史冬巖, 石先杰, 任龍龍

(哈爾濱工程大學機電工程學院 哈爾濱,150001)

引 言

磁流變阻尼器由于具有出力大、溫度適應(yīng)性強、響應(yīng)速度快、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)并可方便地與微機控制結(jié)合等優(yōu)良特點,已成為汽車、機械裝置、橋梁以及土木建筑等領(lǐng)域新一代的高性能和智能化的減振裝置。部分裝置已經(jīng)應(yīng)用于實際工程,展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[1-3]。雖然磁流變阻尼器在工程上已有一定的應(yīng)用,但在船舶減振方面的研究還較少。當前,在船用隔離器研制中,低頻減振是該研究領(lǐng)域的難點。若將一種阻尼器與一種減振器相配合組成一種新的隔離器,這種隔離器若能提高船用隔離器的低頻減振效果,將對改善艦船的隱蔽性、生命力和戰(zhàn)斗力具有重要的理論和實踐意義。

筆者提出了一種由傳統(tǒng)的鋼絲繩減振器與磁流變阻尼器(簡稱 MR阻尼器)組合而成的隔離器系統(tǒng),旨在對艦船基座傳統(tǒng)的被動式隔離器進行改造,加強減振系統(tǒng)的低頻減振效果。通過對船用隔離器進行振動試驗,得到一系列性能曲線。根據(jù)試驗結(jié)果,分析了船用隔離器低頻振動性能,為其實際應(yīng)用提供了參考。

1 船用隔離器

1.1 隔離器設(shè)計思想

筆者提出的具體設(shè)計方法是:在柔度大、變形能力強的傳統(tǒng)減振元件基礎(chǔ)上并聯(lián)智能出力元件,構(gòu)成新的船用隔離器系統(tǒng),使隔離器系統(tǒng)的動力學特性由固定不變轉(zhuǎn)為智能可控,再配以適當?shù)目刂扑惴?即可根據(jù)激振力的變化而調(diào)整系統(tǒng)的出力狀態(tài),實現(xiàn)最佳的隔振效果。其原理如圖1所示。該隔離器的優(yōu)點是:a.減振頻帶寬,可彌補傳統(tǒng)大柔度隔離器在低頻減振方面的不足;b.充分發(fā)揮大柔度隔離器在抗沖擊時的優(yōu)越性,避免了沖擊過程中由于隔離器變形過大而產(chǎn)生的二次碰撞。

圖1 船用隔離器原理圖

1.2 鋼絲繩彈簧和磁流變阻尼器

鋼絲繩彈簧是近幾年發(fā)展起來的一種新型減振元件,具有相當大的撓度和較大的阻尼,能適應(yīng)惡劣的環(huán)境[4]。其單獨應(yīng)用于艦船主機減振時存在以下不足:a.主機處于某些特定工作狀態(tài)時會引起劇烈的振動響應(yīng);b.由于對稱布置的鋼絲繩彈簧受力不均勻,會引起主機傾斜,甚至會引起受壓力較大一側(cè)的鋼絲繩彈簧發(fā)生較大塑性變形。

磁流變液是一種新型智能材料,由它設(shè)計而成的磁流變阻尼器(簡稱 MR damper)已成為新一代的減振裝置[5-6]。當其安裝在結(jié)構(gòu)上時,根據(jù)受控結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài),按照一定的控制規(guī)則迅速自動調(diào)整阻尼器參數(shù)(阻尼),從而抑制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng),可以作為一種理想的智能控制裝置[7-8]。

2 船用隔離器振動試驗

2.1 振動試驗系統(tǒng)

筆者設(shè)計的船用隔離器系統(tǒng)的物理模型如圖 2所示,它主要由以下幾部分組成:a.模型下部結(jié)構(gòu)用于模擬船底;b.模型上部結(jié)構(gòu)作為承載設(shè)備;c.磁流變阻尼器和鋼絲繩彈簧,將模型上、下部結(jié)構(gòu)連成整體,是系統(tǒng)減振抗沖的主要元件;d.側(cè)向限制結(jié)構(gòu),用于限制上部結(jié)構(gòu)的水平方向運動。

圖2 系統(tǒng)模型側(cè)向示意圖

在進行振動試驗時,將模型的下部結(jié)構(gòu)固定于地面,模擬船底結(jié)構(gòu)。在模型的上部結(jié)構(gòu)上施加豎直方向的激振力以模擬主機振動載荷,激振力通過額定載荷為 10 kN的 MTS液壓伺服加載系統(tǒng)施加給隔離器系統(tǒng),加載系統(tǒng)的作動筒與模型之間通過傳力桿連接。振動試驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 振動試驗系統(tǒng)

