拖曳式試驗系統(tǒng)拖纜平臺振動測試與分析

李 繼，周其斗，謝志勇，儀修陽

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

拖曳式試驗系統(tǒng)拖纜平臺振動測試與分析

李 繼，周其斗，謝志勇，儀修陽

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

工程應(yīng)用中，拖曳式試驗系統(tǒng)拖纜平臺存在明顯的振動現(xiàn)象，振動產(chǎn)生的輻射噪聲會對環(huán)境聲場產(chǎn)生影響?；谕侠|平臺的結(jié)構(gòu)及運行原理，分析其內(nèi)部的主要激勵源，并進行現(xiàn)場振動測試。測試試驗對平臺支柱、絞車系統(tǒng)和隔振裝置的振動信號進行了測量和分析，結(jié)果表明，平臺支柱存在一定程度的振動，絞車機架振動主要由傳動裝置激勵產(chǎn)生，隔振螺栓隔振效果不佳。測試數(shù)據(jù)及結(jié)果可為系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的優(yōu)化設(shè)計和振動控制提供參考。

拖曳式試驗系統(tǒng)；拖纜平臺；現(xiàn)場測試；模態(tài)分析

0 引 言

聲學(xué)測量試驗是研究水下航行體聲振特性的有效途徑，其前提是要保證相對理想的聲場環(huán)境。拖曳式試驗系統(tǒng)專用于拖曳航行狀態(tài)下的聲學(xué)測試，它可以保證航行體無動力航行，保持航行狀態(tài)與航速的穩(wěn)定，但系統(tǒng)本身運行產(chǎn)生的噪聲將傳遞到測試環(huán)境中，繼而改變試驗聲場的聲學(xué)特性。拖纜平臺是試驗系統(tǒng)的核心裝置，研究其激振源產(chǎn)生機理和振動傳遞特性，具有重要工程價值。

要解決工程上結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動問題，現(xiàn)場振動測試與分析技術(shù)是必不可少的重要手段[1]。張連東等[2]對某卷揚機平臺進行了多參數(shù)現(xiàn)場測試，提出傳動裝置的動態(tài)特性是平臺振動的主要因素；王山山等[3]結(jié)合水電站平臺現(xiàn)場測試結(jié)果，采用相關(guān)分析的方法討論了平臺振動的主要原因；塔娜等[4]采用模態(tài)分析的方法，對起重機設(shè)備工作頻率內(nèi)的共振現(xiàn)象作了相關(guān)研究。

對于機械結(jié)構(gòu)的振動問題，工程上一般以自由速度描述結(jié)構(gòu)激勵源的輸入特性。嚴斌等[5–6]研究了機械設(shè)備在自由懸掛及彈性安裝下的自由速度，討論并驗證了以自由速度表征激勵特性的合理性；原春暉[7]對設(shè)備機腳處響應(yīng)加速度的測試方法作了重點介紹。對于結(jié)構(gòu)振動信號的處理，頻譜分析是提取特性信息的主要手段。文獻[8]和文獻[9]根據(jù)所測試設(shè)備的頻譜曲線，分析了設(shè)備運行過程的振動特性，并解釋了頻域上振動加速度出現(xiàn)峰值的原因。

本文以拖纜平臺為測試對象，對平臺支柱、絞車系統(tǒng)及隔振裝置重要部位的加速度信號進行測量，采用頻譜分析和模態(tài)分析的方法，獲取平臺振動特性、振動產(chǎn)生與傳遞機理及隔振裝置隔振效果等相關(guān)信息，為系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的優(yōu)化設(shè)計和振動控制提供參考。

1 拖纜平臺結(jié)構(gòu)及原理

拖纜平臺（見圖1）主要由牽引絞車、張緊絞車及相關(guān)配套裝置構(gòu)成，牽引絞車起到提供動力、儲存纜繩的作用，張緊絞車負責(zé)放繩，控制纜繩張緊度。二者除部分設(shè)備型號不同外，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和配置基本相同。以牽引絞車為例，從上向下依次為傳動裝置、機座、隔振裝置與公共底座，公共底座固支于平臺。作為絞車結(jié)構(gòu)的動力源，傳動裝置同時也是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的主要激勵源，其主要傳動關(guān)系為：電動機產(chǎn)生的動力，經(jīng)聯(lián)軸器傳遞給減速機，通過減速機低速軸行的離合器帶動小齒輪運轉(zhuǎn)，再由輸出軸上的小齒輪傳遞給固定在主軸上的大齒輪；大齒輪與卷筒用螺栓連接為一整體，從而帶動卷筒運轉(zhuǎn)；纜繩固定端用壓繩板固定在卷筒上，從而帶動纜繩提升、拖拽重物（見圖2）。

