隔振器抗振動沖擊性能試驗研究

劉劍超，姚冬旭，宋世千，王 闊

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

氣墊船由于航速高、船重小，在墊升、航行、著陸期間會引起強烈的波浪抨擊，產生強烈振動沖擊，且由于氣墊船的船體結構，上層建筑、機架等的板和構架都比較輕而單薄，這些環境結構的自振頻率一般都比較低，即使將設備做的很強，但由于它是安裝在較單薄的結構上，也只能有較低的機座頻率，且會給安裝設備造成比較大的結構應力，較常見的艦載環境來說，氣墊船的振動沖擊環境十分復雜，對艦載設備的抗振動沖擊能力提出了較高要求[1-2]。

艙內設備抗振抗沖擊解決方案主要有剛度及強度設計和隔振緩沖設計。提高設備的剛度、強度是提高設備抗振、抗沖機性能的基本措施；在設備具有一定的剛度及強度的前提下，隔振設計則是抗振抗沖擊的主要措施，一個好的隔振緩沖系統可以有效地降低振動傳遞率、碰撞傳遞率和沖擊傳遞率，通過隔振減少和吸收振動沖擊傳遞的能量以達到良好的控制效果[3-4]。

本文針對氣墊船復雜振動沖擊環境，研究艙內設備有效的抗振動沖擊方案。通過布置負載，對艙內設備機柜實際工況進行模擬，通過在模擬機柜典型位置布置測點，采集振動響應數據，完成試驗平臺搭建。采用兩種不同結構形式的隔振器，分別對模擬機柜進行隔振處理，并進行抗振抗沖擊試驗。試驗通過采集振動響應數據，分析對比試驗條件下兩種隔振器性能，獲得試驗條件下的隔振器優選方案，并為氣墊船的艙內設備抗振動沖擊問題提供了解決思路。

1 隔振器類型

試驗利用模擬機柜進行試驗，模擬機柜在相應位置布置了共350 kg的模擬滿載配重，并在典型位置布置測點，采集振動響應。模擬機柜采用彈簧隔振器和復合型隔振器兩種不同結構形式的隔振器進行隔振[5-7]。

1.1 復合型隔振器

復合型隔振器由主彈簧、串聯阻尼模塊等組成，采用了變剛度設計以及金屬庫侖阻尼和高分子剪切摩擦阻尼串聯結合的阻尼結構。振動時由上部的金屬庫倫阻尼器提供阻尼力，而下部主彈簧產生線性剛度，從而形成良好的隔振效果；沖擊時上部庫倫阻尼器可以在振動位移范圍內保持阻尼力，并轉由下部的緩沖阻尼器和緩沖墊產生陡變剛度和阻尼，從而形成所需的緩沖效果。復合型隔振器結構形式如圖1所示。

圖1 復合型隔振器結構形式

1.2 彈簧隔振器

彈簧隔振器采用簧片組合結構，由金屬干摩擦產生阻尼力。簧片組合由直簧片和彎簧片沿圓周方向交錯排列組成，形成簧片阻尼籠。隔振器內金屬蓋與簧片阻尼籠配合形成摩擦副，振動時金屬蓋僅與直簧片接觸，提供振動所需的阻尼力，沖擊時隨著位移的增加，金屬蓋與彎簧片接觸，提供更大的阻尼來進行緩沖。彈簧隔振器結構形式如圖2所示。

圖2 彈簧隔振器結構形式

2 抗振抗沖擊性能試驗

2.1 抗振抗沖擊考核要求

根據前期對氣墊船船用振動沖擊環境進行調研情況[8-10]，得到初步環境要求如下：（1）振動環境，按GJB150A高速艦艇振動要求進行考核；（2）沖擊環境，根據總體設計要求，氣墊船體上裝設備耐沖擊要求按GJB150A艦艇沖擊要求進行考核。

