高弹性联轴器结构振动传递特性试验研究

温华兵，仲启东

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

随着在船舶动力装置中广泛应用高速大功率柴油机，动力装置的振动与噪声已经成为突出问题.在动力装置中使用高弹性联轴器，除了传递功率和扭矩，同时还具有角度补偿作用，调节传动系统的固有频率，从而改善动力传动系统的扭振特性，达到减振降噪的目的.文献［1］中通过研究弹性联轴器对某车辆动力传动系统扭振特性的影响规律，分析了联轴器刚度和阻尼对系统固有频率、固有振型、强迫振动响应的影响;文献［2］中从结构分析、动力学计算和动力特性实验3个方面研究了弹性联轴器的动力学特点;文献［3］中分析比较了不同高频段激振力作用下弹性橡胶联轴器的减振特性，提出了基于应力波理论的弹性联轴器高频减振特性计算方法;文献［4］中通过建立有限元模型，进行弹性联轴器的静态强度分析、模态分析，得到弹性联轴器在额定转矩下的应力位移结果和固有频率.对于振动传递中的减振问题，国内外学者［5－9］也开展了若干结构及轴系振动传递特性的理论与试验研究.

文中开发了舰船动力装置中低振动传递特性的高弹性联轴器样机及其试验系统，通过测试6种不同试验工况下的轴向、径向以及扭转方向的振级落差和固有频率，对比不同试验工况下的隔振效果，研究了高弹性联轴器主要结构参数变化对振动传递特性的影响.

1 振动传递特性试验方案

1.1 试验对象

文中的高弹性联轴器样机通过橡胶件、膜片层数的变换组合，可以组成6种不同结构的试验样机.表1为6种不同结构样机的具体参数.通过测试这6种不同结构样机的振动传递特性，研究橡胶件与膜片等结构参数变化对高弹性联轴器振动传递特性的影响规律.图1，2为试验样机结构示意图，在无橡胶件时，用刚性结构代替橡胶件.试验样机中弹性膜片材料为50CrV4弹簧钢，单片厚度为2 mm;橡胶件材料用邵氏硬度为50的天然橡胶，橡胶件为双排分布，每排由2个扇形块组成.

表1 高弹联轴器样机详细参数Table 1 Parameter combinations of the rubber and diaphragm

图1 多层膜片和双排橡胶件结构试验样机Fig.1 High-elastic coupling with rubber and diaphragm

图2 多层膜片结构试验样机Fig.2 High-elastic coupling with diaphragm only

1.2 振动传递特性试验系统

本试验激励系统由B＆K多通道分析仪产生快速正弦扫描激励信号，经过B＆K3627型激振系统从不同方向分别激励高弹联轴器的输入端质量块，使高弹联轴器系统产生不同方向的振动.测试系统由B＆K8230型力传感器检测激振器输入高弹联轴器的力幅值;用B＆K4508－B型加速度传感器测试高弹联轴器输入端和输出端的振动幅值，由此得到高弹联轴器结构的振动传递特性.

1.3 轴向与径向振动传递特性测试方法及原理

由于轴向与径向振动传递测试方法相同，故只说明轴向测试方法，径向不再赘述.如图3，4所示，在高弹联轴器样机的输入端和输出端分别连接一段轴，分别称为激励轴段和输出轴段，将激励轴段和输出轴段质心处分别用空气弹簧进行弹性支撑，空气弹簧支撑系统的垂向固有频率为3Hz.用激振系统在规定的频率和振幅下对轴段施加激励，分别测量激励轴段和输出轴段的轴向振动加速度幅值.试验时加速度传感器安装在轴向，采用多点测量取平均值减少测试误差.在输入端安装3个加速度传感器，得到输入端的轴向振动加速度幅值，分别为a1，a2，a3;在输出端安装3个加速度传感器，得到输出端的轴向振动加速度幅值，分别为a4，a5，a6，从而计算得出输入端和输出端的轴向振动平均加速度幅值分别为ain和aout，由此可得到高弹联轴器样机的轴向振级落差La，即高弹联轴器轴向的结构振动传递特性.

图3 轴向振动传递特性测试原理Fig.3 Schematic diagram of measuring axial vibration transmission

图4 轴向振动传递特性测试现场Fig.4 Test site of axial vibration transmission

1.4 扭转方向振动传递特性测试方法及原理

如图5，6所示，在高弹联轴器的输入端和输出端分别连接一段轴，分别称为激励轴段和输出轴段，将激励轴段和输出轴段质心处分别用弹性支撑.在激励轴段和输出轴段上分别固定一个卡套，用激振系统在规定的频率和振幅下对轴段上的卡套端点处施加激励，使轴系产生相对于轴线的扭矩，从而产生扭转振动.

分别测量激励轴段和输出轴段上卡套不同位置的振动加速度幅值，试验时加速度传感器安装在卡套上(垂直向下)，采用多点测量取平均值，从而减少测试误差，提高测试精度.在输入端卡套上安装2个加速度传感器，即得到输入端的振动加速度幅值分别为a1，a3，其中a1和a3的振动加速度幅值反映了输入端的扭转振动大小，平均加速度幅值为ain.在输出端卡套上安装2个加速度传感器，即得到输出端的径向振动加速度幅值分别为a4，a6，其中a4和a6的振动加速度幅值反映了输出端的扭转振动大小，平均加速度幅值为aout.由于在卡套上a1和a3到轴心的力臂与a4和a6到轴心的力臂相等，即高弹联轴器样机输入端和输出端的振动角加速度幅值的比值等于振动加速度幅值的比值，由此可得到高弹联轴器样机扭转方向的振级落差La，即高弹联轴器扭转方向的结构振动传递特性.

