高彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)研究

溫華兵，仲啟東

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

隨著在船舶動(dòng)力裝置中廣泛應(yīng)用高速大功率柴油機(jī)，動(dòng)力裝置的振動(dòng)與噪聲已經(jīng)成為突出問(wèn)題.在動(dòng)力裝置中使用高彈性聯(lián)軸器，除了傳遞功率和扭矩，同時(shí)還具有角度補(bǔ)償作用，調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，從而改善動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振特性，達(dá)到減振降噪的目的.文獻(xiàn)［1］中通過(guò)研究彈性聯(lián)軸器對(duì)某車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振特性的影響規(guī)律，分析了聯(lián)軸器剛度和阻尼對(duì)系統(tǒng)固有頻率、固有振型、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的影響;文獻(xiàn)［2］中從結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)計(jì)算和動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面研究了彈性聯(lián)軸器的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn);文獻(xiàn)［3］中分析比較了不同高頻段激振力作用下彈性橡膠聯(lián)軸器的減振特性，提出了基于應(yīng)力波理論的彈性聯(lián)軸器高頻減振特性計(jì)算方法;文獻(xiàn)［4］中通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行彈性聯(lián)軸器的靜態(tài)強(qiáng)度分析、模態(tài)分析，得到彈性聯(lián)軸器在額定轉(zhuǎn)矩下的應(yīng)力位移結(jié)果和固有頻率.對(duì)于振動(dòng)傳遞中的減振問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者［5－9］也開(kāi)展了若干結(jié)構(gòu)及軸系振動(dòng)傳遞特性的理論與試驗(yàn)研究.

文中開(kāi)發(fā)了艦船動(dòng)力裝置中低振動(dòng)傳遞特性的高彈性聯(lián)軸器樣機(jī)及其試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試6種不同試驗(yàn)工況下的軸向、徑向以及扭轉(zhuǎn)方向的振級(jí)落差和固有頻率，對(duì)比不同試驗(yàn)工況下的隔振效果，研究了高彈性聯(lián)軸器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)振動(dòng)傳遞特性的影響.

1 振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

文中的高彈性聯(lián)軸器樣機(jī)通過(guò)橡膠件、膜片層數(shù)的變換組合，可以組成6種不同結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣機(jī).表1為6種不同結(jié)構(gòu)樣機(jī)的具體參數(shù).通過(guò)測(cè)試這6種不同結(jié)構(gòu)樣機(jī)的振動(dòng)傳遞特性，研究橡膠件與膜片等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)高彈性聯(lián)軸器振動(dòng)傳遞特性的影響規(guī)律.圖1，2為試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，在無(wú)橡膠件時(shí)，用剛性結(jié)構(gòu)代替橡膠件.試驗(yàn)樣機(jī)中彈性膜片材料為50CrV4彈簧鋼，單片厚度為2 mm;橡膠件材料用邵氏硬度為50的天然橡膠，橡膠件為雙排分布，每排由2個(gè)扇形塊組成.

表1 高彈聯(lián)軸器樣機(jī)詳細(xì)參數(shù)Table 1 Parameter combinations of the rubber and diaphragm

圖1 多層膜片和雙排橡膠件結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 High-elastic coupling with rubber and diaphragm

圖2 多層膜片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.2 High-elastic coupling with diaphragm only

1.2 振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)由B＆K多通道分析儀產(chǎn)生快速正弦掃描激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)B＆K3627型激振系統(tǒng)從不同方向分別激勵(lì)高彈聯(lián)軸器的輸入端質(zhì)量塊，使高彈聯(lián)軸器系統(tǒng)產(chǎn)生不同方向的振動(dòng).測(cè)試系統(tǒng)由B＆K8230型力傳感器檢測(cè)激振器輸入高彈聯(lián)軸器的力幅值;用B＆K4508－B型加速度傳感器測(cè)試高彈聯(lián)軸器輸入端和輸出端的振動(dòng)幅值，由此得到高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性.

1.3 軸向與徑向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試方法及原理

由于軸向與徑向振動(dòng)傳遞測(cè)試方法相同，故只說(shuō)明軸向測(cè)試方法，徑向不再贅述.如圖3，4所示，在高彈聯(lián)軸器樣機(jī)的輸入端和輸出端分別連接一段軸，分別稱(chēng)為激勵(lì)軸段和輸出軸段，將激勵(lì)軸段和輸出軸段質(zhì)心處分別用空氣彈簧進(jìn)行彈性支撐，空氣彈簧支撐系統(tǒng)的垂向固有頻率為3Hz.用激振系統(tǒng)在規(guī)定的頻率和振幅下對(duì)軸段施加激勵(lì)，分別測(cè)量激勵(lì)軸段和輸出軸段的軸向振動(dòng)加速度幅值.試驗(yàn)時(shí)加速度傳感器安裝在軸向，采用多點(diǎn)測(cè)量取平均值減少測(cè)試誤差.在輸入端安裝3個(gè)加速度傳感器，得到輸入端的軸向振動(dòng)加速度幅值，分別為a1，a2，a3;在輸出端安裝3個(gè)加速度傳感器，得到輸出端的軸向振動(dòng)加速度幅值，分別為a4，a5，a6，從而計(jì)算得出輸入端和輸出端的軸向振動(dòng)平均加速度幅值分別為ain和aout，由此可得到高彈聯(lián)軸器樣機(jī)的軸向振級(jí)落差La，即高彈聯(lián)軸器軸向的結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性.

