船用隔振器不同傾斜狀態(tài)下的剛度特性試驗研究

吳 超，帥長庚，張世軻，陳思旭

(1. 海軍工程大學 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

當前，隔振裝置技術(shù)是控制艦船機械噪聲最直接有效的手段，已廣泛應用[1]。隔振器選用是隔振裝置設(shè)計最重要的一個環(huán)節(jié)[2]，目前，隔振器評估主要基于垂向、橫向、縱向剛度參數(shù)，如圖1所示，隔振裝置根據(jù)實船安裝狀態(tài)，應用所選用隔振器的三向剛度參數(shù)開展效果評估。艦船在實際作戰(zhàn)航行時，由于外部環(huán)境作用或本艦戰(zhàn)術(shù)機動，不可避免會發(fā)生傾斜、搖擺，其彈性安裝設(shè)備狀態(tài)會發(fā)生變化，使隔振器產(chǎn)生一定角度的偏斜，這將與隔振裝置初始設(shè)計狀態(tài)發(fā)生偏離，這種偏離有可能惡化艦船輻射噪聲。傳統(tǒng)理論認為，隔振器不同安裝角度下的剛度可通過三向剛度線性疊加獲得[3]，而實際船用隔振器結(jié)構(gòu)復雜，在不同受力狀態(tài)下呈現(xiàn)非線性變化。本文選用氣囊、鋼絲繩和橡膠等三型常用的艦用隔振器，如圖2所示，通過設(shè)計不同角度安裝夾具，對這三型隔振器不同傾斜角度下的剛度變化規(guī)律進行試驗研究，這對于評估和控制作戰(zhàn)航行狀態(tài)艦船的實際輻射噪聲具有重要的指導意義。

1 隔振氣囊在傾斜狀態(tài)下模型及分析

以JYQN-2500型圓形艦用氣囊隔振器為例[4]，模擬發(fā)生傾斜后的情況，如圖3所示，圖中以氣囊中心為坐標原點，平行和垂直與隔振器底板方向為x、y軸建立平面直角坐標系，陰影部分斜角為傾斜角α，激振力F方向與重力方向保持一致。

理想情況下，JYQN-2500型隔振氣囊水平安裝時的垂向、橫向靜剛度特性可按下式進行分析計算[5]。

垂向剛度特性

圖 2 三型常用的艦用隔振器Fig. 2 Three common vibration isolators on ship

橫向剛度特性

式中：為氣囊橫向靜剛度，kgf/cm；χ為無量綱常數(shù)，取值為0.1～0.2；Rk0為囊體額定最大半徑，cm；Kz, 靜為Z向靜剛度，kgf/cm；γ為經(jīng)驗系數(shù)，等于0.7；ΔX為氣囊在X向的位移量，cm。

計算時要換算成上述指定的單位。

基礎(chǔ)傾斜情況下，傾斜角度α分別取3°，6°，9°，12°，設(shè)機械設(shè)備質(zhì)量對氣囊作用力為F，沿力F方向位移為L，滿足

顯然隔振器受力點位移方向和F方向并不一致，F(xiàn)方向上的位移與受力F滿足

式中，K為垂向剛度。

為了方便計算，在計算過程中給定垂直于氣囊的y方向位移和斜面傾斜角度，通過垂向和橫向負載與位移的對應關(guān)系分別計算出橫向及垂向位移x，y，再將x，y方向位移在力F方向上投影得到位移L，即隔振器在作用力F下的位移。因垂向和橫向動剛度計算時取值不盡相同，因此在理論和試驗中均選取平均值進行比較分析（見圖8），通過計算得到豎直方向隔振器剛度及其傾斜角度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖 4 氣囊隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 4 The stiffness of air spring at different angles of inclination

圖中隔振器的不同位移用不同標注的曲線表示，隔振器不同的位移也反映其不同的負載，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隨著傾斜角度的不斷增加，隔振器的垂向靜剛度會發(fā)生一定變化，但變化量不大，剛度最大變化量和0°時相比不超過3%。

2 隔振器剛度性能試驗

2.1 試驗設(shè)計

隔振器剛度特性試驗按照相關(guān)技術(shù)標準在10噸級MTS萬能試驗機上進行，利用加載法測試三型隔振器負載-位移曲線，每次測試分別進行3次，記錄選用第3次時的測試數(shù)據(jù)。根據(jù)測試要求，氣囊隔振器預定位移分段進行加載（額定載荷下囊內(nèi)實際壓力1.6 Mp），另外兩型隔振器直接緩慢加載到額定載荷1.25倍。隔振器所處基礎(chǔ)斜面（測試夾具）傾角分別為0°，3°，6°，9°，12°，不同角度的測試夾具依靠螺栓和試驗臺工裝剛性聯(lián)接。試驗根據(jù)傾斜角度的不同分為5組，每組試驗依次進行完三型不同隔振器的試驗后，更換斜面進行下一組試驗。所選的三型隔振器分別為：JYQN-2500氣囊隔振器、PBE-400橡膠隔振器和HGGS-600鋼絲繩隔振器，試驗設(shè)計如圖5所示。

