李海濤，賀 華，丁 煒，王 強(qiáng)

(上海船舶設(shè)備研究所，上海200031)

一種復(fù)合機(jī)座對設(shè)備隔振效果影響試驗(yàn)

李海濤，賀 華，丁 煒，王 強(qiáng)

(上海船舶設(shè)備研究所，上海200031)

通過隔振理論分析，設(shè)計復(fù)合設(shè)備機(jī)座的隔振效果試驗(yàn)方案，并討論試驗(yàn)方案中振級落差和插入損失的關(guān)系；通過試驗(yàn)分析，研究復(fù)合設(shè)備機(jī)座自身的隔振效果與其對試驗(yàn)系統(tǒng)的隔振效果的影響，結(jié)果表明復(fù)合設(shè)備機(jī)座具有較好的高頻隔振效果，但對不同隔振系統(tǒng)的隔振效果影響不同。

振動與波；復(fù)合設(shè)備機(jī)座；單層隔振系統(tǒng)；雙層隔振系統(tǒng)；隔振效果

為了降低船舶的輻射噪聲，需要通過彈性元件對主要振動設(shè)備進(jìn)行振動隔離，以降低其振動能量的傳遞，達(dá)到減小船體結(jié)構(gòu)振動的目的。在船舶設(shè)備振動隔離中通常采用單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)[1]。

近幾年，隨著新型復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合設(shè)備機(jī)座已逐步應(yīng)用于艦艇的振動控制中。文獻(xiàn)[2]研究了不同夾層材料與幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)抑振量的影響，得出增加夾層層數(shù)對結(jié)構(gòu)抑振的提高量有限，增加夾層厚度可改善抑振性能，采用較硬的約束層和較軟的阻尼層可顯著提高抑振量。文獻(xiàn)[3]通過電－力類比的方法建立了彈性基座的導(dǎo)納分析模型，提出了單層隔振系統(tǒng)中彈性基座噪聲控制的基本原則。文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)研究的方法，研究了夾芯復(fù)合材料基座的隔振效果，得出夾芯復(fù)合材料基座均具有較好的隔振效果,且能夠有效抑制高頻共振的結(jié)論。

目前，國內(nèi)對復(fù)合材料設(shè)備機(jī)座的研究主要是基座自身的隔振效果。本文通過試驗(yàn)分析，研究一種復(fù)合設(shè)備機(jī)座（以下簡稱復(fù)合機(jī)座）對設(shè)備隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，為復(fù)合機(jī)座的研制及工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 隔振理論分析

在船舶工程中，應(yīng)用隔振系統(tǒng)的目的是減小設(shè)備的振動傳遞，因此，對隔振系統(tǒng)進(jìn)行評估的指標(biāo)是設(shè)備振動量級的衰減量。目前常用的隔振效果評估指標(biāo)有力傳遞率、插入損失、振級落差等。一般以力傳遞率作為隔振效果的理論預(yù)測論據(jù)，以插入損失或振級落差來評定各種實(shí)際系統(tǒng)的隔振效果。這三個評價指標(biāo)是從不同角度推導(dǎo)出來的。力傳遞率主要是針對理論研究，振級落差在試驗(yàn)分析中測量最為簡單，只需測量隔振器上下兩端的振動量級之差就可得出其值，然而設(shè)計者最感興趣的是插入損失,它可理解為經(jīng)過隔振系統(tǒng)的作用，基礎(chǔ)的原始振動量級的降低值，體現(xiàn)了裝與不裝隔振系統(tǒng)的直接效果。

假設(shè)試驗(yàn)設(shè)備與基礎(chǔ)是質(zhì)量分別為m與M的集中質(zhì)量塊，隔振系統(tǒng)的剛度為k，阻尼為c，所以設(shè)備阻抗Zm=iwm，基礎(chǔ)阻抗ZM=iwM，隔振系統(tǒng)阻抗則插入損失LI與振級落差LD[6]可寫為