2.2 試驗要求

根據試驗要求不低于輸入要求的原則，確定試驗考核要求如下[11-12]。

（1）振動環境

按GJB150.16A-2009高速艦艇振動要求進行考核。振動試驗量值如表1所示。

表1 振動試驗量值表

（2）沖擊環境

按GJB150.18-1986艦船設備的沖擊試驗進行考核，根據GJB150.18-1986要求，機柜（滿載）質量大于200 kg，按照中量級沖擊試驗進行考核。試驗樣品施加6次沖擊，6次沖擊分為3組，每組2次；試驗樣品在每組沖擊中一次為水平安裝，一次為傾斜（傾斜30°）安裝，根據樣品質量（包括安裝架及支撐槽鋼質量），沖擊試驗條件如表2所示。沖擊順序一般按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組次序進行，安裝方式一般先水平安裝，后傾斜安裝。

表2 沖擊試驗條件

2.3 試驗方法

（1）首先通過相應位置安裝隔振器和模擬機柜，并檢查機柜無異常斷裂或者變形；

（2）測點布置：為檢測設備經過振動試驗所產生的響應，在設備典型位置布置測點，采集振動響應；

（3）按照考核要求進行振動、沖擊等試驗；

（4）試驗結束后，再對機柜外觀和機械性能進行檢查，對試驗結果進行整理。

2.4 試驗結果

2.4.1 復合型隔振器試驗結果

（1）振動試驗

按試驗條件進行縱向、橫向、垂向振動試驗。具體試驗數據如表3和圖3所示。

圖3 復合型隔振器縱向、橫向、垂向振動曲線

表3 復合型隔振器振動試驗數據

（2）耐久試驗

由于三向1～60 Hz掃頻振動均無危險頻率點，因此縱向、橫向及垂向的耐久試驗均在60 Hz上振動2 h，隔振性能穩定無異常。

（3）沖擊試驗

沖擊試驗依據GJB150.18-1986試驗十中量級沖擊試驗進行，具體試驗數據如表4所示。

表4 復合型隔振器中量級強沖擊數據g

（4）顛震試驗

顛震試驗過程中無打底現象，整個系統保持穩定狀態。

（5）顛震后振動

顛震后按試驗條件進行縱向、橫向、垂向振動試驗。具體試驗數據如表5和圖4所示。

表5 復合型隔振器顛震后振動試驗數據

圖4 復合型隔振器顛震后縱向、橫向、垂向振動曲線

2.4.2 碟簧隔振器試驗結果

（1）振動試驗

按試驗條件進行縱向、橫向、垂向振動試驗。具體試驗數據如表6和圖5所示。

圖5 碟簧隔振器縱向、橫向、垂向振動曲線

表6 碟簧隔振器振動試驗數據

（2）耐久試驗

縱向、橫向及垂向的耐久試驗均在60 Hz上振動2 h，隔振性能穩定無異常。

（3）沖擊試驗

沖擊試驗依據GJB150.18-1986試驗十中量級沖擊試驗進行，具體試驗數據如表7所示。

表7 碟簧隔振器中量級強沖擊數據g

（4）顛震試驗

顛震試驗過程中樣品晃動幅度較大，有異響。

（5）顛震后振動

按試驗條件進行縱向、橫向、垂向顛震試驗。具體試驗數據如表8和圖6所示。

圖6 碟簧隔振器顛震后縱向、橫向、垂向振動曲線

表8 碟簧隔振器顛震后振動試驗數據

3 結束語

根據沖擊、顛震前后的振動試驗數據對比，碟簧隔振器在沖擊、顛振后的最大振動傳遞率在垂直方向大幅增加，隔振性能明顯下降，因此不適合應用于試驗中復雜振動沖擊環境；而復合型隔振器在沖擊、顛振后的最大振動傳遞率數據一致性較好，隔振能力未受到明顯影響，在沖擊、顛振后仍然可以保持良好的隔振效果，滿足試驗中復雜振動沖擊環境的使用要求，因此復合型隔振器比碟簧隔振器更適合應用于復雜振動沖擊環境條件。本文根據上述試驗結論，選用了符合氣墊船環境要求的復合型隔振器，也為此類環境下的設備隔振方案提供了參考。