一種復合機座對設備隔振效果影響試驗

李海濤，賀 華，丁 煒，王 強

(上海船舶設備研究所，上海200031)

一種復合機座對設備隔振效果影響試驗

李海濤，賀 華，丁 煒，王 強

(上海船舶設備研究所，上海200031)

通過隔振理論分析，設計復合設備機座的隔振效果試驗方案，并討論試驗方案中振級落差和插入損失的關系；通過試驗分析，研究復合設備機座自身的隔振效果與其對試驗系統的隔振效果的影響，結果表明復合設備機座具有較好的高頻隔振效果，但對不同隔振系統的隔振效果影響不同。

振動與波；復合設備機座；單層隔振系統；雙層隔振系統；隔振效果

為了降低船舶的輻射噪聲，需要通過彈性元件對主要振動設備進行振動隔離，以降低其振動能量的傳遞，達到減小船體結構振動的目的。在船舶設備振動隔離中通常采用單層隔振系統與雙層隔振系統[1]。

近幾年，隨著新型復合材料的發展，復合設備機座已逐步應用于艦艇的振動控制中。文獻[2]研究了不同夾層材料與幾何參數對結構抑振量的影響，得出增加夾層層數對結構抑振的提高量有限，增加夾層厚度可改善抑振性能，采用較硬的約束層和較軟的阻尼層可顯著提高抑振量。文獻[3]通過電－力類比的方法建立了彈性基座的導納分析模型，提出了單層隔振系統中彈性基座噪聲控制的基本原則。文獻[4]通過試驗研究的方法，研究了夾芯復合材料基座的隔振效果，得出夾芯復合材料基座均具有較好的隔振效果,且能夠有效抑制高頻共振的結論。

目前，國內對復合材料設備機座的研究主要是基座自身的隔振效果。本文通過試驗分析，研究一種復合設備機座（以下簡稱復合機座）對設備隔振系統隔振效果的影響，為復合機座的研制及工程應用提供依據。

1 試驗系統設計

1.1 隔振理論分析

在船舶工程中，應用隔振系統的目的是減小設備的振動傳遞，因此，對隔振系統進行評估的指標是設備振動量級的衰減量。目前常用的隔振效果評估指標有力傳遞率、插入損失、振級落差等。一般以力傳遞率作為隔振效果的理論預測論據，以插入損失或振級落差來評定各種實際系統的隔振效果。這三個評價指標是從不同角度推導出來的。力傳遞率主要是針對理論研究，振級落差在試驗分析中測量最為簡單，只需測量隔振器上下兩端的振動量級之差就可得出其值，然而設計者最感興趣的是插入損失,它可理解為經過隔振系統的作用，基礎的原始振動量級的降低值，體現了裝與不裝隔振系統的直接效果。

假設試驗設備與基礎是質量分別為m與M的集中質量塊，隔振系統的剛度為k，阻尼為c，所以設備阻抗Zm=iwm，基礎阻抗ZM=iwM，隔振系統阻抗則插入損失LI與振級落差LD[6]可寫為

在設計隔振系統時，基礎阻抗一般比隔振系統阻抗大5～10倍，當基礎阻抗遠小于設備阻抗時，插入損失LI與振級落差LD近似相等；當基礎阻抗與設備阻抗相當時，插入損失LI比振級落差LD約小5 dB左右；當基礎阻抗與設備阻抗相比較大時，插入損失LI遠小于振級落差LD。為此，可以看出，振級落差僅在基礎阻抗與設備阻抗相比小于1時，才可近似反映隔振系統的隔振效果。

1.2 復合機座的設計依據

在隔振設計中，一方面，要求系統的固有頻率很低,通常外部激勵頻率要大于固有頻率的倍才能起隔振作用，另一方面,隔振系統作為支撐結構,為了保證設備的安裝精度和支撐系統的穩定性,又要求有足夠的支撐結構剛度。利用復合材料良好的阻尼特性,在剛性基座的設備安裝連接處填充復合材料，復合機座結構如圖1所示。機座中復合材料部分的幾何尺寸為400 mm×80 mm×15 mm，E=454 MPa, μ=0.44，機座外形尺寸為1 100 mm×500 mm×70 mm，質量為278 kg。

