張曉，杜堃

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

目前，在國(guó)外先進(jìn)船舶中，永磁設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[1]。相比傳統(tǒng)設(shè)備，相同輸出條件下的永磁設(shè)備重量更輕、體積更小，總體優(yōu)勢(shì)非常突出。但是，永磁設(shè)備在高頻段的振動(dòng)一般比傳統(tǒng)設(shè)備高[2-3]，設(shè)備機(jī)腳的振動(dòng)也比傳統(tǒng)設(shè)備的更明顯，其值甚至?xí)叱?0 dB。

傳統(tǒng)隔振方法包括單層隔振和浮筏隔振2 種[4-5]。其中：浮筏隔振雖然在高頻段內(nèi)效果較好，但重量大，可達(dá)十幾噸，抵消了永磁設(shè)備的總體資源優(yōu)勢(shì)；而傳統(tǒng)的單層隔振已無(wú)法滿足永磁設(shè)備高頻隔振的需求[6-8]。鑒于隔振措施在高頻段的缺陷，人們開始尋求更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)提高隔振效果，而在振源與被隔離系統(tǒng)之間插入中間質(zhì)量則是一個(gè)簡(jiǎn)單、有效的方法[9-10]。該方法是在隔振系統(tǒng)中間插入附加質(zhì)量以改善振動(dòng)傳遞[11-13]，提高高頻隔振效果。

本文將基于在隔振系統(tǒng)中間插入附加質(zhì)量的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)高頻振動(dòng)控制問題，提出一種用于永磁設(shè)備隔振系統(tǒng)的新型復(fù)合式隔振器，分析復(fù)合式隔振器的傳遞特性，并通過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。

1 理論分析

1.1 傳統(tǒng)橡膠隔振器的傳遞特性

圖1 為傳統(tǒng)橡膠隔振系統(tǒng)的受力示意圖，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

圖 1 傳統(tǒng)橡膠隔振器的受力Fig. 1 Load of traditional rubber isolator

由于隔振器彈性力與位移、阻尼力與速度均成正比，所以二者相差一個(gè)90°的相角，其合力由下式表示：

1.2 復(fù)合式隔振器傳遞特性

復(fù)合式隔振器是基于在隔振系統(tǒng)中間插入質(zhì)量的設(shè)計(jì)理念提出的，如圖2 所示。為分析其傳遞特性，建立了簡(jiǎn)化的物理模型，推導(dǎo)得到了如式（5）所示的傳遞率函數(shù)。其中，F(xiàn)F為基座力， f1為中間質(zhì)量上部橡膠體的固有頻率， f2為中間質(zhì)量下部橡膠體的固有頻率， f 為激勵(lì)頻率， μ為設(shè)備質(zhì)量與中間質(zhì)量的比值。

圖 2 復(fù)合式隔振器示意圖Fig. 2 Sketch of compound rubber isolator

通過式（4）與式（5）的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在高頻段，傳統(tǒng)橡膠隔振器的傳遞率 ∝1/f2∝ f2，而復(fù)合式橡膠隔振器的傳遞率則 ∝1/f4∝ f4，后者明顯優(yōu)于前者。為保證整體上復(fù)合式隔振器的剛度與傳統(tǒng)橡膠隔振器相等，對(duì)比分析了二者的傳遞性能，并做出如下假設(shè)：復(fù)合式隔振器的上層剛度與下層剛度相等，且為傳統(tǒng)橡膠隔振器剛度的2 倍。同時(shí)，假設(shè)被隔振的設(shè)備重量為30 t，布置有8 個(gè)隔振器?；谝陨霞僭O(shè)，對(duì)復(fù)合式隔振器與傳統(tǒng)橡膠隔振器的傳遞率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。

圖 3 復(fù)合式橡膠隔振器與傳統(tǒng)橡膠隔振器的傳遞率對(duì)比Fig. 3 Transfer rate comparison between compound and traditional rubber isolator

由圖3 可見，復(fù)合式隔振器和傳統(tǒng)橡膠隔振器在剛度相差不大的情況下，前者的傳遞率明顯優(yōu)于后者；在較高頻段，前者的傳遞率衰減是后者的2 倍?？梢?，復(fù)合式隔振器有助于高頻振動(dòng)控制。

2 隔振器方案設(shè)計(jì)

