廣義質量彈簧減振器動力學特性研究

第一作者萬海波男，博士生，1987年生

通信作者朱石堅男，教授，博士生導師，1955年生

廣義質量彈簧減振器動力學特性研究

萬海波，朱石堅，樓京俊，閆政濤(海軍工程大學動力工程學院，武漢430033)

摘要：為降低艦船設備傳遞到基礎的振動，提出廣義質量彈簧減振器。介紹該減振器的結構組成，采用結構導納綜合法對其動力學特性進行分析。為驗證廣義質量彈簧減振器的減振效果，以某船用滑油泵為對象，采用Adams及Ansys軟件構建系統剛柔動力學混合模型，對安裝減振器前后機腳加速度頻、時域響應進行仿真分析。結果表明，廣義質量彈簧減振器不僅能降低設備機腳特定頻率的振動，亦能抑制該處中高頻振動。

關鍵詞：廣義質量彈簧減振器；結構導納綜合法；動力學特性；減振效果

基金項目：國家自然科學基金青年基金資助項目(51009143)

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-06-03

中圖分類號:O322文獻標志碼：A

Dynamic characteristics of generalized mass-spring dampers

WANHai-bo,ZHUShi-jian,LOUJing-jun,YANZheng-tao(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:To reduce vibrations transferred from vessel equipment to a base, a kind of generalized mass-spring damper was proposed. Its structure was introduced, and its dynamic characteristics were analyzed with the mobility synthesis method. In order to verify the vibration reduction effect of the generalized mass-spring damper, the lubrication oil pump on a certain vessel was taken as a study object, its rigid-flexible coupled dynamic model was established, the frequency domain and time domain acceleration responses at the bottom of the pump with and without a generalized mass-spring damper were calculated. The results showed that the generalized mass-spring damper can not only reduce the vibration of the pump feet under a specific frequency, but also suppress middle and high frequency vibrations there.

Key words:generalized mass-spring damper; mobility synthesis method; dynamic characteristics; vibration reduction effect

艦船動力機械設備工作時會產生較大振動，不僅影響機組正常運行及使用壽命，亦會通過基座傳遞至殼體向水中形成輻射噪聲，嚴重影響艦船聲隱身性能。控制機械設備振動傳遞最有效方法為隔振，即在被隔振設備與基礎之間放置隔振器，以減小兩者間動態耦合及不良振動傳遞[1]。而實際使用時，部分機械設備或附屬結構往往不允許自身有較大變形，不適合采用隔振技術。

減振技術為對隔振技術的良好補充，通常采用兩種途徑：①在設備機腳上安裝動力吸振器。對此文獻[2]研究用動力吸振器抑制同步電動機-壓縮機瞬態旋轉共振方法，吳崇健等[3]利用離散分布式動力吸振器，降低某艦用大型推進電機的齒軛振動；②在基座與殼體間設置阻振質量塊，文獻[4]采用波動分析法計算阻振質量抑制結構聲傳遞的投射系數、反射系數，獲得隔振度，田正東等[5-7]針對偏心阻振質量進行隔振特性研究，并形成基座阻振質量隔振效果工程快速預報方法。然而動力吸振器只能在特定某個頻率下對設備有減振效果，且該頻率多為設備基頻；阻振質量只能對設備中高頻振動起隔離效果，對低頻振動無能為力，且一旦設計安裝后很難再進行調整、更改。

為綜合動力吸振器、阻振質量優勢，在經典質量-彈簧減振器基礎上，本文提出廣義質量彈簧形式減振器，即可據質量與彈簧組合關系構成能降低設備基頻、中高頻振動的減振器。在介紹該減振器結構組成并采用結構導納綜合法[8]對其動力學特性分析基礎上，以某船用滑油泵為對象，利用Adams及Ansys軟件構建系統剛柔混合動力學模型，從頻、時域分析設備機腳安裝廣義質量彈簧減振器前后加速度響應，驗證減振效果。

1廣義質量彈簧減振器結構組成及減振機理分析

由于結構簡單、設計安裝方便，減振器選用質量彈簧形式，其由質量塊、鋼彈簧、芯軸、螺母及套筒等結構組成，見圖1。其中芯軸1連接質量塊4與彈簧5的支撐結構，用于避免彈簧工作過程中產生彎曲不對中及方便減振器安裝；套筒3用于調節質量塊、彈簧在芯軸的位置；螺母2用于確保減振器裝配關系使用中不發生變化。為研究廣義質量彈簧減振器減振機理，采用結構導納綜合法對系統進行分析。某機械設備結構示意圖見圖2。

圖1 廣義質量彈簧減振器結構組成Fig.1Thestructureofthegeneralizedmass-springdamper圖2 系統結構示意圖Fig.2Thesketchmapoftheequipment