图5 扭转方向振动传递特性测试原理Fig.5 Schematic diagram of measuring torsional vibration transmission

图6 扭转方向振动传递特性测试现场Fig.6 Test site of torsional vibration transmission

2 频响函数试验结果

文中的频响函数是加速度响应测点4#与激振器输入端力信号的比值，通过频响函数进而得到高弹性联轴器结构振动的固有特性.高弹联轴器的隔振性能主要与其刚度和阻尼有关，高弹联轴器的刚度能够改变系统的固有频率，通过调整刚度可以实现将共振频率避开系统的激励频率，而阻尼可以改善系统的振动振幅，比如通过增大系统的阻尼抑制共振振幅;试验中通过调整膜片数量改变系统刚度，而安装的橡胶件可以同时改变系统的刚度和阻尼特性.

从表2中可以看出，膜片数量的变化对于系统整体刚度影响较小，因此高弹联轴器3个方向上各阶固有频率变化不大，变化范围基本在5 Hz以内，而安装橡胶件对高弹联轴器的固有频率影响相对较大.在用刚性结构代替橡胶件时，首先，轴向和径向的第1阶固有频率变化不大，第2阶及更高阶次固有频率反而下降，这是由于高弹性联轴器的刚度发生变化，同时其参振质量也在改变;其次，扭转方向的固有频率在第2阶及更高阶次时发生变化，固有频率显著增加.频响测试结果表明，同时安装橡胶件和膜片不仅能降低系统各阶固有频率，而且使系统各阶固有频率更加集中，这有利于系统在运行中更好地避开共振区域.

表2 高弹样机结构振动的固有特性Table 2 Natural frequencies of the high-elastic coupling

3 不同试验工况振级落差对比分析

图7为高弹性联轴器轴向不同工况下振级落差对比.在低频时隔振效果总体上随着频率的增加而下降，隔振效果在30 Hz左右出现微小下降，这是由高弹性联轴试验系统的固有频率引起的;在40～100Hz范围内，频率越高，轴向隔振效果越明显，振级落差的衰减速率大约为每倍频程30 dB;在100～400Hz范围内，轴向隔振效果趋于平稳，达到50～60 dB;在400Hz以上频率，高弹联轴器安装橡胶件时的轴向隔振效果比不安装橡胶件时要好20～30 dB.从整体来看，膜片数量的变化对隔振效果的影响相对较小，大约4～6 dB，安装橡胶件对隔振效果的影响相对较大，尤其是在高频段隔振效果明显.

图7 轴向不同工况下振级落差对比Fig.7 Comparison of vibration level differences along axial direction

图8为高弹性联轴器径向不同工况下振级落差对比.在10～25Hz范围内，频率越高，径向隔振效果越明显，振级落差的衰减速率大约为每倍频程20 dB;在25～200 Hz范围内，径向隔振效果在15～30 dB范围内波动;在200 Hz以上频率时，不安装橡胶件的径向隔振效果开始下降，安装橡胶件比不安装橡胶件时径向的隔振效果要好20～30 dB.膜片数量的变化对隔振效果的影响相对较小，大约3～5 dB，而安装橡胶件对隔振效果的影响相对较大，尤其在高频段能显著提高径向的振动隔离效果.

图8 径向不同工况下振级落差对比Fig.8 Comparison of vibration level differences along radial direction

图9为高弹性联轴器扭转方向不同工况下振级落差对比.在10～25 Hz范围内时，除了在20 Hz频率下安装橡胶件时振动有放大之外，不同工况下扭转方向的振级落差基本接近，几乎没有隔振效果;在25Hz以上频率时，不安装橡胶件时扭转方向的隔振效果在－10～10dB范围内波动，安装橡胶件时扭转方向振级落差的衰减速率大约为每倍频程15～20 dB(个别频段除外)，频率在500Hz以上时的振级落差稳定在－55dB左右.膜片数量的变化对高弹性联轴器扭转方向的振动隔离效果影响很小，而安装橡胶件则对隔振效果的影响很大，能够显著提高25 Hz以上频率的扭转方向隔振效果.

图9 扭转方向不同工况下振级落差对比Fig.9 Comparison of vibration level differences along torsional direction

4 结论

1)通过不同工况试验数据对比可以发现，不论在轴向、径向还是扭转方向，膜片数量的变化(4、6、8)对高弹性联轴器的振动隔离效果影响较小.同时在中高频段，纯膜片结构的隔振效果总体在10 dB以内，隔振效果并不理想.

2)安装橡胶件对高弹性联轴器3个方向的振动传递特性影响均较大，安装橡胶件能够显著提高50 Hz以上频率时的振动隔离效果.400 Hz以上频率时，其隔振效果稳定在50dB左右.

3)在0～30Hz的较低频时，由于系统固有共振特性的影响，高弹性联轴器的振动传递特性稍微变差，其变差的准确频率段取决于高弹性联轴器的刚度及两端配置的轴端附加质量大小，即取决于系统固有频率的大小.因此在船舶轴系配套选型以及高弹性联轴器详细参数设计时，应根据轴系的质量分布情况和主要扰动力频率特性确定合理刚度参数，避开系统的共振频率.

关于高弹性联轴器两端轴段附加质量大小、轴系中轴承座的固定支撑边界条件、轴系运行过程中的动态载荷、轴系负载的非线性等因素对高弹性联轴器振动传递特性的影响，还有待于进一步分析和研究.

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