高彈性聯軸器結構振動傳遞特性試驗研究

溫華兵，仲啟東

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212003)

隨著在船舶動力裝置中廣泛應用高速大功率柴油機，動力裝置的振動與噪聲已經成為突出問題.在動力裝置中使用高彈性聯軸器，除了傳遞功率和扭矩，同時還具有角度補償作用，調節傳動系統的固有頻率，從而改善動力傳動系統的扭振特性，達到減振降噪的目的.文獻［1］中通過研究彈性聯軸器對某車輛動力傳動系統扭振特性的影響規律，分析了聯軸器剛度和阻尼對系統固有頻率、固有振型、強迫振動響應的影響;文獻［2］中從結構分析、動力學計算和動力特性實驗3個方面研究了彈性聯軸器的動力學特點;文獻［3］中分析比較了不同高頻段激振力作用下彈性橡膠聯軸器的減振特性，提出了基于應力波理論的彈性聯軸器高頻減振特性計算方法;文獻［4］中通過建立有限元模型，進行彈性聯軸器的靜態強度分析、模態分析，得到彈性聯軸器在額定轉矩下的應力位移結果和固有頻率.對于振動傳遞中的減振問題，國內外學者［5－9］也開展了若干結構及軸系振動傳遞特性的理論與試驗研究.

文中開發了艦船動力裝置中低振動傳遞特性的高彈性聯軸器樣機及其試驗系統，通過測試6種不同試驗工況下的軸向、徑向以及扭轉方向的振級落差和固有頻率，對比不同試驗工況下的隔振效果，研究了高彈性聯軸器主要結構參數變化對振動傳遞特性的影響.

1 振動傳遞特性試驗方案

1.1 試驗對象

文中的高彈性聯軸器樣機通過橡膠件、膜片層數的變換組合，可以組成6種不同結構的試驗樣機.表1為6種不同結構樣機的具體參數.通過測試這6種不同結構樣機的振動傳遞特性，研究橡膠件與膜片等結構參數變化對高彈性聯軸器振動傳遞特性的影響規律.圖1，2為試驗樣機結構示意圖，在無橡膠件時，用剛性結構代替橡膠件.試驗樣機中彈性膜片材料為50CrV4彈簧鋼，單片厚度為2 mm;橡膠件材料用邵氏硬度為50的天然橡膠，橡膠件為雙排分布，每排由2個扇形塊組成.

表1 高彈聯軸器樣機詳細參數Table 1 Parameter combinations of the rubber and diaphragm

圖1 多層膜片和雙排橡膠件結構試驗樣機Fig.1 High-elastic coupling with rubber and diaphragm

圖2 多層膜片結構試驗樣機Fig.2 High-elastic coupling with diaphragm only

1.2 振動傳遞特性試驗系統

本試驗激勵系統由B＆K多通道分析儀產生快速正弦掃描激勵信號，經過B＆K3627型激振系統從不同方向分別激勵高彈聯軸器的輸入端質量塊，使高彈聯軸器系統產生不同方向的振動.測試系統由B＆K8230型力傳感器檢測激振器輸入高彈聯軸器的力幅值;用B＆K4508－B型加速度傳感器測試高彈聯軸器輸入端和輸出端的振動幅值，由此得到高彈聯軸器結構的振動傳遞特性.

1.3 軸向與徑向振動傳遞特性測試方法及原理

由于軸向與徑向振動傳遞測試方法相同，故只說明軸向測試方法，徑向不再贅述.如圖3，4所示，在高彈聯軸器樣機的輸入端和輸出端分別連接一段軸，分別稱為激勵軸段和輸出軸段，將激勵軸段和輸出軸段質心處分別用空氣彈簧進行彈性支撐，空氣彈簧支撐系統的垂向固有頻率為3Hz.用激振系統在規定的頻率和振幅下對軸段施加激勵，分別測量激勵軸段和輸出軸段的軸向振動加速度幅值.試驗時加速度傳感器安裝在軸向，采用多點測量取平均值減少測試誤差.在輸入端安裝3個加速度傳感器，得到輸入端的軸向振動加速度幅值，分別為a1，a2，a3;在輸出端安裝3個加速度傳感器，得到輸出端的軸向振動加速度幅值，分別為a4，a5，a6，從而計算得出輸入端和輸出端的軸向振動平均加速度幅值分別為ain和aout，由此可得到高彈聯軸器樣機的軸向振級落差La，即高彈聯軸器軸向的結構振動傳遞特性.

