典型隔振系统振动特性的理论分析与试验研究

典型隔振系统振动特性的理论分析与试验研究

作者：张国红 李亚繁 戚朋哲 方媛媛 来源：《价值工程》2014年第03期

摘要： 本文以船舶机舱设备中典型的电机和风机缩小模型为动力设备对象，从理论及实验两方面研究其振动传递特性。结果表明：用简化为弹簧和阻尼器的隔振器来模拟实际橡胶隔振器，隔振效果在高频段有一定差异，低频段影响不大；为了改进隔振效果，可以在筏体及基座粘贴阻尼层，并尽量减小隔振器刚度和合理选择隔振器阻尼。

Abstract： Taking the typical miniatures of motor and fan in ship engine room facilities as the power facility objects， this article studies their vibration transfer characteristics from aspects of theory and experiment. Results show that when using the simplified spring and damper vibration isolator to simulate the actual rubber vibration isolator， the vibration isolation effect has certain difference at high frequencies， little effect at low frequency. In order to improve the vibration isolation effect， a damping layer can be pasted in raft body and base， and the vibration isolator stiffness should be reduced and the vibration isolation damper should be selected reasonably. 关键词： 舰船设备；振动隔离；浮筏；传递率

Key words： ship equipment；vibration isolation；floating raft；pass rate

中图分类号：U661.44 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）03-0090-02 0 引言

机械振动隔离技术是降低机械设备通过基座传递结构噪声的主要方法，从隔振系统的演变历程上看，主要经历了单层隔振、双层隔振和浮筏隔振等几个发展阶段。浮筏隔振系统是在二十世纪五十年代，基于双层隔振理论，出现的一项新的隔振技术。通常情况下浮筏隔振可以使舰艇的机械辐射噪声减小20-40dB[1]。为了对浮筏隔振方式进行研究，本文利用研制的机舱辅机设备浮筏隔振台架开展隔振性能研究，使用有限元软件建立了台架的模型，分析了该系统的动力学特性，并进行实验验证。理论分析及实验研究的结果表明，设计的隔振系统的隔振性能达到了预期的要求。

1 有限元模型及振动模态分析

在隔振台架设计中，根据所选择设备的质量及转速，风机-电机采用浮筏隔振。其中风机转速为1400r/min，电机转速为2900r/min，综合考虑风机-电机浮筏隔振装置垂向振动的设计

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频率在10-12Hz的范围内。隔振器的横向或水平刚度也应该选得相对低些，以保证隔离水平方向的激励力。

有限元建模中，对台架系统作了适当的简化处理：各机组选用SOLID实体单元，在总体尺寸相同以及质量不变的原则下确定其密度；筏体、舱室基座属于框架结构，分别选用不同厚度的SHELL板壳单元；各减振器分别采用三个SPRING弹簧单元，以模拟其在不同方向上的刚度与阻尼。

在上述建模的基础上，对机舱辅机设备浮筏隔振台架系统的振动模态进行了分析。对模型进行模态分析，发现风机-电机一阶垂向刚体运动模态的频率为11.9Hz，落在设计频率范围内，证明设计是合理的。 2 理论计算及实验研究

2.1 隔振装置的实验原理 试验中，分别在上层机组安装点和下层基座上隔振器的连接点布置加速度传感器，风机上布置了两个测点，下层基座上布置了两个测点（见图1）。限于篇幅，仅给出了在开启风机工况下的理论计算与试验测试得出的部分测点的结果对比曲线。 2.2 理论计算与实验测试的结果与讨论 由于舰船设备的激励力难以测量，为了比较理论和实验数据是否吻合，拟对机组加载实验测得的设备基座的振动加速度。采用试验与基座计算相结合的方法，对舰船设备激励载荷进行模拟[3]。

图2给出了整体模型中的浮筏隔振系统的振级落差曲线，试验值与计算值在低频段吻合较好，在大于200Hz的高频段误差达到了20dB以上，且随着频率升高，试验值趋于平稳，而理论模型的振级落差仍呈现上升的趋势。可见，将隔振器简化为弹簧和阻尼器的模型来模拟实际橡胶隔振器，在低频段是可行的，但高频段差距很大。由于两者之间的峰值频率基本一致，旋转机械力较大的低频幅值差距甚微，所以采用该理论方法来研究浮筏系统的隔振性能是可行的。

2.3 各参数对隔振性能的影响

2.3.1 隔振器阻尼的影响 为了研究阻尼的影响，在整体结构阻尼和隔振器刚度相同的情况下，给出了隔振器不同阻尼时的振级落差。从图3可见，阻尼的增加会降低隔振效果，在0-50Hz频段影响不大，随着频率增加，阻尼越大，隔振效果越差；阻尼在较小的数值上波动，全频段影响不大，阻尼从C增大到10C后，隔振性能下降了30dB左右。为了满足谐振控制的要求，低频段需要阻尼选的适当大些，如果随着频率增加，阻尼能减小，则在全频段内均能体现良好地隔振性能。

2.3.2 阻尼层的影响 作为浮筏、基座及船体主要材料的钢材的阻尼很小，因而，常用外加阻尼材料的方法来增大基座及筏体的阻尼，使机械设备沿结构传递的振动能量衰减，特别是减弱共振频率附近的振动。结构表面约束阻尼处理指在基本弹性体与自由阻尼层上的约束阻尼

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层，其厚度不同对减振效果也有一定的影响，由图4可见，粘贴约束阻尼层厚度减振效果比较好，当约束层的厚度达到一定程度后减振效果的幅度增加就并不是很明显了，因此在工程应用中结合实际情况综合考虑。 3 结束语

以有限元理论为基础，建立了实际隔振系统的理论模型，研究了系统的动力学特性，并进行了试验验证。结果表明实际的隔振器在高频段与计算模型差距较大，由于阻尼驻波效应的影响，高频段仍采用简化的弹性和阻尼模型模拟实际隔振器不再合理，需要考虑质量的影响。为了提高隔振系统的隔振效果，可在筏体及基座等处粘贴一定厚度的阻尼层，并选择随频率升高阻尼值降低的大阻尼隔 振器。 参考文献：

[1]张峰，许树浩，俞孟萨.桁架式浮筏研究概况[J].船舶力学， 2010. [2]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海科技文献出版社， 1985.

[3]王国治，仇远旺，胡玉超.激励载荷的模拟与舰船机械噪声预报[J].江苏科技大学学报，2011.