2 現(xiàn)場振動測試

為了全面衡量拖纜平臺運行狀態(tài)下的振動情況，分別對平臺支柱、絞車系統(tǒng)及隔振裝置進行現(xiàn)場測試。測試系統(tǒng)包括壓電式三向加速度計，信號放大器以及Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、同步采集。測試工況為拖拽速度2 kn，4 kn及6 kn下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，規(guī)定以卷揚機轉(zhuǎn)動軸線方向為軸向，切線方向為徑向，垂線方向為垂向。另外，航行體噪聲試驗一般只關(guān)注600 Hz以下頻段內(nèi)的輻射噪聲，且高頻振動易于衰減，故測試將主要對該頻段進行分析。測試的主要內(nèi)容及原理為：

1）測試拖纜平臺空載運行狀態(tài)下的振動特性。在平臺中心支柱布置一個三向加速度計，分別測量系統(tǒng)運行及關(guān)閉狀態(tài)下的振動加速度。

2）測試絞車系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)下的振動特性。以牽引絞車為對象，分別對掛纜與空纜狀態(tài)下不同拖拽速度的振動加速度進行測量。其中，分別將傳動裝置、機架結(jié)構(gòu)作為激勵源測試和響應(yīng)測試的測試對象，測點布置及測試原理如圖2和圖3所示。

3）測試絞車隔振裝置的隔振效果。測點分別置于隔振螺栓上端平板及下端平板，以便于比較分析。

測試過程中，所采用的儀器設(shè)備和采集板卡需要滿足無失真測量條件[10]，以保證測試結(jié)果的準確、可信。綜合分析加速度計與采集板卡相應(yīng)的幅頻和相頻特性曲線，測試頻率在10 Hz至幾十千赫茲范圍內(nèi)測量數(shù)據(jù)不失真。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 平臺支柱測試分析

平臺支柱是連接振動源與水面的唯一通道，其振動響應(yīng)可用于描述振動源的振動特性[11]。以6 kn拖曳速度為例，圖4為平臺系統(tǒng)運行與關(guān)閉狀態(tài)下徑向方向的頻譜比較，可以看出，平臺系統(tǒng)運行與關(guān)閉狀態(tài)存在明顯振級落差，且在200 Hz處出現(xiàn)峰值。

同樣，可以得到軸向頻譜在48 Hz和57 Hz時取極大值，垂向峰值頻率為57 Hz，200 Hz，241 Hz及295 Hz，這些特征頻率信息可為水中聲場測試提供參考。由計算可得，50～200 Hz頻段內(nèi)拖纜平臺3個方向上的平均振級落差為10 dB，振動現(xiàn)象明顯。而聲場測試結(jié)果表明，距平臺1.5 km處的環(huán)境聲場基本不受平臺振動的影響，這是由于振動產(chǎn)生的輻射噪聲在水中長距離傳播后，能量得到很大程度的衰減。

3.2 絞車系統(tǒng)測試分析

頻譜分析法可用于分析傳動裝置各激勵位置的特征頻率，以及機架響應(yīng)譜的特征頻率。另外，采用有限元模態(tài)分析可以得到機架結(jié)構(gòu)的固有頻率。將機架響應(yīng)頻率同激勵頻率及固有頻率相比較，可以基本確定引起結(jié)構(gòu)振動的原因。

圖5是工況為6 kn，掛纜與空纜2種狀態(tài)下卷揚機兩端加速度頻譜曲線。由圖6可見，掛纜與空纜狀態(tài)下的頻譜特性不同，掛纜后低頻振動受到抑制，高頻振動稍有增大。這是由于纜繩變張緊力作用于卷筒，且作用點隨纜繩纏繞沿卷筒軸線方向移動，造成轉(zhuǎn)動不平衡。由6 kn頻譜曲線，左端測點在60 Hz，130 Hz及210 Hz存在振級峰值，右端測點峰值頻率為210 Hz。

系統(tǒng)以6 kn速度運行時，電機轉(zhuǎn)速為590 r/min，轉(zhuǎn)動頻率約為10 Hz，可得到用階表示的頻譜曲線（見圖6）。由圖6可見，減速機存在多個諧波頻率，如6×、21×、42×等；電機主要在2×及21×出現(xiàn)峰值，其他諧頻幅值稍小，但不可忽略。可見，減速機、電機運行時振動劇烈，諧頻成份較多，這說明設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在不平衡、不對中現(xiàn)象，運行產(chǎn)生的振動頻率將主要為轉(zhuǎn)頻及其諧波。