如圖4 所示，永磁設(shè)備與直流設(shè)備相比，機(jī)腳振動(dòng)在高頻段明顯增加。本文以永磁設(shè)備的隔振為研究對(duì)象，基于在隔振系統(tǒng)中間插入中間質(zhì)量的復(fù)合式隔振技術(shù)，設(shè)計(jì)了復(fù)合式橡膠隔振器。

圖 4 永磁設(shè)備與傳統(tǒng)的直流設(shè)備機(jī)腳振動(dòng)對(duì)比Fig. 4 Leg vibration comparison of permanent magnet equipment and DC equipment

復(fù)合式隔振器設(shè)計(jì)是一個(gè)頻率、承載、重量和剛度反復(fù)交互的過程，同時(shí)還需考慮隔振對(duì)象的具體要求?；谟邢拊椒ǖ慕换ビ?jì)算，得到了復(fù)合式橡膠隔振器的設(shè)計(jì)方案。圖5 為隔振器方案的二維圖，圖6 為隔振器方案的三維結(jié)構(gòu)。

圖 5 復(fù)合式橡膠隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Structure diagram of the compound rubber isolator

圖 6 復(fù)合式橡膠隔振器的三維模型Fig. 6 3D model of the compound rubber isolator

如圖5（a）所示，隔振器由上板1、上橡膠層2、隔片3、中間質(zhì)量4、下橡膠層5、下板6 組成。插入中間質(zhì)量的復(fù)合式橡膠器為部件1～部件6硫化而成的一個(gè)整體。上橡膠層2 和下橡膠層5夾持中間質(zhì)量4，構(gòu)成含中間質(zhì)量的復(fù)合隔振形式，即由上、下兩層橡膠夾持中間質(zhì)量的“三明治”式復(fù)合隔振器。該設(shè)計(jì)方案是基于在隔振系統(tǒng)中間插入質(zhì)量的復(fù)合式隔振技術(shù)，即在上橡膠層隔振系統(tǒng)2 和下橡膠層隔振系統(tǒng)5 的中間插入質(zhì)量4。設(shè)計(jì)的復(fù)合式橡膠隔振器的主要物理特性描述如下：整體結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為 400 mm×400 mm×220 mm，其中上安裝面尺寸為 330 mm×330 mm；總質(zhì)量 155 kg；金屬構(gòu)件所用材料為 Q345B鋼，橡膠采用丁腈橡膠。

圖 7 有限元分析模型Fig. 7 Finite element analysis model

采用有限元方法對(duì)復(fù)合式橡膠隔振器進(jìn)行應(yīng)力校核，有限元模型如圖7 所示。一般認(rèn)為，在橡膠受壓時(shí)，應(yīng)力不超過10 MPa 即可；在橡膠受拉時(shí)，橡膠應(yīng)力不超過 3～4 MPa 即可；在垂向載荷作用下橡膠應(yīng)力最大1.74 MPa，應(yīng)力滿足要求。金屬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力21.3 MPa，小于材料的許用應(yīng)力345 MPa。在橫向載荷作用下橡膠應(yīng)力最大2.37 MPa，應(yīng)力滿足要求。金屬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力22.0 MPa，小于材料的許用應(yīng)力345 MPa。設(shè)計(jì)的復(fù)合式隔振器性能參數(shù)見表1。

表 1 復(fù)合式橡膠隔振器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of compound rubber isolator

3 復(fù)合式橡膠隔振器性能試驗(yàn)

3.1 隔振器膠料試驗(yàn)

船舶環(huán)境主要考慮溫度、耐油和鹽霧。通過膠料的性能試驗(yàn)，可以檢查復(fù)合式橡膠隔振器的環(huán)境適應(yīng)性。由于丁腈橡膠屬于耐油橡膠且在船用隔振器中應(yīng)用廣泛，所以對(duì)其耐油性將不予重點(diǎn)考察。

針對(duì)橡膠材料開展相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，具體如表2 所示。

表 2 橡膠材料試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of rubber material

3.2 隔振器鹽霧試驗(yàn)

本節(jié)驗(yàn)證隔振器對(duì)船舶上鹽霧環(huán)境的適應(yīng)性。鑒于復(fù)合式橡膠隔振器的重量較重（見表1），相當(dāng)于2 個(gè)成人的體重，所以采用了與隔振器相同的金屬和橡膠材料進(jìn)行硫化形成金屬橡膠試片。按照表面處理技術(shù)規(guī)范要求對(duì)試片進(jìn)行全表面的油漆處理，并按GJB 150.11A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第11 部分：鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件描述如下：鹽溶液濃度（5±1）%，循環(huán)周期 192 h（24 h 連續(xù)噴霧和 24 h 干燥），循環(huán)次數(shù) 4 次，共 192 h。