圖3 軸向振動傳遞特性測試原理Fig.3 Schematic diagram of measuring axial vibration transmission

圖4 軸向振動傳遞特性測試現場Fig.4 Test site of axial vibration transmission

1.4 扭轉方向振動傳遞特性測試方法及原理

如圖5，6所示，在高彈聯軸器的輸入端和輸出端分別連接一段軸，分別稱為激勵軸段和輸出軸段，將激勵軸段和輸出軸段質心處分別用彈性支撐.在激勵軸段和輸出軸段上分別固定一個卡套，用激振系統在規定的頻率和振幅下對軸段上的卡套端點處施加激勵，使軸系產生相對于軸線的扭矩，從而產生扭轉振動.

分別測量激勵軸段和輸出軸段上卡套不同位置的振動加速度幅值，試驗時加速度傳感器安裝在卡套上(垂直向下)，采用多點測量取平均值，從而減少測試誤差，提高測試精度.在輸入端卡套上安裝2個加速度傳感器，即得到輸入端的振動加速度幅值分別為a1，a3，其中a1和a3的振動加速度幅值反映了輸入端的扭轉振動大小，平均加速度幅值為ain.在輸出端卡套上安裝2個加速度傳感器，即得到輸出端的徑向振動加速度幅值分別為a4，a6，其中a4和a6的振動加速度幅值反映了輸出端的扭轉振動大小，平均加速度幅值為aout.由于在卡套上a1和a3到軸心的力臂與a4和a6到軸心的力臂相等，即高彈聯軸器樣機輸入端和輸出端的振動角加速度幅值的比值等于振動加速度幅值的比值，由此可得到高彈聯軸器樣機扭轉方向的振級落差La，即高彈聯軸器扭轉方向的結構振動傳遞特性.

圖5 扭轉方向振動傳遞特性測試原理Fig.5 Schematic diagram of measuring torsional vibration transmission

圖6 扭轉方向振動傳遞特性測試現場Fig.6 Test site of torsional vibration transmission

2 頻響函數試驗結果

文中的頻響函數是加速度響應測點4#與激振器輸入端力信號的比值，通過頻響函數進而得到高彈性聯軸器結構振動的固有特性.高彈聯軸器的隔振性能主要與其剛度和阻尼有關，高彈聯軸器的剛度能夠改變系統的固有頻率，通過調整剛度可以實現將共振頻率避開系統的激勵頻率，而阻尼可以改善系統的振動振幅，比如通過增大系統的阻尼抑制共振振幅;試驗中通過調整膜片數量改變系統剛度，而安裝的橡膠件可以同時改變系統的剛度和阻尼特性.

從表2中可以看出，膜片數量的變化對于系統整體剛度影響較小，因此高彈聯軸器3個方向上各階固有頻率變化不大，變化范圍基本在5 Hz以內，而安裝橡膠件對高彈聯軸器的固有頻率影響相對較大.在用剛性結構代替橡膠件時，首先，軸向和徑向的第1階固有頻率變化不大，第2階及更高階次固有頻率反而下降，這是由于高彈性聯軸器的剛度發生變化，同時其參振質量也在改變;其次，扭轉方向的固有頻率在第2階及更高階次時發生變化，固有頻率顯著增加.頻響測試結果表明，同時安裝橡膠件和膜片不僅能降低系統各階固有頻率，而且使系統各階固有頻率更加集中，這有利于系統在運行中更好地避開共振區域.