圖1 復合機座結構

1.3 隔振試驗系統設計

在試驗中采用模擬船用設備的陸上系統來模擬復合機座的工作環境。模擬船用設備系統由兩臺電機、復合機座、中間質量、隔振器、基座組成，其結構如圖2所示。

圖2 試驗系統結構

兩臺電機與復合機座連接，復合機座通過隔振器與中間質量連接，中間質量最終與基座相連，組成一套雙層隔振系統。為研究設備機座對隔振系統隔振效果的影響，原動機選用Y系列(IP 44)電動機，機座號為225 M，極數為2，重量約為309 kg，轉速為3 000 r/min，功率為15 kW。中間質量重577 kg，機座質量為2 632.94 kg。在設計試驗系統時充分考慮到中間質量阻抗、基座阻抗與設備阻抗的關系，中間質量的原點速度阻抗對于設備的阻抗是比較小，基座隔振器安裝連接處原點速度阻抗對于設備的阻抗是比較小的。所以根據（1）、（2）式可知，針對此試驗系統插入損失LI與振級落差LD均能正確反映隔振效果。

考慮到為了試驗研究復合機座對設備隔振效果的影響，采用在試驗時通過更換與復合機座結構相同而不含有復合材料的剛性機座進行對比試驗，進而得到復合機座的插入損失。本論文對設備隔振系統隔振效果的評估指標統一選用插入損失。機械振動噪聲的分析頻率范圍為10 Hz～8 000 Hz,并且采用丹麥B&K公司生產的加速度傳感器與LMS公司的采集器和軟件進行數據采集與分析。

2 復合機座隔振效果的試驗分析

為了分析復合機座的隔振效果，將復合機座與基座直接剛性連接，其結構如圖3。在試驗時通過更換與復合機座結構相同的剛性機座進行對比試驗，進而得到復合機座的插入損失，從而研究其自身的隔振效果。

圖3 復合機座的隔振效果試驗系統

由圖4可知，在低頻段復合機座對振動激勵頻率50 Hz處起到約3 dB的放大作用，并且從160 Hz起對電機振動起到衰減作用。

圖4 復合機座與剛性機座的低頻振動加速度

由圖5可知，雖然在部分高頻段復合機座對電機振動沒有起到衰減作用，但是在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz，復合機座對電機振動仍起到衰減作用。從圖4和圖5對比可得出,復合機座在中高頻段加速度響應比剛性機座要小得多,所以復合機座能夠有效地抑制中高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。

圖5 復合機座與剛性機座的中高頻振動加速度

由圖4與圖5可知，復合機座的低頻隔振效果為3.85 dB，中高頻隔振效果為6.81 dB，全頻段為6.93 dB，所以復合機座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果。由于考慮到設備安裝強度問題，復合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率沒有處于大于固有頻率的倍的區域，所以使得軸頻處的加速度放大約3 dB。

3 復合機座對隔振系統隔振效果影響分析

由于在船舶設備振動隔離中通常采用單層隔振系統與雙層隔振系統[7]，所以本文主要研究復合機座對單層隔振系統與雙層隔振系統隔振效果的影響。

3.1 復合機座對單層隔振系統隔振效果影響的試驗分析

為了試驗分析復合機座對單層隔振系統隔振效果的影響，將復合機座與基座通過隔振器連接，其結構如圖6。在試驗時，通過更換與復合機座結構相同而不含有復合材料的剛性機座進行對比試驗，進而得到復合機座對單層隔振系統隔振效果的影響。

圖6 復合機座對單層隔振隔振效果影響試驗系統

由圖7可知，安裝了復合機座的單層隔振系統與剛性機座情況下的單層隔振系統相比，在低頻段復合機座對振動激勵頻率50 Hz處起到約7 dB的放大作用，但是在100 Hz處對電機的二倍頻激勵起到了大約9 dB的衰減作用，并且在100 Hz處開始對電機的低頻振動起到衰減作用。