表3 所示為2 個(gè)金屬橡膠試片鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示滿足技術(shù)要求。圖8 為試片試驗(yàn)前后的照片，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的復(fù)合式橡膠隔振器滿足鹽霧方面的要求。

3.3 隔振器剛度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證復(fù)合式橡膠隔振器的動(dòng)態(tài)特性滿足規(guī)范要求、動(dòng)靜剛度比在合理范圍內(nèi)，基于CB 1359-2002 和 GB/T 15168-2013 開 展了垂向剛度試驗(yàn)(圖9)。根據(jù)被隔振設(shè)備重量和隔振器布置數(shù)量，分解得到隔振器載荷。

表 3 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Salt spray test results

圖 8 鹽霧試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 8 Photograph of salt spray test results

圖 9 垂向剛度試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 9 Photograph of vertical stiffness test

試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合式橡膠隔振器的垂向動(dòng)剛度為16.5 kN/mm，與設(shè)計(jì)值的偏差為8.3%，滿足CB1359-2002 要求。復(fù)合式橡膠隔振器的垂向靜剛度為9.1 kN/mm，動(dòng)、靜剛度比為1.8，屬于丁腈橡膠動(dòng)靜比的正常范圍。

3.4 隔振器極限承載試驗(yàn)

在主承載方向，對(duì)試驗(yàn)裝置上固定的復(fù)合式橡膠隔振器均勻加載，直至887 kN，隔振器變形29.8 mm。圖10 所示為垂向極限壓縮試驗(yàn)過程中的載荷和位移曲線，圖11 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)合式橡膠隔振器未破壞、無(wú)裂紋、無(wú)脫膠等現(xiàn)象，滿足CB1359-2002 對(duì)隔振器承載的要求。

圖 10 垂向極限壓縮曲線Fig. 10 Vertical extreme compression curve

4 配機(jī)試驗(yàn)

圖 11 垂向極限壓縮試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 11 Photograph of vertical extreme compression test

為開展配機(jī)試驗(yàn)，搭建了由基座、復(fù)合式橡膠隔振器和永磁設(shè)備組成的臺(tái)架，以驗(yàn)證復(fù)合式橡膠隔振器的隔振效果。圖12 所示為試驗(yàn)結(jié)果。配機(jī)試驗(yàn)中，由于 10 Hz～1 kHz 頻段內(nèi)的背景振動(dòng)較高，基座振動(dòng)反而高于機(jī)腳振動(dòng)。在1～10 kHz 的高頻段，被隔振設(shè)備的機(jī)腳振動(dòng)明顯增加，而使用復(fù)合式隔振器，保證了基座振動(dòng)與一般情況下的相差不大，復(fù)合式隔振器在此頻段內(nèi)的設(shè)備機(jī)腳隔振效果可達(dá)41 dB，相比傳統(tǒng)的橡膠隔振器，隔振效果提高了約20 dB?？梢姡瑥?fù)合式橡膠隔振器可明顯提升高頻段內(nèi)設(shè)備機(jī)腳的隔振效果，有助于降低設(shè)備振動(dòng)向船體的傳遞，提升實(shí)船應(yīng)用效果。

圖 12 復(fù)合式橡膠隔振器的機(jī)腳、基座振動(dòng)比較Fig. 12 Vibration comparison of leg and foundation of the compound rubber isolator

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于在隔振系統(tǒng)中間插入質(zhì)量的復(fù)合式隔振技術(shù)，提出了一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于船載永磁設(shè)備隔振的復(fù)合式橡膠隔振器設(shè)計(jì)方案，比較了傳統(tǒng)橡膠隔振器與復(fù)合式橡膠隔振器的傳遞特性，并對(duì)復(fù)合式橡膠隔振器進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了隔振器的動(dòng)態(tài)特性、環(huán)境適應(yīng)性和承載能力。結(jié)果表明，所提設(shè)計(jì)方案具有可行性，可滿足規(guī)范及船用環(huán)境條件的要求，提高有限空間下設(shè)備的隔振效果，尤其是高頻段內(nèi)的隔振效果。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式橡膠隔振器可為設(shè)備隔振，特別是高頻段的隔振提供途徑和參考。