汪 濤

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)本身存在著引發(fā)振動的激振力源，故其振動是不可避免的。內(nèi)燃機(jī)的振動不僅使機(jī)器自身的可靠性和壽命下降，而且噪聲污染也很嚴(yán)重。隨著科技的進(jìn)步、生活的改善，人們對舒適環(huán)境的要求逐年在提高，這就對建造低噪聲、小振動船舶的呼聲越來越大。為了降低船舶艙室內(nèi)的空氣輻射噪聲，對機(jī)艙內(nèi)主要振動源采用彈性安裝的方法進(jìn)行振動隔離是最為有效的措施。

眾所周知，推進(jìn)系統(tǒng)的振源主要來源于兩處，一處是柴油機(jī)自身的振動，還有一處來自于螺旋槳的激振。很多試驗表明，柴油機(jī)和軸系之間振動的相互作用會導(dǎo)致柴油機(jī)的振動增加5～8 dB。只有減少螺旋槳推力對柴油機(jī)的激振，以及減少柴油機(jī)的振動通過軸系傳遞到船體，才能起到一定的效果。本文介紹一種新型隔振系統(tǒng)，這種系統(tǒng)就能弱化振動并且有效地隔離兩者，較傳統(tǒng)的隔振系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。

1 柴油機(jī)主推進(jìn)系統(tǒng)裝置

早期推進(jìn)系統(tǒng)和新型推進(jìn)系統(tǒng)的軸系均由柴油機(jī)、齒輪箱、推力補償聯(lián)軸器、艉軸和螺旋槳等主要部件組成。兩者不同之處在于早期推進(jìn)系統(tǒng)齒輪箱輸出軸和艉軸之間采用S-63-6-S推力聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器可以承受較大的軸向推力和拉力，同時可以補償角度位移及徑向位移;而新型推進(jìn)系統(tǒng)中齒輪箱輸出軸和艉軸之間采用Propflex-T 90 N-63-6推力補償聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器可以承受較大的軸向推力和拉力，同時可以補償角度位移及徑向位移，集成自帶固定安裝板和推力軸承。傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)和新型推進(jìn)系統(tǒng)示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

圖2 新型推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

比較圖1和圖2，發(fā)現(xiàn)2個推進(jìn)系統(tǒng)中的主機(jī)和齒輪箱的參數(shù)十分近似，同時柴油機(jī)和齒輪箱都采用同樣的整體隔振和4點安裝，因此可以認(rèn)為2個推進(jìn)系統(tǒng)的振源非常相近，對于后面對比隔振系統(tǒng)有一定的意義。本文主要對比圖1和圖2中的件1和件4的各參數(shù)。

2 推力聯(lián)軸器參數(shù)的對比

2種推力聯(lián)軸器參數(shù)的對比見表1。

表1 2種聯(lián)軸器各參數(shù)對比表

從表1發(fā)現(xiàn)，S-63-6-S聯(lián)軸器的額定扭矩雖比Propflex-T 90 N-63-6聯(lián)軸器的額定扭矩高出約20%，但是其軸向剛度卻是后者的11.8倍，很明顯后者的橡膠比前者的要硬很多。一般情況，橡膠越軟其阻尼就越大，所能吸收的能量就越多。但是在受到同等力的情況下，后者的變形量比前者大很多，從而形成很大的軸向變形，使得軸系產(chǎn)生大幅度的軸向竄動。為避免這一情況的發(fā)生，必須對聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和安裝進(jìn)行改進(jìn)。

S-63-6-S結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。S-63-6-S聯(lián)軸器直接連接于軸系和齒輪箱輸出軸之間，其尺寸偏小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)螺旋槳的推力沿軸系傳遞過來時，會對中部區(qū)域的橡膠件產(chǎn)生壓縮力，通過橡膠的變形傳遞軸向力到齒輪箱上，再傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。另外，由軸系旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向變形由于此處沒有約束并且整個聯(lián)軸器跟隨軸系一起旋轉(zhuǎn)，在實際工況中會無形加大齒輪箱軸承和軸系軸承的徑向力。雖說此聯(lián)軸器中間區(qū)域的橡膠件起到了一定作用，減少了振動的振幅，但是并沒有真正地將主機(jī)的振源和螺旋槳的振源有效隔離，也就無法避免共振的發(fā)生。