振動試驗輸入的激振載荷波形為

振動試驗的工況設(shè)定為:a.輸入系統(tǒng)激振力的力幅為24 kN,激振頻率為1～ 15 Hz共15個狀態(tài);b.整個模型系統(tǒng)的控制質(zhì)量劃分為 1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 kg共 6個狀態(tài);c.將磁流變阻尼器的控制電流劃分為 0,0.25,0.5,1.0,1.5,1.75,2.0 A共 7個狀態(tài)。將上述狀態(tài)進行組合,共計630個工況。

2.2 振動試驗結(jié)果

對試驗工況各個狀態(tài)進行的測試表明,在設(shè)定的邊界條件下,試驗?zāi)Ｐ涂傮w表現(xiàn)為豎直方向的運動。在低頻狀態(tài)時,結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)及磁流變阻尼器的出力較大,高頻狀態(tài)時較小。 MTS液壓伺服加載系統(tǒng)所施加的激振信號在頻率上與設(shè)計輸入相符合,但是力幅在高頻狀態(tài)下有一定的衰減。

2.2.1 磁流變阻尼器的出力特性

由實測磁流變阻尼器出力曲線(圖4)可以看出,在簡諧激振力作用下控制電流恒定時,其出力過程可近似為一條正弦曲線。這說明在振動試驗中,磁流變阻尼器的作用是給模型系統(tǒng)增加了一個阻尼。實測的磁流變阻尼器在不同電流狀態(tài)下的出力幅值如圖5所示。

圖4 施加控制電流2A時磁流變阻尼器的出力曲線

圖5 磁流變阻尼器出力與電流之間的關(guān)系

根據(jù)阻尼力幅值的計算公式,按照實測的數(shù)據(jù)進行計算,可得出磁流變阻尼器對應(yīng)各個電流的阻尼,如圖6所示。該阻尼的變化規(guī)律符合二次多項式的情況,其擬合方程式為

此現(xiàn)象表明,線性地改變磁流變阻尼器的電流相當于以二次函數(shù)改變隔離器系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

圖6 磁流變阻尼器阻尼與電流之間的關(guān)系

2.2.2 振動響應(yīng)與激振頻率的關(guān)系

下面列出了模型控制質(zhì)量為 2 000 kg,激振力為24 kN的典型工況的試驗結(jié)果。圖7～圖9分別給出了力傳遞率、位移放大系數(shù)和加速度的典型特征曲線。由圖可知:

1)在頻率不變的情況下,系統(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)、加速度幅值隨著電流的增加而不斷減小;

2)系統(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)、加速度幅值出現(xiàn)了3個峰值,經(jīng)試驗測得它們分別在頻率比為 0.4,1和 1.3,即 4,10和 13 Hz左右;

圖7 力傳遞率與頻率比的關(guān)系曲線

圖8 位移放大系數(shù)與頻率比的關(guān)系曲線

圖9 加速度與頻率比的關(guān)系曲線

3)系統(tǒng)的力傳遞率、位移放大系數(shù)總體表現(xiàn)為在低頻處較大,在高頻處較小。

3 船用隔離器振動特性分析

根據(jù)振動試驗結(jié)果對隔離器系統(tǒng)的振動特性進行分析,分析所采用的數(shù)據(jù)為模型的控制質(zhì)量,即2 000 kg的典型工況的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.1 振動響應(yīng)與激振頻率的關(guān)系

1)對隔離器模型的控制作用主要體現(xiàn)在對振動峰值的抑制上,其數(shù)值見表1。將未安裝磁流變阻尼器與安裝磁流變阻尼器未施加控制電流時對數(shù)據(jù)進行對比,系統(tǒng)的最大力傳遞率有了一定的降低,這主要是磁流變阻尼器的初始阻尼作用于系統(tǒng)的結(jié)果?？刂齐娏髦饾u增大,力傳遞率隨之減小。當控制電流達到額定電流 2 A時,力傳遞率降到最低,數(shù)值為1.1?？梢姶帕髯冏枘崞鲗ο到y(tǒng)力傳遞率的峰值具有較好的控制效果,與沒有磁流變阻尼器時相比較,響應(yīng)峰值降低了34.5%。位移放大系數(shù)的控制規(guī)律與力傳遞率的控制規(guī)律基本相同,在沒有安裝磁流變阻尼器與安裝磁流變阻尼器未施加控制電流時相比,系統(tǒng)最大的位移放大系數(shù)也有了一定的降低。當控制電流達到額定電流 2 A時,位移放大系數(shù)降到最低,數(shù)值為1.1。在磁流變阻尼器的控制下,響應(yīng)峰值最大可降低41.2%。試驗結(jié)果表明,隔離器系統(tǒng)在低頻減振方面具有較好的作用效果,與單獨使用鋼絲繩彈簧相比有了較大程度的改善。這是因為在頻率較低時,增加系統(tǒng)阻尼可以降低系統(tǒng)的振動響應(yīng)。