表2 高彈樣機結構振動的固有特性Table 2 Natural frequencies of the high-elastic coupling

3 不同試驗工況振級落差對比分析

圖7為高彈性聯軸器軸向不同工況下振級落差對比.在低頻時隔振效果總體上隨著頻率的增加而下降，隔振效果在30 Hz左右出現微小下降，這是由高彈性聯軸試驗系統的固有頻率引起的;在40～100Hz范圍內，頻率越高，軸向隔振效果越明顯，振級落差的衰減速率大約為每倍頻程30 dB;在100～400Hz范圍內，軸向隔振效果趨于平穩，達到50～60 dB;在400Hz以上頻率，高彈聯軸器安裝橡膠件時的軸向隔振效果比不安裝橡膠件時要好20～30 dB.從整體來看，膜片數量的變化對隔振效果的影響相對較小，大約4～6 dB，安裝橡膠件對隔振效果的影響相對較大，尤其是在高頻段隔振效果明顯.

圖7 軸向不同工況下振級落差對比Fig.7 Comparison of vibration level differences along axial direction

圖8為高彈性聯軸器徑向不同工況下振級落差對比.在10～25Hz范圍內，頻率越高，徑向隔振效果越明顯，振級落差的衰減速率大約為每倍頻程20 dB;在25～200 Hz范圍內，徑向隔振效果在15～30 dB范圍內波動;在200 Hz以上頻率時，不安裝橡膠件的徑向隔振效果開始下降，安裝橡膠件比不安裝橡膠件時徑向的隔振效果要好20～30 dB.膜片數量的變化對隔振效果的影響相對較小，大約3～5 dB，而安裝橡膠件對隔振效果的影響相對較大，尤其在高頻段能顯著提高徑向的振動隔離效果.

圖8 徑向不同工況下振級落差對比Fig.8 Comparison of vibration level differences along radial direction

圖9為高彈性聯軸器扭轉方向不同工況下振級落差對比.在10～25 Hz范圍內時，除了在20 Hz頻率下安裝橡膠件時振動有放大之外，不同工況下扭轉方向的振級落差基本接近，幾乎沒有隔振效果;在25Hz以上頻率時，不安裝橡膠件時扭轉方向的隔振效果在－10～10dB范圍內波動，安裝橡膠件時扭轉方向振級落差的衰減速率大約為每倍頻程15～20 dB(個別頻段除外)，頻率在500Hz以上時的振級落差穩定在－55dB左右.膜片數量的變化對高彈性聯軸器扭轉方向的振動隔離效果影響很小，而安裝橡膠件則對隔振效果的影響很大，能夠顯著提高25 Hz以上頻率的扭轉方向隔振效果.

圖9 扭轉方向不同工況下振級落差對比Fig.9 Comparison of vibration level differences along torsional direction

4 結論

1)通過不同工況試驗數據對比可以發現，不論在軸向、徑向還是扭轉方向，膜片數量的變化(4、6、8)對高彈性聯軸器的振動隔離效果影響較小.同時在中高頻段，純膜片結構的隔振效果總體在10 dB以內，隔振效果并不理想.

2)安裝橡膠件對高彈性聯軸器3個方向的振動傳遞特性影響均較大，安裝橡膠件能夠顯著提高50 Hz以上頻率時的振動隔離效果.400 Hz以上頻率時，其隔振效果穩定在50dB左右.

3)在0～30Hz的較低頻時，由于系統固有共振特性的影響，高彈性聯軸器的振動傳遞特性稍微變差，其變差的準確頻率段取決于高彈性聯軸器的剛度及兩端配置的軸端附加質量大小，即取決于系統固有頻率的大小.因此在船舶軸系配套選型以及高彈性聯軸器詳細參數設計時，應根據軸系的質量分布情況和主要擾動力頻率特性確定合理剛度參數，避開系統的共振頻率.

關于高彈性聯軸器兩端軸段附加質量大小、軸系中軸承座的固定支撐邊界條件、軸系運行過程中的動態載荷、軸系負載的非線性等因素對高彈性聯軸器振動傳遞特性的影響，還有待于進一步分析和研究.

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