隔振元件机械阻抗的加载测试研究

徐秋霞，王锁泉，徐 敏

(1.江苏科技大学，江苏 张家港 215600;2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082)

隔振元件机械阻抗的加载测试研究

徐秋霞1，王锁泉2，徐 敏2

(1.江苏科技大学，江苏 张家港 215600;2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082)

基于隔振元件承载方式的全面调研，对加载约束状态下隔振元件机械阻抗测试类型进行了分类，给出了单向加载约束状态隔振元件三向平动机械阻抗的测试方案，并对加载工况下典型隔振元件机械阻抗进行了测量，分析了加载对隔振元件机械阻抗参数的影响规律，验证了加载测试的重要性。

隔振元件;机械阻抗;加载;测试

0 引言

隔振元件机械阻抗参数与隔振元件结构形式、材料性能、载荷工况、环境温度等因素密切相关，通常依赖试验测量得到［1～5］。国内已建立加载状态下隔振元件三向机械阻抗测试方法［2，3］，并经过了考核验证［4］，测量结果已在舰船工程中得到应用，但目前加载方式仅局限于轴向加载。

本文在对我国船舶隔振元件的承载方式进行系统调研的基础上，对加载约束状态下隔振元件机械阻抗测试类型进行了分类，全面给出了单向加载状态隔振元件三向平动机械阻抗测试方案，介绍了试验测试主要元素和基本流程。基于测试方案，对加载工况下典型隔振元件的机械阻抗进行了测量研究，分析了不同加载方式与载荷对隔振元件机械阻抗参数的影响规律，验证了加载测试的重要性。

1 隔振元件承载方式

调研发现，我国船舶机械隔振系统与管路系统采用了大量隔振元件，如隔振器、挠性接管、管路弹性支撑等。隔振元件的布置使用方式也不尽相同，有的单向承载，有的组合承载。

大部分隔振器采用正置隔振安装形式。隔振器正置支撑设备时，承受轴向压缩载荷;而正置吊挂设备时，承受轴向拉伸载荷，如图1所示。为节省安装空间，设备侧挂隔振安装在我国船舶上使用也较为普遍，此时隔振器承受剪切载荷，如图2所示。船上部分隔振器采用斜置安装形式，隔振器同时承受轴向与横向载荷，即组合承载，如图3所示。

图1 隔振器正置安装承载示意图

图2 隔振器侧挂安装承载示意图

图3 隔振器斜置安装承载示意图

由于普通挠性接管通常不具备自行平衡功能，管内充压时管体有伸长或缩短趋势，使其两端法兰受到上下游金属管道的轴向约束载荷。图4给出了普通挠性接管的承载示意图。

2 隔振元件机械阻抗测试类型

国外相关文献提出，隔振元件机械阻抗参数与加载约束载荷存在一定关系，试验测量中应考虑被测试件的载荷工况［5］。根据我国隔振元件使用承载方式调研结果与隔振元件机械阻抗定义，可将加载约束状态下隔振元件机械阻抗测试归纳为以下几种类型:

①轴向加载(含空载)状态轴向机械阻抗测试;

②轴向加载(含空载)状态横向机械阻抗测试;

③横向加载状态轴向机械阻抗测试;

④横向加载状态横向机械阻抗测试;

⑤组合加载状态轴向机械阻抗测试;

⑥组合加载状态横向机械阻抗测试。

以上测试类型均属于平动机械阻抗测试范畴，①～④加载工况较为单一，相对容易实现;⑤和⑥加载工况较为复杂，实现难度较大。

图4 普通挠性接管典型承载示意图

3 隔振元件加载约束机械阻抗测试方案

近些年，作者对单向加载状态三向平动机械阻抗测试方法开展了系统研究［3，4］。图5～图6为分别轴向加载状态轴向、横向机械阻抗的测试布置方案。图7～图8分别为横向加载状态下轴向、横向机械阻抗测试布置图。

要开展单向加载约束状态下隔振元件三向平动机械阻抗测试，一般需具备以下试验元素:

