机械设备轻量化中间质量双层隔振技术研究

邱元燃，徐 伟，胡泽超，付俊强

（1.海军工程大学振动与噪声研究所,武汉 430033；
2.船舶振动噪声重点实验室,武汉 430033）

双层隔振系统是一种有效降低中高频振动的隔振措施。当前大型机械设备多采用整体框架式中间质量的双层（或浮筏）隔振装置以降低振动传递。在一般工程应用中，中间质量通常约为设备质量的30%，甚至更大[1-4]。

在某些应用环境中，对机械设备隔振装置设计既提出了高隔振指标，又对其重量、结构尺寸提出了严格限制。若采用目前广泛应用的整体框架式（以下简称“框架式”）双层隔振装置结构（如浮筏隔振装置），则其隔振装置质量和安装空间过大，且整体框架式中间质量在中高频段带来较多弹性模态，使隔振效果变差，导致无法实现工程目标。

一些机械设备既对隔振效果提出了高指标，又对隔振装置的重量、空间设置了严格要求，以满足其适装性的需求。针对此类设备的隔振难题，本文提出将上、下隔振器通过与刚性质量块相连接的紧凑型结构形式的轻量化双层隔振单元（如图1 所示），并通过多个隔振单元按一定原则分布构成的多轻量化中间质量双层隔振系统（以下简称“轻量化双层隔振系统”）来支撑机械设备，达到高效隔振、减轻中间质量目的的轻量化隔振技术。

图1 轻量化双层隔振单元Fig.1 Lightweight two-stage mounting unit

轻量化隔振技术兼具重量轻、尺寸小、布置方式灵活和隔振性能好的特点，已在国外先进舰船的柴发机组上应用，如澳大利亚Collins 级潜艇及美国某公司的海洋测量船Bigelow 号，据公开资料披露[5]，该隔振方式能达到较好的隔振效果，如表1所示。但国内尚未见应用，因此亟须开展相关技术研究。

表1 国外相关类似隔振方案对比Tab.1 Comparison of similar mounting schemes abroad

本文以轻量化双层隔振系统为研究对象，开展隔振机理研究，并设计相应的实际系统进行验证，主要研究内容为轻量化双层隔振系统设计参数与其隔振效果之间的关系，特别是中间质量的大小与结构形式对振动传递的影响，力求设计出满足隔振指标、稳定性等要求且中间质量尽可能小的隔振方案。鉴于当前国内外对框架式与轻量化双层隔振系统的性能对比研究较少，在本文中对两种隔振系统开展了相应的定性定量研究，可弥补在这一研究领域的不足。伴随着机械设备大型化、高能化、高速化的发展趋势，轻量化隔振技术运用前景广阔，通过本文的研究可指导工程设计。

1.1 轻量化双层隔振系统动力学模型

轻量化双层隔振系统简化模型如图2 所示。轻量化隔振单元的中间质量为方形质量块，具有刚性好、一阶固有频率高的特点，可将振源设备、中间质量简化为具有单自由度的集中质量块。将隔振器简化为具有刚度k和阻尼c的弹簧，F、V是振源设备产生的激励力和速度，F"、V"是传递至基础的力和速度，只研究隔振系统垂向的振动。使用四端参数法解析该隔振系统的动力学 特 性，为 了 简 化 计 算，令k1=k2，k3=k4，c1=c2，c3=c4，M1=M2。

图2 轻量化双层隔振系统简化解析模型Fig.2 Simplified analytical model of lightweight two-stage mounting system

利用四端参数法可得轻量化双层隔振系统输入端和输出端的关系，如式（1）所示[6-8]：

式中，B11、B12、B21、B22是振源设备、中间质量和隔振器构成的轻量化双层隔振系统的四端参数矩阵元素：

不安装隔振器的情况下，基础响应表达式为

式中，ZF是基础的机械阻抗。

联合式（1）～（2）可推导得该隔振系统的速度振级落差LD为

1.2 框架式双层隔振系统动力学模型

当中间质量刚性不足时，构件表现出“柔性”特征，是具有分布质量的弹性结构，振动能量以结构声波的形式在隔振系统中传播，将其简化为刚体不能较好模拟系统的传递特征[9]。如运用于某型舰船的大型浮筏，尺寸约为14 m×5 m×1 m，重量受总体限制不能过大，导致其一阶固有频率低至十几赫兹，与机械设备激励频率接近，极容易激起筏架的低频共振。为模拟中间质量的质量和弹性的分布特性，采用简支梁、固支梁结构模拟框架式中间质量。

框架式双层隔振系统简化理论解析模型如图3 所示，对于振源设备传递至上层隔振器的路径运用阻抗/导纳综合法得[10]：

图3 框架式双层隔振系统简化解析模型Fig.3 Simplified analytical model of frame structure two-stage mounting system

