广义质量弹簧减振器动力学特性研究

第一作者万海波男，博士生，1987年生

通信作者朱石坚男，教授，博士生导师，1955年生

广义质量弹簧减振器动力学特性研究

万海波，朱石坚，楼京俊，闫政涛(海军工程大学动力工程学院，武汉430033)

摘要：为降低舰船设备传递到基础的振动，提出广义质量弹簧减振器。介绍该减振器的结构组成，采用结构导纳综合法对其动力学特性进行分析。为验证广义质量弹簧减振器的减振效果，以某船用滑油泵为对象，采用Adams及Ansys软件构建系统刚柔动力学混合模型，对安装减振器前后机脚加速度频、时域响应进行仿真分析。结果表明，广义质量弹簧减振器不仅能降低设备机脚特定频率的振动，亦能抑制该处中高频振动。

关键词：广义质量弹簧减振器；结构导纳综合法；动力学特性；减振效果

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51009143)

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-06-03

中图分类号:O322文献标志码：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

舰船动力机械设备工作时会产生较大振动，不仅影响机组正常运行及使用寿命，亦会通过基座传递至壳体向水中形成辐射噪声，严重影响舰船声隐身性能。控制机械设备振动传递最有效方法为隔振，即在被隔振设备与基础之间放置隔振器，以减小两者间动态耦合及不良振动传递[1]。而实际使用时，部分机械设备或附属结构往往不允许自身有较大变形，不适合采用隔振技术。

减振技术为对隔振技术的良好补充，通常采用两种途径：①在设备机脚上安装动力吸振器。对此文献[2]研究用动力吸振器抑制同步电动机-压缩机瞬态旋转共振方法，吴崇健等[3]利用离散分布式动力吸振器，降低某舰用大型推进电机的齿轭振动；②在基座与壳体间设置阻振质量块，文献[4]采用波动分析法计算阻振质量抑制结构声传递的投射系数、反射系数，获得隔振度，田正东等[5-7]针对偏心阻振质量进行隔振特性研究，并形成基座阻振质量隔振效果工程快速预报方法。然而动力吸振器只能在特定某个频率下对设备有减振效果，且该频率多为设备基频；阻振质量只能对设备中高频振动起隔离效果，对低频振动无能为力，且一旦设计安装后很难再进行调整、更改。

为综合动力吸振器、阻振质量优势，在经典质量-弹簧减振器基础上，本文提出广义质量弹簧形式减振器，即可据质量与弹簧组合关系构成能降低设备基频、中高频振动的减振器。在介绍该减振器结构组成并采用结构导纳综合法[8]对其动力学特性分析基础上，以某船用滑油泵为对象，利用Adams及Ansys软件构建系统刚柔混合动力学模型，从频、时域分析设备机脚安装广义质量弹簧减振器前后加速度响应，验证减振效果。

1广义质量弹簧减振器结构组成及减振机理分析

由于结构简单、设计安装方便，减振器选用质量弹簧形式，其由质量块、钢弹簧、芯轴、螺母及套筒等结构组成，见图1。其中芯轴1连接质量块4与弹簧5的支撑结构，用于避免弹簧工作过程中产生弯曲不对中及方便减振器安装；套筒3用于调节质量块、弹簧在芯轴的位置；螺母2用于确保减振器装配关系使用中不发生变化。为研究广义质量弹簧减振器减振机理，采用结构导纳综合法对系统进行分析。某机械设备结构示意图见图2。

图1 广义质量弹簧减振器结构组成Fig.1Thestructureofthegeneralizedmass-springdamper图2 系统结构示意图Fig.2Thesketchmapoftheequipment

假定设备在(图2)A点受垂向稳态激励F作用，据系统四端网络模型，未安装广义质量减振器时系统响应满足

(1)

式中：v1，v2分别为A、B点振动速度；YAA，YBB分别为设备A、B点结构导纳；YAB，YBA分别为A、B点之间传递导纳。

此时，设备机脚B点速度为

v2=YABF

(2)

