基于激振掃描法對大型隔離器動剛度測試技術(shù)的研究

秦曉猛， 譚 棋， 盧 丹

（天津航天瑞萊科技有限公司成都分部， 四川 成都 610100）

0 引言

隔離器被廣泛應(yīng)用于減震類設(shè)備中，如在石油設(shè)備、艦船設(shè)備、大型電子柜和精密儀器等都設(shè)有各類型的減震器或隔離器。隔離器主要用于避免減緩振動沖擊對關(guān)鍵設(shè)備的損壞，故對動剛度的特性要求極其嚴(yán)格。所以，大型動力設(shè)備中設(shè)有大型隔離器，其需要準(zhǔn)確地了解其靜態(tài)性能和動態(tài)性能，如動剛度、固有頻率和損耗因子等。為了準(zhǔn)確獲取大型隔離器的動態(tài)特性，需要對其進(jìn)行動剛度測試，目前，主要采用的方法有激振掃描法、自激振蕩法和橢圓法。其中振動法具有激勵頻帶范圍廣和操作簡單的優(yōu)勢，但為了準(zhǔn)確獲取動態(tài)特性測試數(shù)據(jù)，需要對大型隔離器的振動工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時也需要具備激振掃描法的動剛度測試?yán)碚摶A(chǔ)，才能保證數(shù)據(jù)獲取的有效性。

1 激振掃描法動剛度理論

根據(jù)單自由度彈性系統(tǒng)中慣性力、阻尼力、彈性力及外力平衡原理，在假定彈性系統(tǒng)中為黏彈性結(jié)構(gòu)阻尼，輸入為簡諧信號的條件下進(jìn)行的[1]。當(dāng)系統(tǒng)假定為結(jié)構(gòu)阻尼、剛度為線性復(fù)剛度及輸入為簡諧力，在剛性基礎(chǔ)情況下，M-K 彈性系統(tǒng)運(yùn)動方程式為：

式中：M 為大型隔離器承受的額定配重，kg；K 為大型隔離器的動剛度，N/m；η 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼的損耗因子；X 為配重的絕對位移，m；X¨為配重的絕對加速度，m/s2；F0為振動臺激振力幅值，N；ω 為振動臺激振圓頻率，rad/s；t 為激振力加載的時間。

當(dāng)式（1）中F0=0、臺面位移為u=u0ejωt時為基礎(chǔ)激勵，力學(xué)模型如圖1 所示，運(yùn)動方程式轉(zhuǎn)化為：

圖1 激振掃描法力學(xué)模型

圖2 激振掃描法動剛度測試工裝示意圖

求解方程（2），得到振動臺激勵的每個頻率絕對位移響應(yīng)幅值X0及絕對位移共振幅值X0，max分別由式（3）和式（4）表示。

當(dāng)式（1）中F0=0，時，運(yùn)動方程轉(zhuǎn)化為：

求解該運(yùn)動方程式（5），得到振動臺激勵的每個頻率相對位移響應(yīng)幅值δ0及相對位移共振幅值δ0，max，分別由式（6）和式（7）表示。

式中：u0為基礎(chǔ)激振位移幅值；δ0為質(zhì)量M 相對臺面位移幅值，δ0=（X0-u0），m；為基礎(chǔ)激振加速度幅值，m/s2；ωn為系統(tǒng)共振頻率，rad/s。

當(dāng)大型隔離器激振M-K 彈性系統(tǒng)位移共振時，激振力與阻尼力相等、慣性力與彈性力相等，于是動剛度可以按照式（8）計(jì)算：

2 激振掃描法動剛度測試方法

2.1 配重工裝設(shè)計(jì)

激振掃描法是利用振動試驗(yàn)機(jī)對其施加位移或者加速度，所以需要對大型隔離器設(shè)計(jì)匹配的額定載荷工裝。由于工裝的穩(wěn)定性會影響大型動剛度的測試結(jié)果，所以設(shè)計(jì)出符合滿足測試要求的工裝至關(guān)重要。

1）工裝底部支撐結(jié)構(gòu)在滿足振動臺能力的情況下，盡可能提高其剛度。

2）由于大型隔離器承重能力強(qiáng)而承重截面小，所以工裝設(shè)計(jì)需要考慮其穩(wěn)定性，可以考慮低阻尼輔助支撐或者采用多個隔離器共同進(jìn)行測試。

3）工裝自身的頻率固有頻率高，不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2.2 測試程序

1）根據(jù)振動臺的能力情況，激振力施加在振動臺臺面或系統(tǒng)質(zhì)量上，激勵頻率通常從1/4～4 倍于被試系統(tǒng)共振頻率的范圍內(nèi)進(jìn)行正弦掃描或白噪聲激振掃描，激振振幅參考表1[2]。

表1 激勵振幅參考值

2）通過振動控制儀，記錄振動臺激勵時臺面輸入和質(zhì)量響應(yīng)在各個振動臺激勵頻率下的位移（或速度、加速度）值，并求解隔離器配重響應(yīng)與激勵之間的比值關(guān)系，得到無因次絕對位移響應(yīng)曲線（亦稱為傳遞曲線）。

3）若隔離器存在非線性動態(tài)特性，則應(yīng)分別測出不同靜載荷及位移幅值與動剛度（或固有頻率）的關(guān)系曲線。激振振幅不變的情況下，改變靜載荷進(jìn)行測試；或在額定載荷下，改變激振幅值進(jìn)行激振。

3 激振掃描法動剛度測試應(yīng)用實(shí)例

3.1 測試布置

根據(jù)某大型船用隔離器的產(chǎn)品測試要求，采用激振掃描法，對其進(jìn)行動剛度測試。試驗(yàn)件額定承載1 700kg，放置于振動試驗(yàn)機(jī)上，其測試布置如圖3 所示。

圖3 激振掃描法動剛度測試布置方案

3.2 測試計(jì)算

試驗(yàn)過程中，采用1g 的恒定加速度對其進(jìn)行掃描激勵，通過振動控制儀記錄傳遞力及位移時域波形，并求解隔離器配重響應(yīng)與激勵之間的比值關(guān)系。以頻率為X 軸橫坐標(biāo)、以傳遞比值為Y 軸縱坐標(biāo)，繪制大型隔離器的無因次絕對位移響應(yīng)曲線（亦稱為傳遞曲線）。響應(yīng)最大的時刻發(fā)生在隔離器固有頻率處，則可以根據(jù)固有頻率推算動剛度，如圖4 所示。

圖4 某隔離器激振掃描法主承載方向動剛度試驗(yàn)傳遞函數(shù)曲線

隔離器動剛度計(jì)算：

式中：fn為隔離器在額定配重下的固有頻率，Hz；M 為隔離器額定配重質(zhì)量，kg。

3.3 測試結(jié)果

隔離器動剛度測試結(jié)果，如表2 所示。

表2 隔離器動剛度測試結(jié)果

4 結(jié)語

大型隔離器動剛度測試是一項(xiàng)準(zhǔn)確性要求極高的測試，實(shí)際測試過程中，需要根據(jù)試驗(yàn)件的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)工裝，結(jié)合試驗(yàn)件特性合理選擇激振量級，確保獲取傳遞曲線有效準(zhǔn)確，才能對其動態(tài)特性進(jìn)行合理評估。綜合來看，激振掃描法具有頻帶范圍廣、激勵方便和易于計(jì)算的優(yōu)勢，但大型隔離器的承載要求高，在工裝設(shè)計(jì)和對振動臺的能力要求方面則是激振掃描法的劣勢。