图5 轴向加载状态轴向机械阻抗测试布置方案

图6 轴向加载状态横向机械阻抗测试布置方案

图7 横向加载状态轴向机械阻抗测试布置方案

图8 横向加载状态横向机械阻抗测试布置方案

①实现振动堵塞边界条件的阻抗平台;

②实现垂向加载的立式加载机构与弹性加载系统;

③实现横向加载的卧式加载机构与支撑;

④输出端振动堵塞力测量用的垂向与横向动态测力板;

⑤用于两试件位置调整导向的水平滑台;

⑥用于试件与试验装置连接的过渡元件;

⑦用于振动信号同步测量的仪表系统;

⑧其他辅助装置与系统。

具备以上试验元素后，可参考图5～图8所示方案开展对应加载工况下隔振元件横向机械阻抗参数的测量。试验基本步骤为:

①通过过渡元件将被测试件输出端与测力板、阻抗平台依次刚性连接;

②在被测试件输入端与输出端安装力传感器与加速度计;

③采用加载系统对被测试件进行加载到所需工况后锁紧加载系统;

④弹性悬吊安装激振系统，激励输入端产生所需方向振动响应;

⑤同步测量输入端、输出端的动态力与振动加速度，并按机械阻抗公式进行数据处理［1～4］。

4 典型隔振元件加载机械阻抗测试

作者基于以上测试布置方案和试验要求，对最常见的加载约束状态下不同类型隔振元件的三向机械阻抗进行了测量，目前有效测量频率范围为5～1 000 Hz，具体测试结果与分析如下。

4.1 轴向加载对机械阻抗测试结果影响分析

图9给出了空载和轴向加载300 kg状态下BM-300(压缩型)隔振器的轴向输入与传递机械阻抗测试结果对比图，图10给出了空载和轴向加载120 kg状态下BE-120(剪切型)隔振器的轴向输入与传递机械阻抗测试结果对比图，图11给出了管内介质0 MPa和充压3 MPa状态下JYXR(H)DN80挠性接管的轴向输入与传递机械阻抗测试结果对比图。

由图9测试结果可以看出，BM-300隔振器轴向加载300 kg载荷后，一阶轴向固有频率从空载的134 Hz增大到了156 Hz，偏移量达16.4%，且共振频率点处阻抗值略微增大。另外，加载后在一阶固有频率以前，输入与传递机械阻抗值均变大，其中在5～20 Hz频段范围内，输入机械阻抗与传递机械阻抗重合较好，反映其低频刚度特性;加载后传递机械阻抗值比空载平均增大了35.9%，轴向加载后BM-300隔振器变“硬”。

图10看出，BE-120隔振器轴向加载120 kg载荷后，一阶轴向固有频率从空载的330 Hz减小到了288 Hz，偏移量达12.7%，且共振频率点处阻抗值略微增大。另外，加载后在一阶固有频率以前，输入与传递机械阻抗值变小，其中在5～50 Hz频段范围内，输入机械阻抗与传递机械阻抗重合较好，反映其低频刚度特性，加载后传递机械阻抗值比空载平均减小了17.6%，轴向加载后BE-120隔振器变“软”。

图9 BM-300隔振器轴向机械阻抗测试结果

图10 BE-120隔振器轴向机械阻抗测试结果

图11 JYXR(H)DN80挠性接管轴向机械阻抗测试结果

从图11看出，JYXR(H)DN80挠性接管管内介质充压3 MPa且约束后，管体一阶轴向固有频率从常压的126 Hz增大到了164 Hz，偏移量达30.2%，且共振频率点处阻抗值略微减小。另外，加载后的输入与传递机械阻抗值变化规律与BM-300隔振器类似，其中在5～20 Hz频段范围内，输入机械阻抗与传递机械阻抗重合较好，反映其低频刚度特性，充压3 MPa后传递机械阻抗值比0 MPa时平均增大了98.7%，管内介质充压后JYXR(H)DN80挠性接管管体变“硬”。