2)試驗振動響應(yīng)峰值主要在3～ 5 Hz和10 Hz附近。動態(tài)特性測定試驗結(jié)果表明,豎直方向的固有頻率分別為6.1和13.2Hz。這是因為加載系統(tǒng)啟動時的系統(tǒng)調(diào)零過程對隔離器系統(tǒng)產(chǎn)生了預(yù)壓,使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的變形,鋼絲繩彈簧的剛度減小,造成系統(tǒng)的固有頻率下降。實測結(jié)果顯示,該預(yù)壓引起的鋼絲繩彈簧變形為 4～ 5 mm,這使單個鋼絲繩彈簧的剛度從226 244.3 N/m降低到154 601.8 N/m,從而使系統(tǒng)的剛度降低了 32%,即實際激振時系統(tǒng)的固有頻率降低為原狀態(tài)的0.82倍。結(jié)合動態(tài)特性測定試驗結(jié)果可知,實際激振時隔離器系統(tǒng)的前兩階固有頻率應(yīng)該為 5和 10.82 Hz,這與試驗結(jié)果較為符合。

表1 安裝磁流變阻尼器前、后振動響應(yīng)峰值的變化

3)低頻時的峰值明顯高于高頻時的峰值,這主要是因為加載系統(tǒng)的作動筒出力方式是以激振頻率達到要求為目標。當激振頻率較高時,激振力的實際力幅出現(xiàn)了較大衰減,衰減情況見圖10。圖中:Fi為輸入給作動筒的激振力幅值的指令值;Fo為作動筒實際輸出的激振力幅值。

按照激振力衰減情況對力傳遞率與頻率關(guān)系曲線圖進行轉(zhuǎn)換,可得實際的力傳遞率與頻率比關(guān)系曲線,如圖11所示。當頻率比等于 1時,最大力傳遞率發(fā)生在無阻尼器時,其值為6.36,最小力傳遞率發(fā)生在阻尼器電流為 2A時,其值為 0.9,減幅達到了85.85%。

4)由豎直方向加速度響應(yīng)曲線可看出,振動響應(yīng)的峰值更明顯地體現(xiàn)在頻率比為0.4,1和1.3處,即固有頻率為 4,10,13 Hz附近,這與在分析力傳遞率時所得結(jié)論相一致。

圖10 激振力的衰減曲線

圖11 轉(zhuǎn)換后的力傳遞率與頻率比的關(guān)系曲線

3.2 振動響應(yīng)與控制電流關(guān)系的變化規(guī)律

下面給出控制質(zhì)量為 1 000,1 600,2 000 kg狀態(tài)下,試驗時的位移響應(yīng)隨電流的變化關(guān)系的典型曲線。系統(tǒng)的位移響應(yīng)整體表現(xiàn)為隨電流的增大而減小,并且在振動位移響應(yīng)較大時,響應(yīng)曲線明顯表現(xiàn)為一條上凸的曲線,如圖 12所示。這說明隨著電流的增大,電流的變化對振動響應(yīng)的影響能力在增強。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),振動的位移幅值與電流的關(guān)系為平方關(guān)系,其理論關(guān)系曲線見圖13。可見,實測曲線與理論計算曲線所顯示的規(guī)律是一致的。

圖12 位移與電流的關(guān)系曲線

圖13 位移與電流的理論關(guān)系曲線

3.3 振動響應(yīng)與控制質(zhì)量關(guān)系的變化規(guī)律

激振力為24 kN,控制電流為0,1.0,2.0 A狀態(tài)下,位移響應(yīng)隨質(zhì)量的變化關(guān)系曲線如圖 14所示。由曲線的變化趨勢可以看出,在各種電流狀態(tài)下,系統(tǒng)的振動響應(yīng)均表現(xiàn)為隨控制質(zhì)量的增加而減小。在控制質(zhì)量由 1 000 kg增加至 2 000 kg時,振動響應(yīng)的降幅見表 2。

圖14 位移與質(zhì)量的關(guān)系曲線

表2 由質(zhì)量變化引起的振動響應(yīng)降幅

由強迫振動的位移響應(yīng)的計算式可知,在其他條件固定的情況下,振動系統(tǒng)質(zhì)量的增加會降低系統(tǒng)的振動響應(yīng)。

4 結(jié) 論

1)基于現(xiàn)有的船舶減振元件——鋼絲繩彈簧和智能出力元件磁流變阻尼器設(shè)計的船用隔離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是合理的,經(jīng)振動試驗驗證,船用隔離器系統(tǒng)的動力學響應(yīng)正常。

2)磁流變阻尼器與鋼絲繩彈簧相并聯(lián)構(gòu)成的減振系統(tǒng)對低頻振動響應(yīng)有較好的控制作用,力傳遞率的減幅可達 85.85%,隔振效率較好。

3)磁流變阻尼器對系統(tǒng)的控制作用在激振載荷幅值較大、頻率較低時更加明顯。

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