周睿智

【摘 要】主被動混合隔振由被動隔振器承載設(shè)備重量并隔離寬頻振動，同時利用作動器進行主動控制從而衰減線譜振動，可同時獲得良好的寬頻隔振效果和線譜控制效果。氣囊隔振器具有固有頻率低、承載能力大、駐波頻率高、無蠕變等特點，是一種性能優(yōu)異的隔振器。磁懸浮作動器具有無接觸、輸出力大、等效剛度低的優(yōu)點，非常適用于主動控制?；诖吮疚闹饕獙Υ皺C械磁懸浮氣囊混合隔振技術(shù)進行分析探討。

【關(guān)鍵詞】船舶機械；磁懸浮氣囊；混合隔振技術(shù)

前言

隔振是抑制船舶振動的主要方法與手段。主被動混合隔振技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻的隔振，也能夠消除旋轉(zhuǎn)機械的線譜振動，對提高艦船的隱身性能具有重大意義，并已經(jīng)取得了許多突破性的進展。本文提出了一種磁懸浮-氣囊主被動混合隔振裝置，利用磁懸浮作動器具有無接觸、負剛度的特點，將其集成到氣囊隔振器內(nèi)，由氣囊隔振器承載設(shè)備重量并隔離寬頻振動，同時對作動器進行主動控制從而衰減線譜振動。該裝置具有尺寸小、承載力大、寬頻隔振效果好的優(yōu)點，線譜振動控制功耗小的優(yōu)點。適用于艦船機械設(shè)備隔振，對于提高艦船水聲隱蔽性具有重要意義。

1、磁懸浮主被動混合隔振裝置原理

本文采用的是永磁偏置型磁懸浮作動器，如圖1所示。作動器鐵芯端面上安裝有永磁體，形成偏置磁場，產(chǎn)生偏置吸引力。當(dāng)給線圈輸入控制電流產(chǎn)生的磁場與偏置磁場方向相同時，吸引力增大；與偏置磁場方向相反時，吸引力減小。因此給線圈輸入交變電流，就可獲得交變磁懸浮力。從磁懸浮作動器的結(jié)構(gòu)可知其為無接觸式作動器，不會造成振動短路傳遞，可以與被動隔振器并聯(lián)安裝在設(shè)備和基座之間，形成磁懸浮主被動混合隔振裝置。由被動隔振器承載設(shè)備重量并隔離寬頻振動；作動器對被動隔振后殘余的振動進行主動控制，輸出控制力，抵消傳遞到基座上的低頻線譜振動，所需的力較小；作動器無需提供靜態(tài)支撐力，比起其他類型作動器常用的串聯(lián)隔振模式，具有更小的功耗和更高的可靠性。

2、主被動混合隔振器研制及性能測試

2.1主被動混合隔振器研制

本文提出了將作動器集成到氣囊隔振器內(nèi)部，形成并聯(lián)式主被動混合隔振器的方案。該主被動混合隔振器包含以下主要部件：1個氣囊隔振器（由囊體、上下蓋板），1個磁懸浮作動器（由鐵芯、線圈、永磁體、導(dǎo)磁橡膠、氣隙、銜鐵構(gòu)成），在磁懸浮作動器內(nèi)安裝有2個溫度傳感器，在氣囊蓋板上設(shè)有氣孔和線孔，線孔出口處安裝有軍用氣密封電連接器。該主被動混合隔振器將作動器集成在氣囊隔振器內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊、易適應(yīng)艦艇設(shè)備的安裝空間。

作動器供電及溫度傳感器線纜通過軍用氣密封插座引出。該氣密封插座單個引腳可承載電流13A，耐氣壓>2MPa，而主被動混合隔振器的工作壓力約0.3-1.1MPa，因此軍用氣密封插座可安全、便捷、耐高壓、保持氣密性地將電磁信號輸入輸出。

在電磁兼容性方面，主被動混合隔振器的上、下蓋板采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼（也可采用陽極處理后的航空鋁，需進行陽極處理），蓋板材料的磁導(dǎo)率非常低，作動器磁場不會從蓋板泄漏。本文中的磁懸浮作動器磁路閉合性較好，磁場主要集中在鐵芯、銜鐵和氣隙所構(gòu)成的回路中，漏磁對周圍設(shè)備的電磁干擾非常微弱。