从机械阻抗加载测试对比结果可以看出，不同隔振元件加载约束后轴向机械阻抗变化规律不一样，有的变“硬”，有的变“软”，作者分析认为，出现这种情况的原因应与隔振元件的结构形式有关。BM-300隔振器属于纯拉压型隔振器，加载后隔振器橡胶部分受压缩，橡胶刚度变大;而BE-120隔振器属于剪切型隔振器，加载后实际上橡胶部分承受拉伸和剪切，橡胶刚度变小。JYXR(H)DN80挠性接管充压后，管体橡胶和帘线受到内部压力膨胀影响，管体刚度变大。

4.2 横向加载机械阻抗测试结果影响分析

图12为3 MPa压力下空载和横向加载4 mm状态下JYXR(H)DN125挠性接管的轴向输入与传递机械阻抗测试结果对比图。图13给出了0 MPa压力下空载和横向加载5 mm状态下JYXR(H)DN80挠性接管的横向输入与传递机械阻抗测试结果对比图。

图12 空载和横向加载4 mm状态下JYXR(H)DN125挠性接管轴向机械阻抗测试结果(3 MPa)

图13 空载和横向加载5 mm状态下JYXR(H)DN80挠性接管横向机械阻抗测试结果(0 MPa)

由图12可以看出，JYXR(H)DN125挠性接管在充压3 MPa横向加载4 mm后，与空载状态相比，机械阻抗测试结果偏差不大，基本一致。高压状态下，横向加载对JYXR(H)DN125挠性接管轴向机械阻抗参数影响不大，可以忽略。

从图13看出，JYXR(H)DN80挠性接管在常压状态横向加载5 mm后，与空载状态相比，管体一阶轴向固有频率从常压的186 Hz增大到了197 Hz，偏移量达5.9%，且共振频率点处阻抗值略微减小。另外，加载后在一阶固有频率以前，输入与传递机械阻抗值均变大，其中在5～20 Hz频段范围内，输入机械阻抗与传递机械阻抗重合较好，反映其低频刚度特性，加载后传递机械阻抗值比空载平均增大了23.7%，横向加载后JYXR(H)DN80挠性接管横向变“硬”。

5 结论

研究发现，反映隔振元件宽频动态特性的机械阻抗参数的确与其承载方式相关，且机械阻抗随载荷的变化规律与隔振元件的结构形式、承载方式以及载荷大小均有不同程度的关系。因此，在特定加载方式和载荷工况下进行隔振元件机械阻抗测量非常必要，这样可保证试验数据的客观性和准确性。

本文建立了单向加载状态下隔振元件三向机械阻抗测试布置方案，给出了部分测试结果与分析结论，全面验证了机械阻抗加载测试的重要性。

本文还提出了组合加载状态下的轴向与横向机械阻抗测试的基本类型，具体测试方法研究、试验装置研制以及复杂载荷对机械阻抗的影响规律分析还有待今后深入研究。

［1］ 王锁泉，周庆云，等.隔振元器件机械阻抗测量与数据处理方法研究［J］.舰船科学技术，2006，28(215):107-111.

［2］ 王锁泉，朱忠，等.加载对隔振器机械阻抗参数的影响［C］//吴有生.第十一届船舶水下噪声学术讨论会论文集.北京:中国造船工程学会，2007:180-185.

［3］ 王锁泉，席亦农，等.加载状态下隔振元件三向机械阻抗测试［J］.噪声与振动控制，2010，30(S1):290-292.

［4］ 王锁泉，苗金林，等.隔振元器件机械阻抗测试方法标模验证［C］//崔维成.第十三届船舶水下噪声学术讨论会论文集.北京:中国造船工程学会，2011:223-229.

［5］ Dickens J D ，Norwood C J.Universal method to measure dynamical performance of vibration isolators under static loads［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，244(4):685-696.

TB52+3

A

2011-10-24

徐秋霞(1991-)，女，本科，研究方向为船舶结构设计;王锁泉(1979-)，男，高级工程师，主要从事船舶振动噪声控制与测试技术;徐敏(1959-)，男，高级工程师，主要从事船舶振动噪声控制与测试技术。