核电堆电火花加工机浮筏隔振特性分析

温 瑞，肖国华

（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315012）

0 引言

核电堆水下电火花加工振动隔离技术的主要原理即为在主系统与振源之间连接弹性结构，凭借弹性结构减小振源对主系统的振动影响［1］。从结构上分类，隔振系统分为单层隔振系统、双层隔振系统以及浮筏隔振系统，单层隔振系统在大量的实践过程中发现，其在高频域的隔振性能并不理想；双层隔振系统弥补了单层隔振系统的部分缺失，具有良好的隔振性能，但体积一般过大，过于笨重；近二十年，浮筏隔振系统应运而生，浮筏隔振系统实为多机组多激励的双层隔振系统，可在达到双层隔振系统隔振效果的前提下同时具有质量小占用空间小的优点［2-4］。

浮筏隔振系统具有良好的隔振功能，浮筏隔振系统广泛应用于船舶动力装置的振动隔离及其他相关动力机械振动的控制中［5］。在我国，小型浮筏隔振系统目前研究和应用的范围比较广，而对于大型浮筏隔振系统的研究则相对比较少，还有待进一步地开展基础研究工作，本文根据大型浮筏隔振系统设备多、体积大等特点采用功率流的方式从能量的角度研究了其力与位移的关系，分析了结构参数变化对系统传递功率流的影响，在构件试验模型的基础上，对机组、筏架以及隔振器等组成部件的基本性能参数进行了分析，并总结出这些参数对功率流的影响，并给出了浮筏结构参数选择的基础准则。

1 浮筏隔振系统结构设计

设计由4 台具有相同参数的含电机循环水泵组成浮筏隔振装置，如图1 所示。4 台水泵机组均匀等间隔，成对称状态安装于隔振筏体上，单台水泵机组设置有4个隔振器以增强隔振，筏体弹性安装在基础上以构成减振浮筏，筏架分别通过隔振器和机组与地基相连，隔振系统由两部分构成，分别为上层的隔振器，下层的隔振筏体，上层隔振器总体高度设置为80 mm，下层隔振器总体高度设置为200 mm；隔振器安装基础面的阻尼为0.02，刚度系数经测试后，表明为2.3×1012N/m。

图1 含电机循环水泵浮筏隔振装置

浮筏隔振机构结构组成及组件重量、力学构件特性和规格尺寸如表1 所示，相应的刚度系数如表2所示。

表1 浮筏整体结构组件隔振系统参数

表2 上下层刚度因子及阻尼系数因子

2 功率流动力学建模

一种浮筏隔振系统的动力学模型如图2所示，浮筏隔振系统是由许多零部件连接而成，浮筏隔振系统的隔振性能受包括刚度阻尼、质量比等多种因素的影响，在本文中，突出主要参数对其性能的影响，其动力学特性主要受部件的质量与阻尼的影响，根据这一特性将浮筏隔振系统简化为基础、筏体和设备三大模块，以方便模型构建。

图2 浮筏隔振系统的动力学模型

对于实际周期振动结构的振动功率流，按时间平均的功率流基本定义式即为：

响应V（t）随简谐激振力F（t）同为简谐函数，分别记为，功率流表达为激振频率ω的函数，即：

其中V*、F*为共轭复函数，记M为结构在F作用点处的导纳，则有：

若F（t）的谱密度为GFF，相应的，GVV为响应速度谱密度即为，互谱密度为GFV，输入上式中则有：

假设每个设备为理想刚体，考虑每个刚体6个自由度上的运动，其中第i个设备的质心速度即表示为：

则有机械振源激励质心[ ]Qci：

其中第J（J=1，2，3，4）个隔振器上、下端的速度和作用力表示为：

由牛顿第三定律及胡可定律可得隔振器物理方程为：

得机组与筏体的动力传递方程分别为：

由刚体运动定律得：

列出耦合系统的动力学方程为：

图3 功率流在机组、筏架、台基面上的传递

图4 筏架重量与输出功率流的关系

图5 上隔振刚度与输出功率流的关系

图6 下隔振刚度与输出功率流的关系

设由振源输入第i台机器的时间平均功率流为：

通过上层第i台机器第j个隔振器输入筏架的时间平均功率流：

通过下层第l个隔振器输入基础的时间平均功率流：

3 计算机仿真

将前述数据及推导公式，运用Matlab软件进行仿真，得到隔振系统的功率输出特性如以下结果所示，同时，也获得了结构参数与功率输出流之间的关系，如图3—8所示。

如图3 所示，基础出现多次波峰波谷，而水泵机组的传递功率流图曲线最为平稳，隔振筏架处于中间状态，柔性基础频率超过一阶固有频率后出现多次波峰，而在刚性隔振理论中，当其超过一阶固有频率后则会呈对数下降，此为刚性隔振理论不适合高频隔振实践的原因之一。如图4 所示筏架质量对固有频率的影响不大，尤其是中高阶固有频率。如图5—6 所示，隔振器刚度的减小会增强隔振效果，且下层隔振器的变化影响明显强过上层的变化影响，不过在实际设计中应注意必要强度要求。如图7—8 所示，隔振器阻尼对传递功率流的影响不大，但是从整体上来看，隔振器阻尼的增大有利于消耗激振力，增强隔振性能。

图7 上隔振阻尼因素与输出功率流的关系

图8 下隔振阻尼因素与输出功率流的关系

4 结语

本文通过分析结构参数对功率传递流的影响，绘制了相应的功率流曲线，并对相应的功率流曲线进行分析，从中可以得到以下结论：（1）筏架双层隔振系统能够有效地控制高频振源的功率流传递，且适当的提高筏架的质量可以发挥更好的隔振效果，然而筏架双层隔振系统对低频振源的控制并不理想。（2）隔振器刚度的减小有利于提高浮筏双层隔振系统的隔振效果，且下层隔振器的参数改变影响效果大于上层隔振器参数改变的影响效果。（3）隔振器阻尼的改变可以影响中低阶共振峰的功率流传递，弹簧阻尼的增加可以整体提高筏体双层隔振系统的隔振效果。