2.2主被動混合隔振器性能測試

對主被動混合隔振器的承載性能、靜剛度、動剛度、固有頻率進行了測試，試驗機為MTSlandmark370.50試驗系統(tǒng)。

（1）承載性能

將主被動混合隔振器以額定高度固定在試驗機夾具上，緩慢給氣囊充氣至氣壓預(yù)設(shè)值，氣囊高度若由于夾具間隙或變形等原因發(fā)生變化，此時應(yīng)微調(diào)氣囊的高度至額定高度，待壓力和載荷穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的壓力和載荷值，可知主被動混合隔振器充氣0.316-1.113Mpa的氣壓，對應(yīng)載荷為4.17-14.23kN，即承載能力為426-1452kg。

（2）靜剛度

試驗前將主被動混合隔振器以額定高度固定在試驗機上，緩慢地給氣囊充氣，直到氣囊垂向載荷達到額定值停止充氣。試驗采用位移方式控制，加載速率為0.1mm/s，位移峰峰值分別為1.0～4.0mm，每個峰峰值循環(huán)3次，數(shù)據(jù)采集速率為4.0Hz，記錄試驗載荷和位移。

靜剛度測試主要是為了校驗主被動混合隔振器的穩(wěn)定性。研究表明磁懸浮作動器具有負剛度特性，因此設(shè)計主被動混合隔振器時，需要匹配氣囊隔振器的正剛度及磁懸浮作動器的負剛度，使主被動混合隔振器無失穩(wěn)現(xiàn)象。從圖5的載荷-位移實驗數(shù)據(jù)的斜率可以看出，主被動混合隔振器總剛度始終為正，這驗證了本文設(shè)計的主被動混合隔振器的穩(wěn)定性。

垂向靜剛度試驗結(jié)束后，還迚行了垂向動剛度試驗。試驗采用位移方式控制，正弦波加載，每峰峰值對應(yīng)的頻率分別為3.0～5.0Hz，步長為0.5Hz，數(shù)據(jù)采集速率為每3個循環(huán)采集1024個點，記錄試驗載荷和位移，根據(jù)位移和力的峰值計算垂向動剛度。主被動混合隔振器的動剛度和固有頻率測試結(jié)果如表1所示，固有頻率約3.59-3.84Hz而氣囊隔振器（無磁懸浮作動器）的測試結(jié)果如表2，固有頻率約3.76-4.0Hz?？芍?，主被動混合隔振器的固有頻率會因磁懸浮作動器的負剛度而迚一步降低，具有非常優(yōu)良的低頻隔振性能。

3、主被動混合隔振的實驗研究

建立了柴油機主被動混合隔振裝置，機組重約3.6噸，由6個氣囊-磁懸浮主被動混合隔振器支撐，安裝在基座上。在轉(zhuǎn)速1200r/min時，柴油機主被動混合隔振裝置的機腳和基座的振動加速度功率譜振級落差約25.2dB（20-8kHz），寬頻隔振效果優(yōu)良。柴油機的上層臺架安裝了加速度計拾取參考信號，在基座6個混合隔振器附近安裝了加速度計拾取誤差信號?？刂破魇褂肨MS320c6713B-300芯片作為核心數(shù)字信號處理器，高速AD和DA均為16bit精度。振動控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使傳遞到基座的振動得到衰減，系統(tǒng)采樣率為1000Hz。根據(jù)次級通道特性，以5Hz為帶寬劃分窄帶頻段，各頻段取中心頻率處的頻響函數(shù)來構(gòu)造次級通道FIR濾波器，控制濾波器長度為15階?？刂葡到y(tǒng)從誤差信號中自動檢測總能量最大的4根譜線，然后迚行控制。

轉(zhuǎn)速850r/min、1000r/min、1200r/min、1500r/min這幾個工況下，主動控制前后的基座功率譜（各誤差測點平均）。主動控制系統(tǒng)的線譜控制效果良好，每個工況下柴油發(fā)電機組產(chǎn)生的4根能量最大的振動線譜均能同時有效控制；同時，控制后沒有明顯的非線性頻率成分產(chǎn)生，并且?guī)缀跷匆饘掝l振動增大。

4、結(jié)語

本文提出了磁懸浮-氣囊主被動混合隔振裝置，研制了主被動混合隔振器，并迚行了承載性能、靜剛度、動剛度和固有頻率測試。測試結(jié)果表明，該主被動混合隔振器承載性能好；在整個氣隙范圍內(nèi)剛度為正，穩(wěn)定性好；混合隔振器的固有頻率會因磁懸浮作動器的負剛度而迚一步降低，其值約3.59-3.84Hz，具有非常優(yōu)良的低頻隔振性能。

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（作者單位：啟東中遠海運海洋工程有限公司）