假定設備在(圖2)A點受垂向穩態激勵F作用，據系統四端網絡模型，未安裝廣義質量減振器時系統響應滿足

(1)

式中：v1，v2分別為A、B點振動速度；YAA，YBB分別為設備A、B點結構導納；YAB，YBA分別為A、B點之間傳遞導納。

此時，設備機腳B點速度為

v2=YABF

(2)

當系統安裝廣義質量減振器時，其四端網絡分析模型見圖3。此時系統響應滿足

(3)

(4)

(5)

此時，設備機腳B點速度為

(6)

(7)

隨穩態激勵力頻率升高，H逐步減小并趨于0，多項式jωm1逐步增大，當jωm1>1/YBB，即廣義質量彈簧減振器下層質量機械阻抗大于設備機腳B點自身阻抗時，便會在振動傳遞路徑上(設備機腳處)出現阻抗失配，設備機腳B點速度v2′便會降低。此時廣義質量彈簧減振器下層質量m1起阻振質量作用，且質量越大減振效果越明顯。因此，在機械設備機腳尤其振動傳遞路徑附近安裝廣義質量彈簧減振器，不僅可降低設備在特定頻率處的振動，亦能降低設備在中高頻范圍內的振動，對剛性安裝設備十分有益。

圖3　系統四端網絡分析模型 Fig.3 The four-terminal network analysis model of the system

2系統建模及仿真分析

為接近工程實際，以某船用滑油泵為研究對象，采用Adams軟件構建系統模型，見圖4。其中泵體為剛體，質量470.89 kg；泵體安裝基座為柔性體，質量31.12 kg。利用Ansys軟件計算安裝基座模態生成中性文件后導入Adams軟件；泵體與機座固定連接后用4個線性彈簧連接到基礎上，構成單層隔振系統，系統固有頻率為15 Hz。滑油泵額定轉速1 500 r/min。設備為旋轉機械，運行時產生的基頻振動為25 Hz[9]。分析中僅考慮垂向運動，且假定滑油輸運泵的幾何中心與實際重心重合。在設備安裝機座與隔振器連接點，即振動傳遞路徑上(機腳)分別加裝廣義質量彈簧減振器，見圖5。其中單個減振器下層質量m1=2 kg，上層質量m2=6 kg，下層彈簧剛度k1=93 710 N/m，上層彈簧剛度k2=64 330 N/m。從頻率、時域范圍內驗證減振效果。

圖4 無廣義質量彈簧減振器滑油泵模型Fig.4Thelubricationoilpumpmodelwithoutgeneralizedmass-springdamper圖5 有廣義質量彈簧減振器滑油泵模型Fig.5Thelubricationoilpumpmodelwithgeneralizedmass-springdamper

圖6為滑油泵模型安裝廣義質量彈簧減振器前后，機座與隔振器連接點振動加速度頻率響應對比。由圖6看出，頻率25 Hz處(設備基頻振動)該點振動加速度明顯降低；在中高頻段內加速度得到抑制。需說明的是，安裝廣義質量彈簧減振器后，系統的共振頻率出現一定偏移，只要偏移程度不大且不與設備激勵頻率重合，影響相對較小。實際使用中，可據系統激勵頻率及阻抗合理調整下層質量塊質量，確保系統安裝減振器后不出現高頻共振。

圖6　設備機腳振動加速度頻率響應對比 Fig.6 The comparison of the acceleration frequency response on the equipment feet

為進一步驗證廣義質量彈簧減振器的減振效果，用設備機腳(機座與隔振器連接點附近)實際測量的振動加速度信號作為輸入，計算分析機座與隔振器連接點加速度響應。圖7為設備安裝廣義質量彈簧減振器前后，機座與隔振器連接點振動加速度時域響應對比。由圖7看出，廣義質量彈簧減振器不僅對設備機腳的基頻振動有減振效果，即25 Hz處幅值從1.5 m/s2降低至0.65 m/s2，高頻振動也不同程度減小，從而降低傳遞至基礎的振動。

圖7　設備機腳加速度時域響應對比 Fig.7 The comparison of the acceleration time response on the equipment feet

3結論

為降低艦船設備傳遞到基礎的振動，本文提出廣義質量彈簧減振器。通過利用結構綜合導納法分析減振機理，并對某船用滑油泵用Adams及Ansys軟件構建剛柔動力學混合模型，進行減振器安裝前后機腳加速度時、頻域響應仿真分析。結果表明，廣義質量彈簧減振器不僅能降低設備機腳特定頻率下的振動，亦能抑制設備機腳中高頻振動，從而驗證廣義質量彈簧減振器的減振效果，具有一定工程實用價值。

參考文獻

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