圖3 S-63-6-S結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

Propflex-T 90 N-63-6結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖中Propflex-T 90 N-63-6聯(lián)軸器因其內(nèi)部集成了推力軸承，尺寸相比S-63-6-S聯(lián)軸器的要大。推力軸承外部設(shè)有安裝板，直接安裝于船體上。這種結(jié)構(gòu)形式的主要好處在于螺旋槳的推力沿軸系傳遞過來，不直接作用于齒輪箱上，而是傳遞到船體結(jié)構(gòu)上，有效地將軸向力在此處與主機(jī)組分開。另外，由軸系旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向變形在推力軸承處則有了有效的約束。這種形式將主機(jī)的振源和螺旋槳的振源有效隔離，避免了共振的可能。

圖4 Propflex-T 90 N-63-6結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

對比上述2種系統(tǒng)軸向力的傳遞過程，還發(fā)現(xiàn)有Propflex-T 90 N-63-6聯(lián)軸器的系統(tǒng)中的齒輪箱不承受推力，齒輪箱只是傳遞扭矩。在設(shè)計過程中只需要考慮齒輪箱的傳遞能力是否滿足，可以忽略其承受的額定推力，這樣可選擇鋁制外殼的輕型齒輪箱。重量的減輕對于有排水量要求的船舶來說尤為重要，這也是2個系統(tǒng)中齒輪箱型號不同的原因。

3 隔振墊參數(shù)的對比

2種隔振系統(tǒng)中件4隔振墊的各參數(shù)見表2。

表2 隔振墊各參數(shù)對比表

通過表2對比之后發(fā)現(xiàn)，T12 45型隔振墊橫向剛度為0.6，也就是說此隔振墊不能承受沿軸線方向持續(xù)傳遞來的力。圖2中，由于軸向力在Propflex-T 90 N-63-6聯(lián)軸器處直接傳遞給船體，而整個機(jī)組不再承受軸向力，因此T12 45型隔振墊用在此處是非常合適的。傳統(tǒng)的隔振系統(tǒng)由于機(jī)組仍舊需要承受軸向力，使得在隔振墊的選取上必須選擇有軸向剛度的隔振墊，因此只能選用橡膠硬度很大的隔振墊。對比2個隔振墊在垂向剛度上的參數(shù)，明顯T12 45型隔振墊的硬度更小，其阻尼更大，所能吸收的能量就更多，隔振的效果也明顯優(yōu)于Propfiex-T 90 N-63-6型隔振墊。

在D7A T柴油機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 范圍內(nèi)，分別測試了750、1 000、1 200、1 500、1 900 、2 500 r/min這6個轉(zhuǎn)速下的振動，其測試圖如圖5所示。從圖5中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速越高，柴油機(jī)的振動越大;轉(zhuǎn)速增加1倍，柴油機(jī)的振動增加5～8 dB左右。對于WVIS-ME60-0隔振器，在不同轉(zhuǎn)速下隔振效果的理論平均值為14.92 dB，而T12 45型隔振墊在不同轉(zhuǎn)速下隔振效果的理論平均值為65 dB，是前者的4.5倍。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下D7A T柴油機(jī)的振動

4 實船噪音測試的對比

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)使用同樣的方法對2種隔振系統(tǒng)進(jìn)行測試，并使用同樣的噪音儀測量。由于距離對噪音的影響比較強(qiáng)，所以只取靠近振源附近的機(jī)艙內(nèi)的噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。機(jī)艙噪音對比表見表3。

表3 機(jī)艙噪音對比表

從表3發(fā)現(xiàn)，新型隔振系統(tǒng)在不同的轉(zhuǎn)速下機(jī)艙內(nèi)的噪音明顯小于早期隔振系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文通過理論分析、布置形式、外形結(jié)構(gòu)以及實船測試證明，新型隔振系統(tǒng)比早期隔振系統(tǒng)的隔振效果明顯。新型隔振系統(tǒng)能明顯減少螺旋槳推力對柴油機(jī)的激振，以及柴油機(jī)的振動通過軸系傳遞到船體的優(yōu)勢，有效充分隔離了柴油機(jī)自身的振動和螺旋槳的激振。同時，也為設(shè)計過程中擴(kuò)大了設(shè)備可選范圍。

［1］ 嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動隔離技術(shù)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1985.

［2］ 陳之炎.船舶推進(jìn)軸系振動［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1987.