圖3 軸向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試原理Fig.3 Schematic diagram of measuring axial vibration transmission

圖4 軸向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Test site of axial vibration transmission

1.4 扭轉(zhuǎn)方向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試方法及原理

如圖5，6所示，在高彈聯(lián)軸器的輸入端和輸出端分別連接一段軸，分別稱(chēng)為激勵(lì)軸段和輸出軸段，將激勵(lì)軸段和輸出軸段質(zhì)心處分別用彈性支撐.在激勵(lì)軸段和輸出軸段上分別固定一個(gè)卡套，用激振系統(tǒng)在規(guī)定的頻率和振幅下對(duì)軸段上的卡套端點(diǎn)處施加激勵(lì)，使軸系產(chǎn)生相對(duì)于軸線的扭矩，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng).

分別測(cè)量激勵(lì)軸段和輸出軸段上卡套不同位置的振動(dòng)加速度幅值，試驗(yàn)時(shí)加速度傳感器安裝在卡套上(垂直向下)，采用多點(diǎn)測(cè)量取平均值，從而減少測(cè)試誤差，提高測(cè)試精度.在輸入端卡套上安裝2個(gè)加速度傳感器，即得到輸入端的振動(dòng)加速度幅值分別為a1，a3，其中a1和a3的振動(dòng)加速度幅值反映了輸入端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)大小，平均加速度幅值為ain.在輸出端卡套上安裝2個(gè)加速度傳感器，即得到輸出端的徑向振動(dòng)加速度幅值分別為a4，a6，其中a4和a6的振動(dòng)加速度幅值反映了輸出端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)大小，平均加速度幅值為aout.由于在卡套上a1和a3到軸心的力臂與a4和a6到軸心的力臂相等，即高彈聯(lián)軸器樣機(jī)輸入端和輸出端的振動(dòng)角加速度幅值的比值等于振動(dòng)加速度幅值的比值，由此可得到高彈聯(lián)軸器樣機(jī)扭轉(zhuǎn)方向的振級(jí)落差La，即高彈聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)方向的結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性.

圖5 扭轉(zhuǎn)方向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試原理Fig.5 Schematic diagram of measuring torsional vibration transmission

圖6 扭轉(zhuǎn)方向振動(dòng)傳遞特性測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test site of torsional vibration transmission

2 頻響函數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

文中的頻響函數(shù)是加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)4#與激振器輸入端力信號(hào)的比值，通過(guò)頻響函數(shù)進(jìn)而得到高彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性.高彈聯(lián)軸器的隔振性能主要與其剛度和阻尼有關(guān)，高彈聯(lián)軸器的剛度能夠改變系統(tǒng)的固有頻率，通過(guò)調(diào)整剛度可以實(shí)現(xiàn)將共振頻率避開(kāi)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率，而阻尼可以改善系統(tǒng)的振動(dòng)振幅，比如通過(guò)增大系統(tǒng)的阻尼抑制共振振幅;試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整膜片數(shù)量改變系統(tǒng)剛度，而安裝的橡膠件可以同時(shí)改變系統(tǒng)的剛度和阻尼特性.

從表2中可以看出，膜片數(shù)量的變化對(duì)于系統(tǒng)整體剛度影響較小，因此高彈聯(lián)軸器3個(gè)方向上各階固有頻率變化不大，變化范圍基本在5 Hz以?xún)?nèi)，而安裝橡膠件對(duì)高彈聯(lián)軸器的固有頻率影響相對(duì)較大.在用剛性結(jié)構(gòu)代替橡膠件時(shí)，首先，軸向和徑向的第1階固有頻率變化不大，第2階及更高階次固有頻率反而下降，這是由于高彈性聯(lián)軸器的剛度發(fā)生變化，同時(shí)其參振質(zhì)量也在改變;其次，扭轉(zhuǎn)方向的固有頻率在第2階及更高階次時(shí)發(fā)生變化，固有頻率顯著增加.頻響測(cè)試結(jié)果表明，同時(shí)安裝橡膠件和膜片不僅能降低系統(tǒng)各階固有頻率，而且使系統(tǒng)各階固有頻率更加集中，這有利于系統(tǒng)在運(yùn)行中更好地避開(kāi)共振區(qū)域.

