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国外舰船隔振器研究进展

作者:比利时赌场 来源:本站原创 日期:2020-08-01 18:22 点击: 

  第202086卷年第6 3期 月 文章编号 : 1672 - 7649 ( 2006) 03 - 0109 - 04 舰 船 科 学 技 术 SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY Vol. 28, No. 3 Jun. , 2006 国外舰船隔振器研究进展 束立红 1 ,胡宗成 2 ,吕志强 1 (1. 海军工程大学 振动与噪声研究所 ,湖北 武汉 430033; 2. 海军驻 431厂军代表室 ,河北 葫芦岛 125004) 摘 要 : 20世纪 90年代以来 ,国外在舰船隔振器方面开展了很多研究工作 ,包括橡胶隔振器 、全金属隔振 器 、聚胺酯隔振器 、气囊式隔振器及其他采用不同控制技术的隔振器等 。本文用实例从不同方面介绍了它们的特点 及应用 。 关键词 : 隔振器 ;舰船 ;进展 中图分类号 : TB535文献标识码 : A O versea s research progress on v ibra tion isola tor SHU L i2hong1 , HU Zong2cheng2 , LΒ Zhi2qiang1 (1. V ibration and Noise Institute, Naval University of Engineering, W uhan 430033, China) (2. The Naval Rep resentative Department Resident in No. 431 Plant, Huludao 125004, China) Abstract: M any research works have been done since twenty century ninety abroad. It concludes rubber mount, mental mount, polyurethane mount, air sp ring mount and some controllable technique mount. This paper introduced their characteristics and app lication by some examp les from vary point of view. Key words: mount; warship; p rogress 0引 言 振动 、冲击和噪声都是舰船上有害的因素 ,从艇 员的工作和生活环境来说 ,它影响舱室的安静性和仪 器 、仪表的工作环境 。从战术技术性能上来说 ,它影 响了舰船抗御外来兵器工业能力和潜艇的隐蔽性 。 尤其对于潜艇而言 ,它与水面舰船不同 ,不能依赖装 甲 ,除了依靠隐蔽外没有其他防护 。因此 ,许多国家 都在消除和隔离这些有害因素上采取了很多措施 。 隔振器是控制和治理这些有害因素公认的最重要措 施 。随着科学技术的发展 ,隔振器已发展成为一项包 括振动 、控制及材料等多学科综合性的研究成果 。 1 国外舰船隔振器研究进展 20世纪 90年代以来 ,国外主要海军大国根据现 代海战的需要从多方面对舰船隔振器进行了研究和 改进 。大致有以下几个方面 : (1) 研制低频大变形隔振器 ,提高隔振器吸收冲 击能力 文献 [ 1 ]介绍了低频大变形隔振器在舰船抗冲 击方面的重要作用 。自 20世纪 80年代以来 ,西欧诸 国海军已多次修改冲击标准 ,如德国在 1985年提出 的新的 关 于 冲 击 安 全 性 的 BV043 /85 舰 船 建 造 规 范中 ,将 最 大 冲 击 速 度 从 原 来 的 3. 1 m / s 提 高 到 5. 17 m / s,要求隔振器最大允许位移由原先的 40 ~ 50 mm 提高到 65 mm。