溫 瑞，肖國華

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江寧波 315012）

0 引言

核電堆水下電火花加工振動隔離技術(shù)的主要原理即為在主系統(tǒng)與振源之間連接彈性結(jié)構(gòu)，憑借彈性結(jié)構(gòu)減小振源對主系統(tǒng)的振動影響［1］。從結(jié)構(gòu)上分類，隔振系統(tǒng)分為單層隔振系統(tǒng)、雙層隔振系統(tǒng)以及浮筏隔振系統(tǒng)，單層隔振系統(tǒng)在大量的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，其在高頻域的隔振性能并不理想；雙層隔振系統(tǒng)彌補了單層隔振系統(tǒng)的部分缺失，具有良好的隔振性能，但體積一般過大，過于笨重；近二十年，浮筏隔振系統(tǒng)應(yīng)運而生，浮筏隔振系統(tǒng)實為多機組多激勵的雙層隔振系統(tǒng)，可在達到雙層隔振系統(tǒng)隔振效果的前提下同時具有質(zhì)量小占用空間小的優(yōu)點［2-4］。

浮筏隔振系統(tǒng)具有良好的隔振功能，浮筏隔振系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于船舶動力裝置的振動隔離及其他相關(guān)動力機械振動的控制中［5］。在我國，小型浮筏隔振系統(tǒng)目前研究和應(yīng)用的范圍比較廣，而對于大型浮筏隔振系統(tǒng)的研究則相對比較少，還有待進一步地開展基礎(chǔ)研究工作，本文根據(jù)大型浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)備多、體積大等特點采用功率流的方式從能量的角度研究了其力與位移的關(guān)系，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對系統(tǒng)傳遞功率流的影響，在構(gòu)件試驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，對機組、筏架以及隔振器等組成部件的基本性能參數(shù)進行了分析，并總結(jié)出這些參數(shù)對功率流的影響，并給出了浮筏結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的基礎(chǔ)準(zhǔn)則。

1 浮筏隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計由4 臺具有相同參數(shù)的含電機循環(huán)水泵組成浮筏隔振裝置，如圖1 所示。4 臺水泵機組均勻等間隔，成對稱狀態(tài)安裝于隔振筏體上，單臺水泵機組設(shè)置有4個隔振器以增強隔振，筏體彈性安裝在基礎(chǔ)上以構(gòu)成減振浮筏，筏架分別通過隔振器和機組與地基相連，隔振系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別為上層的隔振器，下層的隔振筏體，上層隔振器總體高度設(shè)置為80 mm，下層隔振器總體高度設(shè)置為200 mm；隔振器安裝基礎(chǔ)面的阻尼為0.02，剛度系數(shù)經(jīng)測試后，表明為2.3×1012N/m。

圖1 含電機循環(huán)水泵浮筏隔振裝置

浮筏隔振機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及組件重量、力學(xué)構(gòu)件特性和規(guī)格尺寸如表1 所示，相應(yīng)的剛度系數(shù)如表2所示。

表1 浮筏整體結(jié)構(gòu)組件隔振系統(tǒng)參數(shù)

表2 上下層剛度因子及阻尼系數(shù)因子

2 功率流動力學(xué)建模

一種浮筏隔振系統(tǒng)的動力學(xué)模型如圖2所示，浮筏隔振系統(tǒng)是由許多零部件連接而成，浮筏隔振系統(tǒng)的隔振性能受包括剛度阻尼、質(zhì)量比等多種因素的影響，在本文中，突出主要參數(shù)對其性能的影響，其動力學(xué)特性主要受部件的質(zhì)量與阻尼的影響，根據(jù)這一特性將浮筏隔振系統(tǒng)簡化為基礎(chǔ)、筏體和設(shè)備三大模塊，以方便模型構(gòu)建。

圖2 浮筏隔振系統(tǒng)的動力學(xué)模型

對于實際周期振動結(jié)構(gòu)的振動功率流，按時間平均的功率流基本定義式即為：

響應(yīng)V（t）隨簡諧激振力F（t）同為簡諧函數(shù)，分別記為，功率流表達為激振頻率ω的函數(shù)，即：

其中V*、F*為共軛復(fù)函數(shù)，記M為結(jié)構(gòu)在F作用點處的導(dǎo)納，則有：

若F（t）的譜密度為GFF，相應(yīng)的，GVV為響應(yīng)速度譜密度即為，互譜密度為GFV，輸入上式中則有：

假設(shè)每個設(shè)備為理想剛體，考慮每個剛體6個自由度上的運動，其中第i個設(shè)備的質(zhì)心速度即表示為：

則有機械振源激勵質(zhì)心[ ]Qci：

其中第J（J=1，2，3，4）個隔振器上、下端的速度和作用力表示為：

由牛頓第三定律及胡可定律可得隔振器物理方程為：

得機組與筏體的動力傳遞方程分別為：

由剛體運動定律得：

列出耦合系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：

圖3 功率流在機組、筏架、臺基面上的傳遞

圖4 筏架重量與輸出功率流的關(guān)系

圖5 上隔振剛度與輸出功率流的關(guān)系

圖6 下隔振剛度與輸出功率流的關(guān)系

設(shè)由振源輸入第i臺機器的時間平均功率流為：

通過上層第i臺機器第j個隔振器輸入筏架的時間平均功率流：

通過下層第l個隔振器輸入基礎(chǔ)的時間平均功率流：

3 計算機仿真

將前述數(shù)據(jù)及推導(dǎo)公式，運用Matlab軟件進行仿真，得到隔振系統(tǒng)的功率輸出特性如以下結(jié)果所示，同時，也獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)與功率輸出流之間的關(guān)系，如圖3—8所示。

如圖3 所示，基礎(chǔ)出現(xiàn)多次波峰波谷，而水泵機組的傳遞功率流圖曲線最為平穩(wěn)，隔振筏架處于中間狀態(tài)，柔性基礎(chǔ)頻率超過一階固有頻率后出現(xiàn)多次波峰，而在剛性隔振理論中，當(dāng)其超過一階固有頻率后則會呈對數(shù)下降，此為剛性隔振理論不適合高頻隔振實踐的原因之一。如圖4 所示筏架質(zhì)量對固有頻率的影響不大，尤其是中高階固有頻率。如圖5—6 所示，隔振器剛度的減小會增強隔振效果，且下層隔振器的變化影響明顯強過上層的變化影響，不過在實際設(shè)計中應(yīng)注意必要強度要求。如圖7—8 所示，隔振器阻尼對傳遞功率流的影響不大，但是從整體上來看，隔振器阻尼的增大有利于消耗激振力，增強隔振性能。

圖7 上隔振阻尼因素與輸出功率流的關(guān)系

圖8 下隔振阻尼因素與輸出功率流的關(guān)系

4 結(jié)語

本文通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對功率傳遞流的影響，繪制了相應(yīng)的功率流曲線，并對相應(yīng)的功率流曲線進行分析，從中可以得到以下結(jié)論：（1）筏架雙層隔振系統(tǒng)能夠有效地控制高頻振源的功率流傳遞，且適當(dāng)?shù)奶岣叻ぜ艿馁|(zhì)量可以發(fā)揮更好的隔振效果，然而筏架雙層隔振系統(tǒng)對低頻振源的控制并不理想。（2）隔振器剛度的減小有利于提高浮筏雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果，且下層隔振器的參數(shù)改變影響效果大于上層隔振器參數(shù)改變的影響效果。（3）隔振器阻尼的改變可以影響中低階共振峰的功率流傳遞，彈簧阻尼的增加可以整體提高筏體雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果。