不同边界条件下，当激励点位于均匀梁中点时，梁的原点导纳矩阵表达式如下所示。

1.3 两种系统的对比分析

将框架式与轻量化双层隔振系统解析模型进行对比，选定梁合适的参数令整体框架式中间质量与轻量化中间质量保持相等，其余参数相同，分别计算隔振效果，结果如图4所示。

图4 隔振效果对比Fig.4 Vibration isolation efficiency(VIE)

计算得框架式、轻量化隔振系统宽频带（1～100 Hz）总振级如表2所示。

表2 总振级对比Tab.2 Comparison of total vibration level

结果表明：（1）采用梁模型模拟整体框架式中间质量后，框架式双层隔振系统比轻量化双层隔振系统出现了更多的共振与反共振峰；
（2）在同等质量下，不管是固支还是简支的边界条件，轻量化双层隔振系统隔振效果明显好于框架式双层隔振系统。轻量化中间质量块质量降为50 kg×2，轻量化双层隔振系统隔振效果仍优于框架式双层隔振系统。由以上理论分析可知：同等中间质量大小的轻量化双层隔振系统的隔振效果与框架式双层隔振系统相比，优势明显，采用较小的中间质量便可获得与大整体框架式中间质量的隔振系统相当的隔振效果，从而为轻量化双层隔振系统设计提供了定性理论依据。

1.4 轻量化双层隔振系统的设计参数影响分析

如何通过优化参数设计来提高系统的隔振效果，使隔振装置占用较小的重量与体积是轻量化双层隔振技术能否成功应用的关键问题。

本节探究了上、下隔振器刚度大小、刚度配置和中间质量大小对隔振效果的影响，结果如图5所示。

图5 设计参数对隔振系统的传递特性影响Fig.5 Influence of design parameters on the transmission characteristics of mounting system

根据上述对轻量化双层隔振系统振动传递特性和隔振性能的分析，可得到以下关于轻量化双层隔振系统的设计指导原则：（1）仅从隔振效果的角度考虑，双层隔振系统的上、下层隔振器的刚度应尽可能小。但双层隔振系统运用于实际工程中时应具有较好的稳定性，避免机械设备在运行过程中产生较大的位移进而影响机械设备的运行安全，因此在上、下隔振器的刚度选择上应兼顾稳定性，选择适中的隔振器刚度。其中一个折中方案是上、下层隔振器分别采用较硬和较软的隔振器。算例分析结果表明，折中方案仍可获得较好的隔振效果。进一步分析表明，采用“上硬下软”的隔振器配置方案的隔振效果略优于“上软下硬”的方案。（2）对于轻量化双层隔振系统，增加中间质量有利于提高系统的隔振效果，但不建议大幅增加中间质量，有限幅度增加中间质量通常不会大幅增加其刚性，因此难以较大幅度提高系统隔振效果。

2.1 轻量化双层隔振系统

为深入理解轻量化双层隔振系统的降噪机理，为隔振系统设计提供定量化设计参考，在有限元软件Abaqus中建立简化的轻量化双层隔振系统数值分析模型，如图6所示，定量研究隔振系统振动传递的特征，用具有三向刚度和阻尼的Cartesian线性弹簧模拟隔振器，分别对弹簧两端的连接部分施加六自由度耦合约束，其余部件采用实体建模。由于低频振动对振动总级的贡献量最大，因此将系统建模分析重点集中在低频方面。

图6 轻量化双层隔振系统数值分析模型Fig.6 Numerical analysis model of lightweight two-stage mounting system

对轻量化双层隔振系统数值分析模型进行谐响应分析，频率分析范围为1～100 Hz。通过在中间质量附加质量块，研究垂向单位力激励下不同中间质量大小对轻量化双层隔振系统隔振效果的影响，以力传递率为隔振效果评价指标。分别在中间质量块上附加40 kg、80 kg、120 kg、160 kg、200 kg 和240 kg质量块后系统的隔振效果如图7所示。

图7 中间质量大小对轻量化系统隔振效果的影响Fig.7 Effect of different intermediate mass on the VIE of lightweight mounting system

结果表明：（1）在10～100 Hz范围内，轻量化双层隔振系统可以实现超过30 dB 的隔振效果；
（2）在1～100 Hz的激励范围内，传递曲线未出现大量线谱，即多质量块的双层隔振方式并未给系统引入过多的短板通道；
（3）增加中间质量有利于提高系统隔振效果。然而当附加质量块增加至240 kg 时，与200 kg相比隔振效果并无明显改善，甚至在某些频段内的隔振效果与附加质量为200 kg 的系统相比处于劣势，此时中间质量大小约占上层设备总重的27.5%，增加中间质量对隔振效果的增益出现边界效益：即通过继续增加中间质量的方式来改善系统的隔振效果并不经济合理。