图 1为荷兰 Loggers公司为海 军研制的一种用于舰船辅机的球形橡胶隔振器 [ 2 ] 。 它在最小的外形尺寸下 ,实现了最大的三向大变形 , 最大允许变形量为 - 70 ~ + 85 mm ,固有频率为 5 ~ 9 Hz。这表明它有很好的低频隔振 、隔声能力和大的 收稿日期 : 2005 - 07 - 01 ·110· 舰 船 科 学 技 术 第 28卷 5为一种用聚胺酯材料制成的隔振器 [ 6 ] ,每个承载为 454~1 362 kg。聚胺酯材料突出的优点是寿命长 ,蠕 变性能好 。美国海军在 20世纪 90年代开始研究 ,并 将聚胺酯隔振器用于舰船上 。它的使用寿命长达 30 年 ,蠕变仅 1 % [ 3 ] 。 图 1球形橡胶隔振器 冲击吸收能力 。据称可满足海军最新的冲击振动标 准的要求 ,并已在德国一些新建舰船上应用 。 (2) 研制等频承载范围宽的隔振器系列 ,以减少 隔振器的系列和规格 如美国全球橡胶制品公司研制的高性能增强聚胺 酯隔振器 ,是一种等频承载范围宽的隔振器 ,其目标是 替代现在美国海军所使用的隔振器 [3 ] 。它可在 1个宽 的载荷范围内实现等频 ,比目前在用隔振器的隔离性 能高得多。由于载荷范围宽 ,据称 1个隔振器可替代 原先 5种规格的隔振器 ,大大减少了舰船上隔振器及 备件的品种和数量 。它与一般隔振器相比所具备的优 点是 : ①隔振器的应力分布更合理 ; ②同样重量下尺 寸小 ; ③制造简单 ,成本低 ,大量制造时估计可减少制 造费用约 75 % ; ④显著地增大了有效承载范围 ; ⑤具 有较高的驻波频率 ,改善了高频隔振性能。 (3) 开发新的隔振器材料 图 2为用来将人造卫星固定于运载火箭的一种 合金制造的条状隔振器 [ 4 ] 。图 3 为这种隔振器的安 装使用实况 。它的主要特点是大幅度减小垂向冲击 , 提供好的隔振 、隔冲和隔离结构声的性能 ,适合于恶 劣的工作环境 ,具有较好的阻尼隔振效果 ,并已取得 专利权 。图 4为一种用于美军舰的用热塑合金制造 的隔振器 。据称具有最佳的振动阻尼和冲击特性 ,已 经通过 M IL 2S2901D 规定的冲击试验和 M IL 2S2167规 定的振动试验 [ 5 ] 。由于合金隔振器的尺寸可以用机 加工来控制 ,因此 ,它的振动和冲击特性可以被精确 预知 。还能保证设备在舱内安装定位始终不变 。图 图 3卫星通过合金隔振器安装在运载火箭上 图 4舰船用合金制造隔振器 图 2卫星用合金制造的隔振器 图 5重型聚胺酯隔振器 第 3期 束立红 ,等 :国外舰船隔振器研究进展 ·111· (4) 采用电流变或磁流变技术控制阻尼 ,使隔振 系统 (器 )始终处于最佳工作状态 近年来 ,国内外在这方面做了大量研究 [ 7 ] 。这 种隔振器系统的阻尼器使用的不是一般的液压油 ,而 是一种新研制的“磁流变液 ”或“电流变液 ”。这种液 体是一种新型的智能性材料 ,可根据磁场或电流的变 化而改变自身的粘度 ,从而对隔振器的阻尼和刚度进 行调节以适应不同的航行状况 。如美国智能自动控 制公司最新研制的一种用于舰载飞机发动机的隔振 器 ,能确保飞机飞行期间有效地减少传递振动 ;而当 飞机拦截着陆时发动机不发生大的位移 ,以免损坏发 动机 。为达到这一目标 ,使用可变的磁流变阻尼器 , 与原有的弹性隔振器并联 ,飞行期间振动振幅减小了 78 % ,高冲击着陆时位移减小 21 %。通过一套控制 方法改变磁流体阻尼的性能 ,为稳态飞行 ,拦截着冲 击 ,着陆后冲击提供最佳参数 。飞行期间设定了很小 的阻尼 ,拦截着陆时阻尼器担当机械刹车作用 ,使发 动机位移最小 。在着陆后第一个冲击周期 (约 2 s) 之后 ,阻尼因子减小到一个特定值 。据说 ,这一隔振 技术也可用于民用飞机发动机 、直升飞机机舱 、汽车 发动机和悬挂结构 、钻井平台 、起重机和重型推土机 的隔振 。 (5) 研制可调谐吸振器 美国自然科学公司正在利用新颖紧凑的可控刚 度弹性元件和自动控制系统 ,开发一种具有跟踪和可 调谐振动吸收系统 。