在設(shè)計隔振系統(tǒng)時，基礎(chǔ)阻抗一般比隔振系統(tǒng)阻抗大5～10倍，當(dāng)基礎(chǔ)阻抗遠(yuǎn)小于設(shè)備阻抗時，插入損失LI與振級落差LD近似相等；當(dāng)基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相當(dāng)時，插入損失LI比振級落差LD約小5 dB左右；當(dāng)基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相比較大時，插入損失LI遠(yuǎn)小于振級落差LD。為此，可以看出，振級落差僅在基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相比小于1時，才可近似反映隔振系統(tǒng)的隔振效果。

1.2 復(fù)合機(jī)座的設(shè)計依據(jù)

在隔振設(shè)計中，一方面，要求系統(tǒng)的固有頻率很低,通常外部激勵頻率要大于固有頻率的倍才能起隔振作用，另一方面,隔振系統(tǒng)作為支撐結(jié)構(gòu),為了保證設(shè)備的安裝精度和支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又要求有足夠的支撐結(jié)構(gòu)剛度。利用復(fù)合材料良好的阻尼特性,在剛性基座的設(shè)備安裝連接處填充復(fù)合材料，復(fù)合機(jī)座結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)座中復(fù)合材料部分的幾何尺寸為400 mm×80 mm×15 mm，E=454 MPa, μ=0.44，機(jī)座外形尺寸為1 100 mm×500 mm×70 mm，質(zhì)量為278 kg。

圖1 復(fù)合機(jī)座結(jié)構(gòu)

1.3 隔振試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

在試驗(yàn)中采用模擬船用設(shè)備的陸上系統(tǒng)來模擬復(fù)合機(jī)座的工作環(huán)境。模擬船用設(shè)備系統(tǒng)由兩臺電機(jī)、復(fù)合機(jī)座、中間質(zhì)量、隔振器、基座組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩臺電機(jī)與復(fù)合機(jī)座連接，復(fù)合機(jī)座通過隔振器與中間質(zhì)量連接，中間質(zhì)量最終與基座相連，組成一套雙層隔振系統(tǒng)。為研究設(shè)備機(jī)座對隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，原動機(jī)選用Y系列(IP 44)電動機(jī)，機(jī)座號為225 M，極數(shù)為2，重量約為309 kg，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，功率為15 kW。中間質(zhì)量重577 kg，機(jī)座質(zhì)量為2 632.94 kg。在設(shè)計試驗(yàn)系統(tǒng)時充分考慮到中間質(zhì)量阻抗、基座阻抗與設(shè)備阻抗的關(guān)系，中間質(zhì)量的原點(diǎn)速度阻抗對于設(shè)備的阻抗是比較小，基座隔振器安裝連接處原點(diǎn)速度阻抗對于設(shè)備的阻抗是比較小的。所以根據(jù)（1）、（2）式可知，針對此試驗(yàn)系統(tǒng)插入損失LI與振級落差LD均能正確反映隔振效果。

考慮到為了試驗(yàn)研究復(fù)合機(jī)座對設(shè)備隔振效果的影響，采用在試驗(yàn)時通過更換與復(fù)合機(jī)座結(jié)構(gòu)相同而不含有復(fù)合材料的剛性機(jī)座進(jìn)行對比試驗(yàn)，進(jìn)而得到復(fù)合機(jī)座的插入損失。本論文對設(shè)備隔振系統(tǒng)隔振效果的評估指標(biāo)統(tǒng)一選用插入損失。機(jī)械振動噪聲的分析頻率范圍為10 Hz～8 000 Hz,并且采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的加速度傳感器與LMS公司的采集器和軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。

2 復(fù)合機(jī)座隔振效果的試驗(yàn)分析

為了分析復(fù)合機(jī)座的隔振效果，將復(fù)合機(jī)座與基座直接剛性連接，其結(jié)構(gòu)如圖3。在試驗(yàn)時通過更換與復(fù)合機(jī)座結(jié)構(gòu)相同的剛性機(jī)座進(jìn)行對比試驗(yàn)，進(jìn)而得到復(fù)合機(jī)座的插入損失，從而研究其自身的隔振效果。