当系统安装广义质量减振器时，其四端网络分析模型见图3。此时系统响应满足

(3)

(4)

(5)

此时，设备机脚B点速度为

(6)

(7)

随稳态激励力频率升高，H逐步减小并趋于0，多项式jωm1逐步增大，当jωm1>1/YBB，即广义质量弹簧减振器下层质量机械阻抗大于设备机脚B点自身阻抗时，便会在振动传递路径上(设备机脚处)出现阻抗失配，设备机脚B点速度v2′便会降低。此时广义质量弹簧减振器下层质量m1起阻振质量作用，且质量越大减振效果越明显。因此，在机械设备机脚尤其振动传递路径附近安装广义质量弹簧减振器，不仅可降低设备在特定频率处的振动，亦能降低设备在中高频范围内的振动，对刚性安装设备十分有益。

图3　系统四端网络分析模型 Fig.3 The four-terminal network analysis model of the system

2系统建模及仿真分析

为接近工程实际，以某船用滑油泵为研究对象，采用Adams软件构建系统模型，见图4。其中泵体为刚体，质量470.89 kg；泵体安装基座为柔性体，质量31.12 kg。利用Ansys软件计算安装基座模态生成中性文件后导入Adams软件；泵体与机座固定连接后用4个线性弹簧连接到基础上，构成单层隔振系统，系统固有频率为15 Hz。滑油泵额定转速1 500 r/min。设备为旋转机械，运行时产生的基频振动为25 Hz[9]。分析中仅考虑垂向运动，且假定滑油输运泵的几何中心与实际重心重合。在设备安装机座与隔振器连接点，即振动传递路径上(机脚)分别加装广义质量弹簧减振器，见图5。其中单个减振器下层质量m1=2 kg，上层质量m2=6 kg，下层弹簧刚度k1=93 710 N/m，上层弹簧刚度k2=64 330 N/m。从频率、时域范围内验证减振效果。

图4 无广义质量弹簧减振器滑油泵模型Fig.4Thelubricationoilpumpmodelwithoutgeneralizedmass-springdamper图5 有广义质量弹簧减振器滑油泵模型Fig.5Thelubricationoilpumpmodelwithgeneralizedmass-springdamper

图6为滑油泵模型安装广义质量弹簧减振器前后，机座与隔振器连接点振动加速度频率响应对比。由图6看出，频率25 Hz处(设备基频振动)该点振动加速度明显降低；在中高频段内加速度得到抑制。需说明的是，安装广义质量弹簧减振器后，系统的共振频率出现一定偏移，只要偏移程度不大且不与设备激励频率重合，影响相对较小。实际使用中，可据系统激励频率及阻抗合理调整下层质量块质量，确保系统安装减振器后不出现高频共振。

图6　设备机脚振动加速度频率响应对比 Fig.6 The comparison of the acceleration frequency response on the equipment feet

为进一步验证广义质量弹簧减振器的减振效果，用设备机脚(机座与隔振器连接点附近)实际测量的振动加速度信号作为输入，计算分析机座与隔振器连接点加速度响应。图7为设备安装广义质量弹簧减振器前后，机座与隔振器连接点振动加速度时域响应对比。由图7看出，广义质量弹簧减振器不仅对设备机脚的基频振动有减振效果，即25 Hz处幅值从1.5 m/s2降低至0.65 m/s2，高频振动也不同程度减小，从而降低传递至基础的振动。

图7　设备机脚加速度时域响应对比 Fig.7 The comparison of the acceleration time response on the equipment feet

3结论

为降低舰船设备传递到基础的振动，本文提出广义质量弹簧减振器。通过利用结构综合导纳法分析减振机理，并对某船用滑油泵用Adams及Ansys软件构建刚柔动力学混合模型，进行减振器安装前后机脚加速度时、频域响应仿真分析。结果表明，广义质量弹簧减振器不仅能降低设备机脚特定频率下的振动，亦能抑制设备机脚中高频振动，从而验证广义质量弹簧减振器的减振效果，具有一定工程实用价值。

参考文献

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