船舶机械磁悬浮气囊混合隔振技术

【摘 要】主被动混合隔振由被动隔振器承载设备重量并隔离宽频振动，同时利用作动器进行主动控制从而衰减线谱振动，可同时获得良好的宽频隔振效果和线谱控制效果。气囊隔振器具有固有频率低、承载能力大、驻波频率高、无蠕变等特点，是一种性能优异的隔振器。磁悬浮作动器具有无接触、输出力大、等效刚度低的优点，非常适用于主动控制。基于此本文主要对船舶机械磁悬浮气囊混合隔振技术进行分析探讨。

【关键词】船舶机械；磁悬浮气囊；混合隔振技术

前言

隔振是抑制船舶振动的主要方法与手段。主被动混合隔振技术既能够实现宽频的隔振，也能够消除旋转机械的线谱振动，对提高舰船的隐身性能具有重大意义，并已经取得了許多突破性的进展。本文提出了一种磁悬浮-气囊主被动混合隔振装置，利用磁悬浮作动器具有无接触、负刚度的特点，将其集成到气囊隔振器内，由气囊隔振器承载设备重量并隔离宽频振动，同时对作动器进行主动控制从而衰减线谱振动。该装置具有尺寸小、承载力大、宽频隔振效果好的优点，线谱振动控制功耗小的优点。适用于舰船机械设备隔振，对于提高舰船水声隐蔽性具有重要意义。

1、磁悬浮主被动混合隔振装置原理

本文采用的是永磁偏置型磁悬浮作动器，如图1所示。作动器铁芯端面上安装有永磁体，形成偏置磁场，产生偏置吸引力。当给线圈输入控制电流产生的磁场与偏置磁场方向相同时，吸引力增大；与偏置磁场方向相反时，吸引力减小。因此给线圈输入交变电流，就可获得交变磁悬浮力。从磁悬浮作动器的结构可知其为无接触式作动器，不会造成振动短路传递，可以与被动隔振器并联安装在设备和基座之间，形成磁悬浮主被动混合隔振装置。由被动隔振器承载设备重量并隔离宽频振动；作动器对被动隔振后残余的振动进行主动控制，输出控制力，抵消传递到基座上的低频线谱振动，所需的力较小；作动器无需提供静态支撑力，比起其他类型作动器常用的串联隔振模式，具有更小的功耗和更高的可靠性。

2、主被动混合隔振器研制及性能测试

2.1主被动混合隔振器研制

本文提出了将作动器集成到气囊隔振器内部，形成并联式主被动混合隔振器的方案。该主被动混合隔振器包含以下主要部件：1个气囊隔振器（由囊体、上下盖板），1个磁悬浮作动器（由铁芯、线圈、永磁体、导磁橡胶、气隙、衔铁构成），在磁悬浮作动器内安装有2个温度传感器，在气囊盖板上设有气孔和线孔，线孔出口处安装有军用气密封电连接器。该主被动混合隔振器将作动器集成在气囊隔振器内部，结构紧凑、易适应舰艇设备的安装空间。

作动器供电及温度传感器线缆通过军用气密封插座引出。该气密封插座单个引脚可承载电流13A，耐气压>2MPa，而主被动混合隔振器的工作压力约0.3-1.1MPa，因此军用气密封插座可安全、便捷、耐高压、保持气密性地将电磁信号输入输出。

在电磁兼容性方面，主被动混合隔振器的上、下盖板采用1Cr18Ni9Ti不锈钢（也可采用阳极处理后的航空铝，需进行阳极处理），盖板材料的磁导率非常低，作动器磁场不会从盖板泄漏。本文中的磁悬浮作动器磁路闭合性较好，磁场主要集中在铁芯、衔铁和气隙所构成的回路中，漏磁对周围设备的电磁干扰非常微弱。

2.2主被动混合隔振器性能测试

对主被动混合隔振器的承载性能、静刚度、动刚度、固有频率进行了测试，试验机为MTSlandmark370.50试验系统。

（1）承载性能

将主被动混合隔振器以额定高度固定在试验机夹具上，缓慢给气囊充气至气压预设值，气囊高度若由于夹具间隙或变形等原因发生变化，此时应微调气囊的高度至额定高度，待压力和载荷稳定后记录相应的压力和载荷值，可知主被动混合隔振器充气0.316-1.113Mpa的气压，对应载荷为4.17-14.23kN，即承载能力为426-1452kg。