2.2 与框架式双层隔振系统的对比研究

建立框架式双层隔振系统数值分析模型，如图8所示，其框架式中间质量大小为320 kg，与上层设备质量比是20%。把数值计算得到的轻量化双层隔振系统各阶模态频率及振型与框架式双层隔振系统进行对比，结果如表3所示。

表3 框架式、轻量化双层隔振系统模态对比Tab.3 Modals comparison of two systems

图8 整体框架式双层隔振系统数值分析模型Fig.8 Numerical analysis model of integral two-stage mounting system

过于分散的固有频率分布并不利于系统隔振，因为容易引起系统的共振。由数值分析结果可知，轻量化双层隔振系统前6阶为系统的整体模态，主要振型为系统整体横摇、纵摇、平摇及垂荡。第7阶后为系统的局部模态，主要表现为中间质量模态。框架式双层隔振系统前8阶皆为系统的整体模态，且各频率较为分散。与框架式系统相比，轻量化系统存在较多固有频率集中的现象，如第1 阶与第2阶的固有频率约为4 Hz，第4阶与第5阶的固有频率约为7 Hz，第7～9阶的固有频率约为33 Hz，第11、12阶的固有频率约为51 Hz。因此，尽管轻量化系统固有频率增加，但是分布集中，固有频率集中分布的现象降低了系统规避机械设备激励频率的难度，使设计者容易通过合计的参数设计避开设备的运行激励频率。而且，当激励力的方向与振型不一致时，也不易引发共振，因此轻量化双层隔振系统具有很好的可靠性。

令整体框架式的中间质量与轻量化中间质量之和保持一致，隔振器参数保持相同，对比框架式双层隔振系统与轻量化双层隔振系统在相同垂向单位力激励下系统的隔振效果，结果如图9所示。

图9 框架式、轻量化双层隔振系统隔振效果对比Fig.9 VIE comparison of two types of mounting systems predicted by FEM

由图可知：（1）数值仿真预测趋势与理论解析结果保持一致，即当整体框架式与轻量化中间质量的质量相等时，轻量化双层隔振系统的隔振效果优于框架式双层隔振系统。（2）在线谱方面，由于板、梁结构拼接成的整体框架式中间质量的结构强度有限，系统在低频段内出现了比轻量化系统更多的共振峰，导致整体框架式系统隔振效果不理想，然而轻量化中间质量虽然增加了系统低频段固有频率的数量，但其共振峰少，可见采用该隔振形式未增加共振风险。数值分析的结果很好地验证了理论分析的结果，再次验证了轻量化双层隔振系统在隔振效果上的优越性。

3.1 试验台架的建立

为验证理论解析与数值仿真的分析结果，搭建了轻量化和框架式双层隔振系统试验台架，分别以激振器、电机为振源，测试轻量化、框架式隔振系统的低频、高频振动传递特性。

试验台架如图10所示，由上层激振器、电机的安装机架与模拟被隔振设备质量的质量块、中间质量块、上层聚氨酯橡胶隔振器、下层气囊隔振器及基础组成。隔振系统上层通过12个固有频率为8 Hz的聚氨酯橡胶隔振器与中间质量相连，中间质量通过4 个固有频率为4 Hz 的JYQN-1000 气囊隔振器连接，气囊在1.5 MPa 的额定压强下工作。轻量化隔振系统试验台架中间质量为刚性极好的铸铁块，可通过增减小质量块来改变中间质量的大小，调整范围为占上层激振器、机架与质量块总和的10%～30%，框架式双层隔振系统试验台架中间质量结构是仿照舰船筏架设计的框架式板梁结构。将试验台架的基础用螺栓与T 型槽进行固定，组成轻量化与框架式双层隔振系统试验台架，开展隔振效果试验。

测试方法及数据处理方法按照GJB 4058-2000《舰船设备噪声、振动测量方法》[14]执行。

试验台架上共布置14 个振动加速度传感器测点：电机（或激振器）斜对机脚布置2 个测点，垂直于电机（激振器）安装面板安装；
中间质量上表面（即聚氨酯隔振器下安装面）布置4 个测点，垂直于中间质量上表面安装；
气囊隔振器上安装面布置4个测点，基座上（即气囊隔振器下安装面）布置4个测点，垂直于气囊安装表面。系统隔振效果指的是机脚到基座的加速度平均振级落差。