圖7 復合機座與剛性機座的低頻振動加速度

由圖8可知，安裝了復合機座的單層隔振系統與剛性機座的單層隔振系統相比在整個中高頻段315 Hz～8 000 Hz對振動均有明顯的抑制作用。在500 Hz與2 500 Hz處復合機座的隔振效果最小，分別約為2.67 dB與2.09 dB，而在其余頻段隔振效果均在5 dB以上，并且大部分頻段的隔振效果在13 dB以上。

從圖7和圖8對比可得出,安裝了復合機座單層隔振系統的低頻隔振效果為13.41 dB，中高頻隔振效果為31.47 dB，全頻段為34.89 dB，而安裝剛性機座單層隔振系統的低頻隔振效果為10.17dB，中高頻隔振效果為19.79 dB，全頻段為22.27 dB。所以可以看出復合機座相對于剛性機座在本套單層隔振試驗系統中能夠有效地抑制中高頻共振峰，提升11.68 dB的中高頻隔振效果。由于復合材料的剛度偏大，使得50 Hz的激勵頻率處于隔振系統的二次共振峰區域，所以使得軸頻處的加速度放大約7 dB，但是由于在電機的二倍頻處對振動起到衰減作用，所以低頻段相比于剛性機架仍提高了3.24 dB的隔振效果，并且在全頻段提高了12.62 dB的隔振效果。

圖8 復合機座與剛性機座的中高頻振動加速度

3.2 復合機座對雙層隔振系統隔振效果影響的試驗分析

為了試驗分析復合機座對雙層隔振系統隔振效果的影響，選用結構如圖1所示的雙層隔振系統。在試驗時通過更換剛性機座進行對比試驗,進而得到復合機座對雙層隔振系統隔振效果的影響。

圖9 復合機座對雙層隔振系統隔振效果的影響

由圖9可知，安裝了復合機座的雙層隔振系統與剛性機座的雙層隔振系統在全頻段10 Hz～8 000 Hz的隔振效果幾乎是一致的，并且從試驗分析得到安裝了復合機座的雙層隔振系統的隔振效果為48.7 dB，而剛性機座情況下的雙層隔振系統的隔振效果為48.1 dB，從而得出對于本套雙層隔振試驗系統，這種復合機座并不能顯著提高全頻段的隔振效果。

4 結語

本文針對一種復合機座，設計了一個隔振效果試驗系統，通過試驗分析，主要研究了一種復合設備機座對試驗系統的隔振效果的影響，并對結果進行分析，得出如下結論：

(1)復合機座本身能夠有效抑制高頻共振峰,取得較好的高頻隔振效果；

(2)將復合機座應用于單層隔振試驗系統中能夠在高頻段進一步增加隔振效果，從而在不增加整個單層隔振試驗系統質量的情況下，增加其隔振效果；

(3)將復合機座應用于雙層隔振試驗系統中，并不能增加其隔振效果。

綜上，設計合理的復合機座能夠有效地抑制高頻共振峰，取得較好的高頻隔振效果，并且在單層隔振系統中也能夠在高頻段進一步增加隔振效果。但是，對于在雙層隔振系統中應用復合機座可能會沒有效果，如何正確的選擇和優化復合機座,則需要進行更多細致的研究工作。

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Research of the Impact of a Composite Foundation on the Effect of Equipment’s Vibration Isolation

LI Hai-tao,HE Hua,DING Wei,WANG Qiang

(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

Abastract∶The test scheme of a composite equipment foundation for vibration isolation is worked out and the relationship between the vibration level difference and the insertion loss in the test scheme is discussed through theoretical analysis.Through the test analysis,the vibration isolation effect of the non-metallic equipment foundation is studied and its impact on the vibration isolation effect of the test system with the composite equipment foundation is analyzed.The results show that the composite equipment foundation has good vibration isolation effect in high-frequency,but has different vibration isolation effects for different isolation systems.

∶vibration and wave;composite equipment foundation;single-layer isolation system;double-layer isolation system;vibration isolation effect

O422.6< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.045

1006-1355(2014)06-0202-04

2014-07-21

李海濤（1989-），男，遼寧省朝陽市人，碩士生，主要研究方向：機械設備振動噪聲沖擊控制研究。

E-mail∶leewaver@163.com