表2 高彈樣機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性Table 2 Natural frequencies of the high-elastic coupling

3 不同試驗(yàn)工況振級(jí)落差對(duì)比分析

圖7為高彈性聯(lián)軸器軸向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比.在低頻時(shí)隔振效果總體上隨著頻率的增加而下降，隔振效果在30 Hz左右出現(xiàn)微小下降，這是由高彈性聯(lián)軸試驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率引起的;在40～100Hz范圍內(nèi)，頻率越高，軸向隔振效果越明顯，振級(jí)落差的衰減速率大約為每倍頻程30 dB;在100～400Hz范圍內(nèi)，軸向隔振效果趨于平穩(wěn)，達(dá)到50～60 dB;在400Hz以上頻率，高彈聯(lián)軸器安裝橡膠件時(shí)的軸向隔振效果比不安裝橡膠件時(shí)要好20～30 dB.從整體來(lái)看，膜片數(shù)量的變化對(duì)隔振效果的影響相對(duì)較小，大約4～6 dB，安裝橡膠件對(duì)隔振效果的影響相對(duì)較大，尤其是在高頻段隔振效果明顯.

圖7 軸向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比Fig.7 Comparison of vibration level differences along axial direction

圖8為高彈性聯(lián)軸器徑向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比.在10～25Hz范圍內(nèi)，頻率越高，徑向隔振效果越明顯，振級(jí)落差的衰減速率大約為每倍頻程20 dB;在25～200 Hz范圍內(nèi)，徑向隔振效果在15～30 dB范圍內(nèi)波動(dòng);在200 Hz以上頻率時(shí)，不安裝橡膠件的徑向隔振效果開(kāi)始下降，安裝橡膠件比不安裝橡膠件時(shí)徑向的隔振效果要好20～30 dB.膜片數(shù)量的變化對(duì)隔振效果的影響相對(duì)較小，大約3～5 dB，而安裝橡膠件對(duì)隔振效果的影響相對(duì)較大，尤其在高頻段能顯著提高徑向的振動(dòng)隔離效果.

圖8 徑向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比Fig.8 Comparison of vibration level differences along radial direction

圖9為高彈性聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)方向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比.在10～25 Hz范圍內(nèi)時(shí)，除了在20 Hz頻率下安裝橡膠件時(shí)振動(dòng)有放大之外，不同工況下扭轉(zhuǎn)方向的振級(jí)落差基本接近，幾乎沒(méi)有隔振效果;在25Hz以上頻率時(shí)，不安裝橡膠件時(shí)扭轉(zhuǎn)方向的隔振效果在－10～10dB范圍內(nèi)波動(dòng)，安裝橡膠件時(shí)扭轉(zhuǎn)方向振級(jí)落差的衰減速率大約為每倍頻程15～20 dB(個(gè)別頻段除外)，頻率在500Hz以上時(shí)的振級(jí)落差穩(wěn)定在－55dB左右.膜片數(shù)量的變化對(duì)高彈性聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)隔離效果影響很小，而安裝橡膠件則對(duì)隔振效果的影響很大，能夠顯著提高25 Hz以上頻率的扭轉(zhuǎn)方向隔振效果.

圖9 扭轉(zhuǎn)方向不同工況下振級(jí)落差對(duì)比Fig.9 Comparison of vibration level differences along torsional direction

4 結(jié)論

1)通過(guò)不同工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不論在軸向、徑向還是扭轉(zhuǎn)方向，膜片數(shù)量的變化(4、6、8)對(duì)高彈性聯(lián)軸器的振動(dòng)隔離效果影響較小.同時(shí)在中高頻段，純膜片結(jié)構(gòu)的隔振效果總體在10 dB以?xún)?nèi)，隔振效果并不理想.

2)安裝橡膠件對(duì)高彈性聯(lián)軸器3個(gè)方向的振動(dòng)傳遞特性影響均較大，安裝橡膠件能夠顯著提高50 Hz以上頻率時(shí)的振動(dòng)隔離效果.400 Hz以上頻率時(shí)，其隔振效果穩(wěn)定在50dB左右.

3)在0～30Hz的較低頻時(shí)，由于系統(tǒng)固有共振特性的影響，高彈性聯(lián)軸器的振動(dòng)傳遞特性稍微變差，其變差的準(zhǔn)確頻率段取決于高彈性聯(lián)軸器的剛度及兩端配置的軸端附加質(zhì)量大小，即取決于系統(tǒng)固有頻率的大小.因此在船舶軸系配套選型以及高彈性聯(lián)軸器詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸系的質(zhì)量分布情況和主要擾動(dòng)力頻率特性確定合理剛度參數(shù)，避開(kāi)系統(tǒng)的共振頻率.

關(guān)于高彈性聯(lián)軸器兩端軸段附加質(zhì)量大小、軸系中軸承座的固定支撐邊界條件、軸系運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)載荷、軸系負(fù)載的非線性等因素對(duì)高彈性聯(lián)軸器振動(dòng)傳遞特性的影響，還有待于進(jìn)一步分析和研究.

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