浮筏隔振系統三向振動傳遞特性研究

張森森，商 超，戴 俊，代成名

(1.海裝駐葫蘆島地區軍事代表室，葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

0 引 言

機械設備運轉會對艦船的輻射噪聲控制、精密儀器工作和人員舒適性等造成不利影響。作為目前最通用有效的機械設備振動控制手段，浮筏隔振系統的減振特性得到業界的廣泛研究[1-8]。

在浮筏隔振系統振動傳遞方向上，研究人員主要采用理論與仿真相結合[1-6]、理論與試驗相結合[7-8]等方法。而在其理論和仿真研究中，往往以設備的法向激勵作為輸入，基座也僅考慮其法向響應，并未全面考慮浮筏隔振系統（特別是減振器）的三向振動傳遞特性。這對于細化分析設備源特性貢獻、浮筏隔振效果評價和輻射噪聲計算輸入等造成約束。

本文從減振器、設備、筏架和基座等浮筏構件出發，建立便于試驗獲取的阻抗方程和導納方程，并對各要素給出由單向到三向擴展說明，形成了浮筏隔振系統的三向振動傳遞動力學模型。基于該模型編制了振動估算程序，并通過了試驗驗證。最后，通過計算設備不同方向的激勵對基座三向振動響應的影響，分析了在浮筏振動傳遞特性研究中考慮三向的必要性。

1 浮筏隔振系統三向動力學模型

將浮筏隔振系統分為激勵設備、上下層減振器、筏架和基座等5部分，如圖1所示。

圖1 浮筏隔振系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of raft isolation system

1）對上下層減振器建立多點阻抗方程，對設備、筏架和基座建立多點導納方程；

2）采用阻抗綜合法，建立浮筏隔振系統的振動傳遞模型；

3）給出模型由單向到三向的擴展說明。定義F表示力、Z表示阻抗、Y表示導納、V表示速度、V0表示自由振速。上標s表示設備、f表示筏架、t表示基座，下標j表示上層減振器、x表示下層減振器。

1.1 減振器阻抗方程

以上層減振器為例，將減振器簡化為如圖2所示模型，由輸入端等效質量、輸出端等效質量及連接兩端質量的剛度、等效阻尼系數組成。，為減振器設備端力及速度，，為減振器筏架端力及速度。

圖2 減振器簡化模型Fig.2 Simplified model of damper

其中，阻抗與等效模型的質量、剛度及阻尼關系[9]為：

1.2 設備、筏架和基座的導納方程

1.3 浮筏隔振系統三向振動傳遞動力學模型

該振動傳遞動力學模型相對于純阻抗模型或純導納模型，具有減振器阻抗和結構件導納均可直接試驗獲取的優勢，可避免模型搭建過程中的求逆操作，提高計算精度。

若有M個上層減振器，N個下層減振器，浮筏隔振系統振動傳遞模型由單向到三向擴展說明如下：

1）假定減振器三向振動傳遞無耦合，故單個減振器的原點阻抗矩陣和跨點阻抗矩陣均為3階對角陣，而為所有上層減振器原點阻抗陣組成的3M階對角陣，其余減振器阻抗陣類同。

2）結構件的三向振動傳遞之間的耦合不可忽略。以筏架上層減振器安裝點導納為例，其對角線為單個上層減振器單向的原點導納，非對角線元素為跨點或跨向或跨點跨向的傳遞導納；為3M×3N階導納矩陣；其余導納矩陣類同。

2 試驗驗證

2.1 試驗方案

試驗臺架由1臺水泵、管路系統、上下層減振器、筏架和基座等組成。以水泵進口方向為X向正向，以垂向上為Z向正向，試驗臺架如圖3所示。水泵通過上層減振器臥式安裝在筏架上，筏架通過下層減振器安裝在基座上；管路系統外聯到遠處水箱，并隔離其對基座振動的影響。

圖3 試驗臺架示意圖Fig.3 Schematic diagram of test bench

水泵的額定功率為18.5 kW，額定流量22.5 t/h，轉速1 500 r/min，質量220 kg。在上下減振器兩端均布置三向振動加速度測點。上層減振器X，Y，Z三向動剛度分別約為820 N/mm，320 N/mm，380 N/mm。

2.2 試驗驗證結果

在試驗臺架測試工況的基座響應估算中，設備激勵采用如圖4所示的實測值。減振器阻抗、筏架導納和基座導納在10 Hz～1 kHz采用實測值，在1 kHz～8 kHz采用等效值。基座3個方向各自的平均振動估算值和實測值對比如圖5～圖7所示。

圖4 水泵機腳三向激勵Fig.4 Three directional excitation of pump seat

圖5 基座估算值和實測值（X向）Fig.5 The estimated and measured values of pedestal (X direction)

圖6 基座估算值和實測值（Y向）Fig.6 The estimated and measured values of pedestal (Y direction)

圖7 基座估算值和實測值（Z向）Fig.7 The estimated and measured values of pedestal (Z direction)

試驗驗證結果表明：

1）振動試驗測量到的基座加速度與估算程序計算得到的基座加速度隨頻率變化趨勢基本吻合；

2）在10 Hz～8 kHz的頻域范圍內，典型機械系統的基座X向加速度總級誤差為0 dB，Y向加速度總級誤差為1.6 dB，Z向加速度總級誤差為2.0 dB，三向的最大加速度總級值誤差不大于2.0 dB，振動估算值與試驗測試結果誤差滿足工程使用要求。

3 阻抗特性計算

在上節基座振動估算中，同時施加了設備機腳各點的三向激勵。從圖4可以看出，水泵機腳三向激勵的總級相當（相差不大于1.5 dB）；在25 Hz軸頻處，水泵機腳三向激勵值基本相等。

為探究3個方向激勵各自對基座振動的貢獻量，通過調整估算程序，分別施加設備機腳各單個方向激勵，基座振動加速度計算結果如圖8～圖10所示。

圖8 各單向激勵作用下基座X向響應對比圖Fig.8 X-directional response comparison chart of pedestal on the influence of every directional excitation

圖9 各單向激勵作用下基座Y向響應對比圖Fig.9 Y-directional response comparison chart of pedestal on the influence of every directional excitation

圖10 各單向激勵作用下基座Z向響應對比圖Fig.10 Z-directional response comparison chart of pedestal on the influence of every directional excitation

從計算結果對比中可以看出：

1）X向激勵對基座X、Y、Z三個方向的響應均起決定性作用（這與該方向的振動輸入能量明顯大于其他兩個方向有關）；

2）Y向激勵僅在160 Hz和630 Hz頻段的計算中起重要作用，但對總級影響不大；

3）Z向激勵對各1/3倍頻程段的振動貢獻均可忽略。

這說明，在振動估算中同時考慮三向激勵和三向振動傳遞是必要的。

4 結 語

本文建立了浮筏隔振系統的三向振動傳遞動力學模型，并通過試驗驗證了該模型的估算精度滿足工程要求。通過分析設備不同方向激勵對基座三向振動響應，證明了在浮筏設計和振動傳遞特性研究中考慮三向的必要性。