3.2 低频振动传递特性试验

3.2.1 激振器扫频对比试验

通过增减质量块调整轻量化隔振系统中间质量大小，令其与框架式系统中间质量大小相等。对轻量化、框架式试验台架施加相同幅值的扫频激励力，扫频范围为1～100 Hz，本试验主要关注低频隔振效果，试验结果如图11所示，轻量化隔振系统在低频激励下获得超过40 dB的隔振效果。与轻量化系统相比，框架式系统在扫频激励下，系统更多的模态被激发，产生共振，导致系统在该频率下隔振效果变差，因此在同等质量条件下，轻量化系统的隔振效果优于整体框架式系统，试验结果验证了理论解析与数值仿真的准确性。

图11 框架式、轻量化试验台架测试隔振效果对比Fig.11 Tested vibration isolation effectiveness comparison of two types of mounting systems

3.2.2 中间质量对低频振动传递特性的影响

本试验主要探究不同激励频率下，不同中间质量大小对系统隔振效果的影响，激振器工况如表4所示，结果如图12 所示。结果表明：增加轻量化中间质量大小，可有效提高系统的隔振效果，但随着中间质量的不断增加，同等隔振效果的增益需要耗费的质量代价增大。

图12 不同中间质量下的系统隔振效果Fig.12 VIE of system with different intermediate mass

表4 激振器工况Tab.4 Working conditions of vibration generator

3.3 高频振动传递特性试验

3.3.1 电机同转速对比试验

电机高频振动能量集中，本试验主要关注高频隔振效果，在相同电机转速、相同中间质量下轻量化、框架式系统隔振效果测试结果如表5所示。结果表明，同等中间质量的轻量化双层隔振系统能取得比框架式双层隔振系统在低、高频段更好的隔振效果。

表5 轻量化、框架式双层隔振系统效果对比Tab.5 VIE comparison of two types of mounting systems

3.3.2 中间质量对高频振动传递特性的影响

不同电机转速工况、不同中间质量大小条件下，轻量化双层隔振系统试验台架隔振效果测试结果如表6所示。

表6 电机工况Tab.6 Working conditions of motor

测试结果表明：轻量化中间质量双层隔振系统在高频激励下也能获得超过40 dB 的隔振效果。对比电机工况1-7，研究不同质量对系统高频隔振效果的影响，结果表明：随着中间质量的增加，系统隔振效果逐渐缓慢递增，初期增加80 kg 中间质量取得了超过2 dB 的隔振效果，但之后再增加中间质量后隔振效果的增益十分有限，并且当中间质量增加至240 kg 时，系统全频段隔振效果出现了下降（见图13），变化趋势与数值仿真结果基本吻合，即不论在低频段或是高频段，增加中间质量能提高隔振效果，但随着中间质量的增加，隔振效果的增益出现“边界效益”。

图13 不同中间质量下的系统隔振效果Fig.13 VIE of system with different intermediate mass

基于轻量化双层隔振技术的理论与试验研究结果，针对某船用大功率汽轮发电机组采用轻量化双层隔振装置方案（如图14所示），该装置特点如下：

图14 汽发机组轻量化双层隔振装置Fig.14 Photograph of light-weight two-stage mounting equipment for steam turbine generator set

（1）重量轻、结构紧凑

采用了刚性质量块的中间质量结构设计方案，重量约18 t，仅为汽发机组重量的约15%，比常规双层隔振装置重量降低50%以上，具有较好的适装性。

（2）隔振性能好

对该装置进行的大量测试结果表明：轻量化双层隔振装置振动衰减效果达30 dB以上，汽发机组基座振动接近背景噪声水平。

（3）抗冲击性能优越

根据GJB 1060.1-91《舰船环境条件要求机械环境》，汽发机组的抗冲击等级为A 级[15]。据此对轻量化双层隔振装置的抗冲击性能进行有限元计算校核，结果表明，汽发机组主要管路相对位移、隔振器变形均满足指标要求。

本文采用理论解析、数值仿真与试验验证相结合的方法研究了轻量化双层隔振系统的特性，得出了以下结论：

（1）理论解析结果表明，同等质量的轻量化和框架式双层隔振系统相比，轻量化系统隔振效果更好，从而为轻量化双层隔振系统设计提供了定性理论依据。

（2）数值仿真结果表明，采用轻量化中间质量虽然增加了系统低频段固有频率的数量，但未增加共振风险；
中间质量对隔振效果具有“边际效益”，应综合考虑合理确定其大小。研究结果为轻量化双层隔振系统设计提供了定量化设计参考。

（3）试验结果表明，轻量化与框架式隔振系统相比，在低、高频段隔振效果均具有优越性且轻量化双层隔振系统的中间质量不超过设备质量的25%即可获得较好的隔振效果，试验结果验证了理论解析和数值仿真结果的准确性。

本文验证了轻量化双层隔振技术理论分析的工程有效性及实用价值，并可为大型汽发机组轻量化双层隔振技术方案设计提供指导，该技术已在舰船上得到成功应用。

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