（2）静刚度

试验前将主被动混合隔振器以额定高度固定在试验机上，缓慢地给气囊充气，直到气囊垂向载荷达到额定值停止充气。试验采用位移方式控制，加载速率为0.1mm/s，位移峰峰值分别为1.0～4.0mm，每个峰峰值循环3次，数据采集速率为4.0Hz，记录试验载荷和位移。

静刚度测试主要是为了校验主被动混合隔振器的稳定性。研究表明磁悬浮作动器具有负刚度特性，因此设计主被动混合隔振器时，需要匹配气囊隔振器的正刚度及磁悬浮作动器的负刚度，使主被动混合隔振器无失稳现象。从图5的载荷-位移实验数据的斜率可以看出，主被动混合隔振器总刚度始终为正，这验证了本文设计的主被动混合隔振器的稳定性。

垂向静刚度试验结束后，还迚行了垂向动刚度试验。试验采用位移方式控制，正弦波加载，每峰峰值对应的频率分别为3.0～5.0Hz，步长为0.5Hz，数据采集速率为每3个循环采集1024个点，记录试验载荷和位移，根据位移和力的峰值计算垂向动刚度。主被动混合隔振器的动刚度和固有频率测试结果如表1所示，固有频率约3.59-3.84Hz而气囊隔振器（无磁悬浮作动器）的测试结果如表2，固有频率约3.76-4.0Hz。可知，主被动混合隔振器的固有频率会因磁悬浮作动器的负刚度而迚一步降低，具有非常优良的低频隔振性能。

3、主被动混合隔振的实验研究

建立了柴油机主被动混合隔振装置，机组重约3.6吨，由6个气囊-磁悬浮主被动混合隔振器支撑，安装在基座上。在转速1200r/min时，柴油机主被动混合隔振装置的机脚和基座的振动加速度功率谱振级落差约25.2dB（20-8kHz），宽频隔振效果优良。柴油机的上层台架安装了加速度计拾取参考信号，在基座6个混合隔振器附近安装了加速度计拾取误差信号。控制器使用TMS320c6713B-300芯片作为核心数字信号处理器，高速AD和DA均为16bit精度。振动控制系统的目标是使传递到基座的振动得到衰减，系统采样率为1000Hz。根据次级通道特性，以5Hz为带宽划分窄带频段，各频段取中心频率处的频响函数来构造次级通道FIR滤波器，控制滤波器长度为15阶。控制系统从误差信号中自动检测总能量最大的4根谱线，然后迚行控制。

转速850r/min、1000r/min、1200r/min、1500r/min这几个工况下，主动控制前后的基座功率谱（各误差测点平均）。主动控制系统的线谱控制效果良好，每个工况下柴油发电机组产生的4根能量最大的振动线谱均能同时有效控制；同时，控制后没有明显的非线性频率成分产生，并且几乎未引起宽频振动增大。

4、结语

本文提出了磁悬浮-气囊主被动混合隔振装置，研制了主被动混合隔振器，并迚行了承载性能、静刚度、动刚度和固有频率测试。测试结果表明，该主被动混合隔振器承载性能好；在整个气隙范围内刚度为正，稳定性好；混合隔振器的固有频率会因磁悬浮作动器的负刚度而迚一步降低，其值约3.59-3.84Hz，具有非常优良的低频隔振性能。

参考文献：

[1]何琳，徐伟.舰船隔振装置技术及其进展[J].声学学报，2013，38（2）：128-136

[2]何琳，李彦，杨军.磁悬浮—气囊主被动混合隔振装置理论和实验[J].声学学报，2013，38（2）：241-249.

[3]路纯红，白鸿柏，杨建春.超低频非线性隔振系统研究[J].噪声与振动控制，2010（4）：10-12.

（作者单位：启东中远海运海洋工程有限公司）

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