非线性隔振系统混沌特性实验研究

　　引　言

　　混沌振动是在非线性系统中,当参数满足一定条件时,输入确定性的激励后,输出类似随机的宽频响应的一种振动,是机械振动研究的前沿课题之一[1]。其中直接面向工程实际的混沌振动问题引起各国学者的普遍关注,并且已取得了许多瞩目的成果。混沌振动理论已应用于洗衣机、洗碗机、空调机、压路机[2]等机电产品的开发研制中,并取得了较好的效果。姜荣俊在博士学位论文[3]中深入研究了利用非线性隔振系统的混沌运动特性解决低频隔振问题和消除舰艇特征线谱问题,显示出混沌隔振有着十分广阔的应用前景。

　　本文设计了混沌特性实验装置,对以钢片弹簧为隔离元件的非线性隔振系统进行了实验研究,实验得出了非线性隔振系统的混沌特性区域以及其在混沌状态下的隔振效果和对线谱的隔离效果。

　　1　实验装置及实验过程

　　非线性隔振系统混沌特性实验装置如图1所示,该实验装置具有很好的通用性,可以适用于多种隔振器,如可以将图示的钢片弹簧隔振器改为钢丝绳隔振器,并且在上架上加载。为了简化,本文采用钢片弹簧作为隔振元件。

　　激振器安装在一个可以升降的基座上,当隔振器的变形在上架所施加的载荷作用下达到静平衡位置后,旋拧安装激振器的螺杆大螺母,将激振器上升至顶杆顶端刚好能接触到上架,从而保证激振器不受静载荷。支架4能左右移动,上架1上也有可供滑动的槽,从而满足通用性要求。

　　实验过程中采用LMS公司的Pimento数据采集系统进行数据采集和处理。在隔振器上下各布置一个加速度传感器,力传感器则安装在激振器顶杆和上架之间的连接处。利用Pimento系统对上下测点的频谱图以及激励力的幅值进行实时观察。通过改变激励力频率和幅值,得到钢片弹簧发生混沌运动的参数范围。

　　实验中采用的钢片弹簧厚度h=1.44mm,宽度b=6mm,长度l=40mm。上架重4.49kg。在进行第一次实验时,将夹具夹紧,如图2所示。这时所得到的实验结果不太理想,只出现了比较弱的分频现象。为了加大钢片弹簧的非线性采取了将钢片弹簧一端夹具上的螺栓适当放松,并且在安装槽中加入垫片,使钢片只能在夹具的安装槽中来回滑动,而不会上下敲击夹具,从而保证了获得比较理想的实验效果。

　　2　实验数据的分析处理

　　通过对实验数据的分析处理,可以得出如下几条规律:

　　(1)频率越高,有分频现象的激励力区间越小。如表1所示。

　　当激励频率大于17Hz后,只在某些很小的激励力范围存在分频现象,且很不稳定,可重复性差。改变钢片弹簧的几何尺寸,也不能改变这一状况。特别是当钢片弹簧的尺寸太小时,还没有进入混沌运动状态前钢片弹簧就被振断了。钢片弹簧的尺寸过大则很难进入混沌运动状态。图3为两组不同激励频率与激励力幅值时上测点的功率谱图。