它可对一个在几秒钟里改变一 次的振动扰动频率进行跟踪 。它的目的主要是用于 鱼雷 。它有一套控制系统监视吸收器质量和主结构 振动 比 。应 用 滑 模 控 制 理 论 ( Sliding mode control theory) ,自动调谐吸收器状态 ,并自动补偿温度和任 何潜在的弹性体老化因素 。试验证明 ,它可使吸收器 质量和所附加的主结构加速比大于 30。一个包括刚 度控制在内的 3. 63 kg的吸收器 ,可使鱼雷壳体的纵 向振动减小 20 dB。 (6) 研究采用自适应被动式振动吸收器 文献 [ 8 ]介绍了在自适应振动吸收器方面的研 究 。美国 SatCon技术公司正在研究一种用于减少鱼 雷低频 (1 000 Hz以下 )声辐射的方案 。振动吸收器 通过调节 1对串联线圈中的直流电流来调节 ,以跟踪 谐波扰动或安装吸振器部结构的模态频率 。由于采 用的是消极方法 ,由直流产生的电磁随扰动频率或被 跟踪结构固有频率的改变而逐渐改变 ,所以更省电 。 试验结果表明 , 1对已调谐好的振动吸收器可使鱼雷 4个低于 1 000 Hz的纵向振型产生的声级减小 12~ 33 dB。这种电磁式自适应被动式振动吸收器也可为 民用和海军水下舰船降低模态振动提供一种可靠的 方法 。 (7) 截止激励抗冲器应用研究 用来对设备实施三向冲击过载保护 ,以确保设备 在正常状态下与基座无相对位移 ,一旦受到超过规定 限值的冲击时 ,加速度响应极小 ,绝对位移极小 。主 要用于特殊的高精度定位设备 ,如导航设备 、武备控 制和电子对抗设备 。荷兰 Loggers公司用这一技术制 造了一项世界专利产品 ———A loshock 系列截止激励 抗冲器 [ 2 ] ,如图 6所示 。它的特点是外形尺寸小 ,复 位精度高 ,在所有方向上可以将冲击从 250 g降至 2 g 以下 ,而复位偏差不大于 0. 015 mm。 图 6A loshock系列截止激励抗冲器 (8) 推广应用气囊式隔振器 由于这种隔振器具有极大的位移量和很低的固 有频率 ,其工作参数可通过控制气囊内压来调节 ,因 此 ,对振动和冲击的隔离效果很好 [ 9 ] 。图 7为俄罗斯 某潜艇辅机筏架上所采用的气囊隔振器 。图 8 为美 国 Northrop Grumman公司的一项发明专利 ,它是气囊 与一个磁流变阻尼器并联的组合 。应用磁流变技术 使阻尼器所提供的反用力是与上下表面的相对位移 相关的 ,故在船上安装后能保持上下板基本平行 。能 在 10~200 Hz频率范围内有效地隔离振动 ,对任何 激励频率 ,它的传递率都小于 1。对诸如水下爆炸 、 海浪拍击 、碰撞等各种各样的冲击都有极好的缓冲隔 离作用 。它还能减小由基座传向被隔离设备的声能 , 图 7俄罗斯气囊隔振器 ·112· 舰 船 科 学 技 术 第 28卷 图 8美国气囊隔振器 确保设备的工作精度 。据称已经过相关军用标准的 振动和冲击考核 。它的主要用途是潜艇 、水面舰船和 飞机上的电子设备和其他高灵敏度的设备 。 (9) 采用混合式主动振动隔离系统 混合式隔离系统由被动隔振器 、激励器 、传感器 和一个控制器组成 [ 10, 11 ] 。图 9为荷兰 TNO TPD 公司 为船用柴油机和减速器设计的混合式主动振动隔离 系统的示意图 。其中 ,消极隔振器的作用与在传统系 统中一样 ,用来减少振动传递 。传感器用来测量船体 结构上的剩余振动 。控制器用来根据传感器信号计 算出发送到激励器的信号 ,产生一个反相振动以抵销 剩余振动 。这是一个隔离性能突出的振动隔离系统 , 特别是提高了对于低频噪声隔离作用 。隔离系统是 由普通隔振器和可控的全自动激励器组成 。据称 ,澳 大利亚皇家海军正在研究将这种混合式主动隔振技 术应用到 1 艘“科林斯 ”级潜艇的发动机上 ,以消除 或减小潜艇水下辐射噪声中的特征成分 ,进一步提高 潜艇的安静性 。 (10) 准零刚度隔振技术的应用研究 实现这一技术通常有 2种方法 :一种是利用具有 负刚度的弹性元件 (机构 )与传统的具有正刚度的弹 性元件 组 合 起 来 , 构 成 一 种 刚 度 近 乎 于 零 的 隔 振 器 [ 12, 13 ] ;另一种是直接利用具有刚度接近于零的弹性 元件 。这里的准零刚度是指隔振系统在一个极小的力 作用下 ,便发生很大的变形 ;而负刚度则是指隔振系统 发生变形时 ,不仅不需要外加作用力 ,而且一旦发生变 形则呈加速和不稳定状态 ,但当它与常规隔振器组成 准零刚度系统时便具有特殊意义。这时 ,隔振系统不 仅具有较高的支撑刚度 ,解决了稳定性问题 ,同时又具 有极低的运动刚度 ,实现超低频隔振 [14 ] 。美国航空和 航天局 Langley研究中心于 20世纪末在为航天飞行器 研制隔振器时采用了这一技术 。它使隔振器的最低频 率达到 10 Hz以下 ,且在 1~300 Hz内无谐振频率。而 在有效载荷作用下的变形量也很小 。它的突出优点是 当航天器发射时和处于零重力加速度状态时安装在其 上的设备都很平稳 ,且对振动与冲击有十分理想的隔 离能力 。 参考文献 : [ 1 ] 高立冬 ,喻浩. 减振降噪技术的应用设计 [ J ]. 中国造 船 , 2002, 43 (2). [ 2 ] B rochure. [ EB /OL ]. http: / /郑坚 ,熊超 ,等. 磁流变液研究进展及其在军事领域应用 综述 [ J ]. 军械工程学院学报 , 2004, 16 (1). [ 8 ] CRONJE J M , HEYNS P S, THERON N T, LOVEDAY P W. Development of a variable stiffness sp ring for adap tive vibration isolators[ R ]. San D iego: Conference on Damp2 ing and Isolation, 2004. [ 9 ] 朱石坚 ,黄映云 ,等. 长方体形囊式空气弹簧刚度特性 [ J ]. 中国造船 , 2002, 43 (2). [ 10 ] CHO I B , KIM S H , HONG S R. V ibration Isolation of Beam Structure U sing Hybrid mount A ssociated w ith Rub2 ber and Piezoactuator [ C ]. San D iego: Smart Structures and Integrated System s, 2003. [ 11 ] HONG Sung2ryong, CHO I Seung2bok. V ibration Control of a Structural System using M agneto2Rheological Fluid Mount[ J ]. Jauranl of Intelligent M aterial System s and Structures, 2005, 16 (11 - 12) : 931 - 936. [ 12 ] ZHANG J Z, L I D , CHEN M J. An U ltra2Low Frequency Parallel Connection Nonlinear isolator for Precision Instru2 ments[ J ]. Advances in Abrasive Technology, 2004, (6). [ 13 ] 张建卓 ,董申 ,等. 基于正负刚度并联的新型隔振系统 研究 [ J ]. 纳米技术与精密工程 , 2004, 2 (4). [ 14 ] 彭献 ,黎大志 ,等. 准零刚度隔振器及弹性特性设计 [ J ]. 振动 、测试与诊断 , 1997, 17 (4). 图 9船用柴油机和减速器的混合式主动振动 隔离系统示意图 作者简介 : 束立红 ( 1974 - ) ,女 ,硕士 ,讲师 ,从事舰船减振 降噪方面研究 。

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