是以激振頻率達(dá)到要求為目標(biāo)。當(dāng)激振頻率較高時(shí),激振力的實(shí)際力幅出現(xiàn)了較大衰減,衰減情況見圖10。圖中:Fi為輸入給作動(dòng)筒的激振力幅值的指令值;Fo為作動(dòng)筒實(shí)際輸出的激振力幅值。

按照激振力衰減情況對(duì)力傳遞率與頻率關(guān)系曲線圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可得實(shí)際的力傳遞率與頻率比關(guān)系曲線,如圖11所示。當(dāng)頻率比等于 1時(shí),最大力傳遞率發(fā)生在無(wú)阻尼器時(shí),其值為6.36,最小力傳遞率發(fā)生在阻尼器電流為 2A時(shí),其值為 0.9,減幅達(dá)到了85.85%。

4)由豎直方向加速度響應(yīng)曲線可看出,振動(dòng)響應(yīng)的峰值更明顯地體現(xiàn)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(shí)所得結(jié)論相一致。

圖10 激振力的衰減曲線

圖11 轉(zhuǎn)換后的力傳遞率與頻率比的關(guān)系曲線

3.2 振動(dòng)響應(yīng)與控制電流關(guān)系的變化規(guī)律

下面給出控制質(zhì)量為 1 000,1 600,2 000 kg狀態(tài)下,試驗(yàn)時(shí)的位移響應(yīng)隨電流的變化關(guān)系的典型曲線。系統(tǒng)的位移響應(yīng)整體表現(xiàn)為隨電流的增大而減小,并且在振動(dòng)位移響應(yīng)較大時(shí),響應(yīng)曲線明顯表現(xiàn)為一條上凸的曲線,如圖 12所示。這說(shuō)明隨著電流的增大,電流的變化對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響能力在增強(qiáng)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),振動(dòng)的位移幅值與電流的關(guān)系為平方關(guān)系,其理論關(guān)系曲線見圖13?？梢?實(shí)測(cè)曲線與理論計(jì)算曲線所顯示的規(guī)律是一致的。

圖12 位移與電流的關(guān)系曲線

圖13 位移與電流的理論關(guān)系曲線

3.3 振動(dòng)響應(yīng)與控制質(zhì)量關(guān)系的變化規(guī)律

激振力為24 kN,控制電流為0,1.0,2.0 A狀態(tài)下,位移響應(yīng)隨質(zhì)量的變化關(guān)系曲線如圖 14所示。由曲線的變化趨勢(shì)可以看出,在各種電流狀態(tài)下,系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)均表現(xiàn)為隨控制質(zhì)量的增加而減小。在控制質(zhì)量由 1 000 kg增加至 2 000 kg時(shí),振動(dòng)響應(yīng)的降幅見表 2。

圖14 位移與質(zhì)量的關(guān)系曲線

表2 由質(zhì)量變化引起的振動(dòng)響應(yīng)降幅

由強(qiáng)迫振動(dòng)的位移響應(yīng)的計(jì)算式可知,在其他條件固定的情況下,振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的增加會(huì)降低系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。

4 結(jié) 論

1)基于現(xiàn)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(shè)計(jì)的船用隔離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是合理的,經(jīng)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證,船用隔離器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)正常。

2)磁流變阻尼器與鋼絲繩彈簧相并聯(lián)構(gòu)成的減振系統(tǒng)對(duì)低頻振動(dòng)響應(yīng)有較好的控制作用,力傳遞率的減幅可達(dá) 85.85%,隔振效率較好。

3)磁流變阻尼器對(duì)系統(tǒng)的控制作用在激振載荷幅值較大、頻率較低時(shí)更加明顯。

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