考慮機架共振的情況，對機架有限元模型進行模態(tài)分析。機架主要模態(tài)及固有頻率如表1所示，圖7為機架24階及111階模態(tài)振型圖。

表 1 機架主要模態(tài)頻率Tab. 1 Main models frequencies of winch frame

圖8是6 kn速度下，機架結(jié)構(gòu)典型測點的頻譜曲線。由圖可見，1號響應(yīng)點在60 Hz及210 Hz出現(xiàn)振動峰值。響應(yīng)特征頻率與卷揚機左端測點激勵頻率相對應(yīng)，且不屬于任何一階固有頻率，這說明卷揚機轉(zhuǎn)動是引起機架左端振動的原因之一。6號響應(yīng)點出現(xiàn)峰值的頻率較多，主要為190 Hz，210 Hz及420 Hz，與減速機激勵頻率相對應(yīng)，說明該部位的振動與減速機激勵輸入有關(guān)；而190 Hz與420 Hz接近機架24階、111階固有頻率，機架結(jié)構(gòu)存在共振現(xiàn)象。7號響應(yīng)點峰值頻率為210 Hz，卷揚機、減速機及電機三者均存在與之相對應(yīng)的激勵頻率，故機架結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)與3個激勵位置的激勵特性均有關(guān)系，而相應(yīng)的貢獻程度需做進一步分析。

3.3 隔振裝置測試分析

為減小振動的傳遞，絞車機架與公共底座間設(shè)有一定數(shù)目的板間隔振螺栓，可采用振級落差來衡量其隔振效果[12]。圖9為6 kn工況下機架左端隔振螺栓上下端振動級曲線，可以看出，200 Hz以下頻段無明顯隔振效果，隔振效果主要出現(xiàn)在300～600 Hz頻段內(nèi)，振級落差約為5 dB?？傮w來說，該型隔振螺栓隔振效果不佳，不能達到隔振的設(shè)計要求。在試驗系統(tǒng)設(shè)計研究階段，由于隔振螺栓的構(gòu)型設(shè)計并未進行充分的研究論證，螺栓間橡膠墊片厚度較薄，結(jié)構(gòu)構(gòu)型過于簡單，因而影響其隔振效果。

4 結(jié) 語

根據(jù)拖纜平臺結(jié)構(gòu)及運行原理，分析其內(nèi)部的主要激勵源，有針對性地進行現(xiàn)場振動測試與分析，可得出以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，平臺支柱將產(chǎn)生一定程度的振動，但在水中長距離傳播后，對聲場環(huán)境基本不造成影響。

2）絞車傳動裝置的動態(tài)特性是引起結(jié)構(gòu)振動的主要原因，各激勵位置頻率成份復(fù)雜，運行過程中存在不平衡現(xiàn)象。機架結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)與3個激勵位置的激勵特性均有關(guān)系，且部分響應(yīng)頻率與共振有關(guān)。

3）實際工程應(yīng)用中，隔振螺栓的隔振效果不佳，未能達到預(yù)期的設(shè)計要求。

4）現(xiàn)場振動測試試驗獲取的關(guān)于平臺振動頻率特性、絞車結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)及隔振裝置振級落差等信息可為試驗系統(tǒng)聲場測試、絞車結(jié)構(gòu)振動特性及其控制研究提供支持。

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Vibration tests and analysis of tow cable platform in a towed test system

LI Ji, ZHOU Qi-dou, XIE Zhi-yong, YI Xiu-yang
(Dept. of Naval Achitecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Obvious vibration occurs on tow cable platform of towed test system in the engineering application, and its radiated noise may influence the acoustic fields. Based on the structure and mechanism of tow cable platform, its main excitation sources are analyzed and tested in the field. The tests objects contain vibration signals of platform pillar, winch system, and vibration isolation. Therefore, the results show that the platform pillar has a degree of vibration, the excitation of transmission devices are the main causes of vibration of the winch frame, and effects of the vibration isolation is poor. The measured data and analyzed results can provide reference for the further optimization design on engineering and vibration control.

a towed test system；tow cable platform；field test；model analysis

U661.74

A

1672 – 7649(2017)08 – 0110 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.023

2016 – 07 – 06

李繼(1992 – )，男，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制。