圖 5 隔振器性能試驗臺架Fig. 5 Vibration isolators stiffness test bench

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 JYQN-2500 型隔振器

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，整理得到的隔振器傾角-剛度曲線如圖6所示。

試驗與理論計算得出的曲線圖（見圖4）變化趨勢較為相似，但和理論計算相比，試驗中隔振器剛度隨傾角增大而增大的量更大。靜剛度的理論和試驗曲線對比在隔振器的額定載荷下進行（見圖7），動剛度的對比則是同一傾角下取平均值（見圖8）。從圖中可以看出隔振器動、靜剛度隨隔振器傾斜角度變化的情況類似，都隨隔振器傾斜角度的增加先減小后增加，理論值變化幅度小于試驗值，動剛度變化幅度大于靜剛度。

2.2.2 PBE-400 型隔振器

圖9～圖11 3組曲線圖依次為橡膠隔振器傾角-剛度曲線，靜、動剛度試驗值和理論值對比曲線。從圖中試驗曲線可以看出，該型橡膠隔振器的靜剛度隨傾角變化而變化，先隨傾角增大而減小，后隨傾角增大

圖 6 氣囊隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 6 The curve of angle verse static stiffness of air spring with different loads

圖 7 氣囊隔振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 7 The curve of angle verse static stiffness of air spring atstandard load

圖 8 氣囊隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 8 The curve of angle verse average dynamic stiffness of air spring

而增大，傾角為6°～9°時靜剛度最小；隔振器靜剛度隨負載增加（形變增大）而減小，剛度的變化量最大可達水平狀態(tài)時的17%左右；動剛度在傾斜角度小于9°時變化較小，超過9°后迅速隨傾角增加而增加。

2.2.3 HGGS-600 型隔振器

圖12～圖14 3組曲線圖依次為鋼絲繩隔振器傾角-剛度曲線，靜、動剛度試驗值和理論值對比曲線。從試驗結(jié)果來看：鋼絲繩隔振器殘余變形較大，偏離額定載荷越多其剛度越不穩(wěn)定；剛度會隨傾角增大而緩慢增大，特別是位移較小時；隔振器在額定負載附近工作時，其剛度特性比較穩(wěn)定，受傾角影響較小。

3 結(jié) 語

圖 9 橡膠隔振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 9 The curve of angle verse static stiffness of rubber absorber with different loads

圖 10 橡膠隔振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 10 The curve of angle verse static stiffness of rubber absorber at standard load

圖 11 氣囊隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 11 The curve of angle verse average dynamic stiffness of rubber absorber

正常航行時，在垂向以及橫向載荷允許范圍內(nèi)，艦船發(fā)生一定傾斜時，不同隔振器的剛度特性變化各不相同?？偟膩砜矗?）隔振器工作在額定載荷附近時傾斜對剛度影響比較小，偏離額定載荷越多，隔振器剛度受傾斜的影響越大；2）隔振器負載（形變）對其剛度有較大影響，有時甚至會超過隔振器傾斜所造成的影響；3）同一隔振器動、靜剛度隨隔振器傾斜角度變化而變化的趨勢較為一致；4）隔振器傳統(tǒng)的三向剛度評估法理論值和試驗值在變化趨勢上較為一致，但在變化幅度上差異比較明顯，因此傳統(tǒng)的疊加計算法只能簡單評估隔振器發(fā)生傾斜時剛度的變化趨勢。影響隔振器隔振性能的不單是其剛度[6]，下一步可繼續(xù)深入研究傾斜時隔振器阻尼特性及最終振動傳遞率（減振效果）和艦船傾斜之間的關(guān)系。

圖 12 鋼絲繩振器不同載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 12 The curve of angle verse static stiffness of wire rope isolator with different loads

圖 13 鋼絲繩振器額定載荷下傾角-靜剛度曲線Fig. 13 The curve of angle verse static stiffness of wire rope isolator at standard load

圖 14 鋼絲繩隔振器傾角-平均動剛度曲線Fig. 14 The curve of angle verse average dynamic stiffness ofwire rope isolator