圖3 復(fù)合機(jī)座的隔振效果試驗(yàn)系統(tǒng)

由圖4可知，在低頻段復(fù)合機(jī)座對振動激勵頻率50 Hz處起到約3 dB的放大作用，并且從160 Hz起對電機(jī)振動起到衰減作用。

圖4 復(fù)合機(jī)座與剛性機(jī)座的低頻振動加速度

由圖5可知，雖然在部分高頻段復(fù)合機(jī)座對電機(jī)振動沒有起到衰減作用，但是在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz，復(fù)合機(jī)座對電機(jī)振動仍起到衰減作用。從圖4和圖5對比可得出,復(fù)合機(jī)座在中高頻段加速度響應(yīng)比剛性機(jī)座要小得多,所以復(fù)合機(jī)座能夠有效地抑制中高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。

圖5 復(fù)合機(jī)座與剛性機(jī)座的中高頻振動加速度

由圖4與圖5可知，復(fù)合機(jī)座的低頻隔振效果為3.85 dB，中高頻隔振效果為6.81 dB，全頻段為6.93 dB，所以復(fù)合機(jī)座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。由于考慮到設(shè)備安裝強(qiáng)度問題，復(fù)合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率沒有處于大于固有頻率的倍的區(qū)域，所以使得軸頻處的加速度放大約3 dB。

3 復(fù)合機(jī)座對隔振系統(tǒng)隔振效果影響分析

由于在船舶設(shè)備振動隔離中通常采用單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)[7]，所以本文主要研究復(fù)合機(jī)座對單層隔振系統(tǒng)與雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

3.1 復(fù)合機(jī)座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果影響的試驗(yàn)分析

為了試驗(yàn)分析復(fù)合機(jī)座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，將復(fù)合機(jī)座與基座通過隔振器連接，其結(jié)構(gòu)如圖6。在試驗(yàn)時，通過更換與復(fù)合機(jī)座結(jié)構(gòu)相同而不含有復(fù)合材料的剛性機(jī)座進(jìn)行對比試驗(yàn)，進(jìn)而得到復(fù)合機(jī)座對單層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

圖6 復(fù)合機(jī)座對單層隔振隔振效果影響試驗(yàn)系統(tǒng)

由圖7可知，安裝了復(fù)合機(jī)座的單層隔振系統(tǒng)與剛性機(jī)座情況下的單層隔振系統(tǒng)相比，在低頻段復(fù)合機(jī)座對振動激勵頻率50 Hz處起到約7 dB的放大作用，但是在100 Hz處對電機(jī)的二倍頻激勵起到了大約9 dB的衰減作用，并且在100 Hz處開始對電機(jī)的低頻振動起到衰減作用。

圖7 復(fù)合機(jī)座與剛性機(jī)座的低頻振動加速度

由圖8可知，安裝了復(fù)合機(jī)座的單層隔振系統(tǒng)與剛性機(jī)座的單層隔振系統(tǒng)相比在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz對振動均有明顯的抑制作用。在500 Hz與2 500 Hz處復(fù)合機(jī)座的隔振效果最小，分別約為2.67 dB與2.09 dB，而在其余頻段隔振效果均在5 dB以上，并且大部分頻段的隔振效果在13 dB以上。

從圖7和圖8對比可得出,安裝了復(fù)合機(jī)座單層隔振系統(tǒng)的低頻隔振效果為13.41 dB，中高頻隔振效果為31.47 dB，全頻段為34.89 dB，而安裝剛性機(jī)座單層隔振系統(tǒng)的低頻隔振效果為10.17dB，中高頻隔振效果為19.79 dB，全頻段為22.27 dB。所以可以看出復(fù)合機(jī)座相對于剛性機(jī)座在本套單層隔振試驗(yàn)系統(tǒng)中能夠有效地抑制中高頻共振峰，提升11.68 dB的中高頻隔振效果。由于復(fù)合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率處于隔振系統(tǒng)的二次共振峰區(qū)域，所以使得軸頻處的加速度放大約7 dB，但是由于在電機(jī)的二倍頻處對振動起到衰減作用，所以低頻段相比于剛性機(jī)架仍提高了3.24 dB的隔振效果，并且在全頻段提高了12.62 dB的隔振效果。

圖8 復(fù)合機(jī)座與剛性機(jī)座的中高頻振動加速度

3.2 復(fù)合機(jī)座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果影響的試驗(yàn)分析

為了試驗(yàn)分析復(fù)合機(jī)座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響，選用結(jié)構(gòu)如圖1所示的雙層隔振系統(tǒng)。在試驗(yàn)時通過更換剛性機(jī)座進(jìn)行對比試驗(yàn),進(jìn)而得到復(fù)合機(jī)座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響。

圖9 復(fù)合機(jī)座對雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的影響

由圖9可知，安裝了復(fù)合機(jī)座的雙層隔振系統(tǒng)與剛性機(jī)座的雙層隔振系統(tǒng)在全頻段10 Hz～8 000 Hz的隔振效果幾乎是一致的，并且從試驗(yàn)分析得到安裝了復(fù)合機(jī)座的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果為48.7 dB，而剛性機(jī)座情況下的雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果為48.1 dB，從而得出對于本套雙層隔振試驗(yàn)系統(tǒng)，這種復(fù)合機(jī)座并不能顯著提高全頻段的隔振效果。

4 結(jié)語

本文針對一種復(fù)合機(jī)座，設(shè)計了一個隔振效果試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)分析，主要研究了一種復(fù)合設(shè)備機(jī)座對試驗(yàn)系統(tǒng)的隔振效果的影響，并對結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)復(fù)合機(jī)座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果；

(2)將復(fù)合機(jī)座應(yīng)用于單層隔振試驗(yàn)系統(tǒng)中能夠在高頻段進(jìn)一步增加隔振效果，從而在不增加整個單層隔振試驗(yàn)系統(tǒng)質(zhì)量的情況下，增加其隔振效果；

(3)將復(fù)合機(jī)座應(yīng)用于雙層隔振試驗(yàn)系統(tǒng)中，并不能增加其隔振效果。

綜上，設(shè)計合理的復(fù)合機(jī)座能夠有效地抑制高頻共振峰，取得較好的高頻隔振效果，并且在單層隔振系統(tǒng)中也能夠在高頻段進(jìn)一步增加隔振效果。但是，對于在雙層隔振系統(tǒng)中應(yīng)用復(fù)合機(jī)座可能會沒有效果，如何正確的選擇和優(yōu)化復(fù)合機(jī)座,則需要進(jìn)行更多細(xì)致的研究工作。

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Research of the Impact of a Composite Foundation on the Effect of Equipment’s Vibration Isolation

LI Hai-tao,HE Hua,DING Wei,WANG Qiang

(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

Abastract∶The test scheme of a composite equipment foundation for vibration isolation is worked out and the relationship between the vibration level difference and the insertion loss in the test scheme is discussed through theoretical analysis.Through the test analysis,the vibration isolation effect of the non-metallic equipment foundation is studied and its impact on the vibration isolation effect of the test system with the composite equipment foundation is analyzed.The results show that the composite equipment foundation has good vibration isolation effect in high-frequency,but has different vibration isolation effects for different isolation systems.

∶vibration and wave;composite equipment foundation;single-layer isolation system;double-layer isolation system;vibration isolation effect

O422.6< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.045

1006-1355(2014)06-0202-04

2014-07-21

李海濤（1989-），男，遼寧省朝陽市人，碩士生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)備振動噪聲沖擊控制研究。

E-mail∶leewaver@163.com