張海燕，劉禮維

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

0 引言

一般情況下，橡膠隔振器就能滿足船用泵的隔振要求，但對于特殊環(huán)境要求下大型船用泵的隔振則存在著較大的困難。某型取水躉船需在同一甲板上安裝大型取水泵組，且泵房有人值守，為此用戶對振動、噪聲提出了較高要求.為滿足用戶防振降噪的要求。同時考慮到單個泵的重量達(dá)到15 t，如采用傳統(tǒng)的橡膠隔振器存在易老化、壽命短、減振和降噪效果弱等問題，無法滿足其要求。因此，本文提出該取水泵組的隔振采用鋼絲繩隔振器的方法。

1 選型設(shè)計

鋼絲繩隔振器是一種產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代的新型隔振器，由于具有適應(yīng)各種嚴(yán)酷的環(huán)境、壽命長等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。目前常見的鋼絲繩隔振器有螺旋形、拱形和環(huán)形等幾種，由不銹鋼鋼絲繩纏繞或彎曲制成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

鋼絲繩隔振器優(yōu)點是對設(shè)備具有三向保護(hù)作用，可在高溫和惡劣環(huán)境下可靠工作，具有較寬的承載范圍，無限的儲存期和使用壽命。在抗沖擊方面，它能在最小空間實現(xiàn)最大的沖擊衰減。實驗中，對1個繩徑為1.5 mm隔振器輸入25 g(g為重力加速度)進(jìn)行了高至10 kHz的掃頻振動試驗，隔振效果達(dá)95%，結(jié)果證明鋼絲繩隔振器可隔離小振幅、結(jié)構(gòu)噪聲。

鋼絲繩隔振器在我國被廣泛應(yīng)用于儀器、儀表等的振動隔離。一些原本采用橡膠隔振器的場合逐漸被鋼絲繩隔振器所替代，然而在船用泵組的隔振方面則應(yīng)用很少。

圖1 鋼絲繩隔振器示意圖

本文研究的某型取水船所采用的大型船用取水泵組，轉(zhuǎn)速為990 r/min，重量為15 t。目前國內(nèi)已成熟的鋼絲繩隔振器單個承載能力還不足2 t，因此用鋼絲繩隔振器來實現(xiàn)隔振在布置方面有一定的困難。經(jīng)與隔振器廠家共同比較分析，認(rèn)為比較理想的方案是選用已廣泛使用、性能可靠的 GGT09-022S1型鋼絲繩隔振器。取水泵組布置于主甲板上，可不用過多考慮位置空間，只需考慮其重量。整機(jī)采用14個隔振器，每側(cè)布置7個，對稱質(zhì)心安裝，每個隔振器與調(diào)整墊板相連，再通過復(fù)板與主甲板固定，其布置方案如圖2所示。

圖2 鋼絲繩隔振器布置圖

2 計算

為保證良好的隔振效果，需要對隔振系統(tǒng)的振動模態(tài)進(jìn)行計算。

2.1 條件設(shè)定

(1)泵組重量約15 t，轉(zhuǎn)速990 r/min，外激勵(干擾)頻率 fi=16.5 Hz，驅(qū)動電機(jī)50 Hz;外形尺寸:長3 964 mm，寬1 256 mm，高1 575 mm。

(2)由于船不離港，所以沖擊輸入按10 g/11 ms計算。

(3)泵組底部對稱質(zhì)心，垂向安裝隔振器。

(4)系統(tǒng)垂向的峰值響應(yīng)頻率為5～7 Hz。

2.2 系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率計算

選用14只GGT09-022S1型鋼絲繩隔振器。底部基礎(chǔ)垂向支撐，對稱質(zhì)心安裝。根據(jù)GT09-022S1型鋼絲繩隔振器的靜態(tài)性能曲線，基礎(chǔ)垂向安裝時隔振器的單個承載力為10 517 N，變形約為5 mm，計算出隔振器的靜剛度為1 155.75 N/mm。

系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率按式(1)計算:

式中:fn為系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率，Hz;K為系統(tǒng)靜剛度，K=1 155.75 N/mm;a為動剛度系數(shù)，a=1.5×103;m1為系統(tǒng)承載質(zhì)量，m1=1 071.43 kg。

計算結(jié)果顯示，系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率fn=6.4 Hz，符合設(shè)計原則。

2.3 系統(tǒng)能容

系統(tǒng)能容按式(2)計算:

式中:Ei為系統(tǒng)輸入總能量，J;a0為輸入加速度幅值，a0=98.1 m/s2;τ為輸入加速度持續(xù)時間，τ=0.011 s;m2為系統(tǒng)總質(zhì)量，m2=15 000㎏。

計算結(jié)果為3 543.1 J，則每只隔振器需要的能容為E=253 J，隔振器的能容為1 000 J，選型符合能容要求。

2.4 系統(tǒng)緩沖效率計算

沖擊輸入頻率按式(3)計算:

系統(tǒng)沖擊固有頻率:

系統(tǒng)沖擊頻比:

沖擊傳遞率曲線如圖3所示。從圖3得知:系統(tǒng)沖擊傳遞率TA=0.2。

2.5 系統(tǒng)隔振效率計算

系統(tǒng)振動傳遞率按式(4)進(jìn)行近似計算:

式中:ξ為阻尼比，ξ=0.15;λ為頻率比，λ=fi/fn=2.578。

經(jīng)計算，ηv=0.22。

圖3 沖擊傳遞率曲線

式(4)用圖形表示即為圖4所示的傳遞率曲線。從圖4可知:當(dāng)激勵頻率為■2fn時，系統(tǒng)振動傳遞率TA為1，系統(tǒng)沒有產(chǎn)生隔振效果;當(dāng)激勵頻率大于時，系統(tǒng)振動傳遞率TA小于1，系統(tǒng)開始產(chǎn)生減振效果，并且其隔振效率隨著激勵頻率增加而增加;當(dāng)激勵頻率為3fn時，系統(tǒng)振動傳遞率TA為0.2(隔振效率為80%)，則達(dá)到較為理想的隔振效果;如激勵頻率進(jìn)一步增加時，其隔振效率則趨于平緩。由式(4)及圖4可知，本船選用的隔振系統(tǒng)在船用泵正常工作時，其隔振效果能達(dá)到較為理想的狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

圖4 振動傳遞率曲線

3 試驗與分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，針對電機(jī)與泵轉(zhuǎn)速從零到達(dá)額定轉(zhuǎn)速及正常工作狀態(tài)時，分別對水泵底座和公共底座垂向、橫向、振動傳遞率進(jìn)行了振動數(shù)據(jù)采集。

3.1 試驗數(shù)據(jù)

垂向振動數(shù)據(jù)見表1(幅值譜Peak)(通道［1］為公共底座測點，通道［2］為水泵底座測點)。

橫向振動數(shù)據(jù)見表2(幅值譜Peak)(通道［1］為公共底座測點，通道［2］為水泵底座測點)。

表1 垂向振動數(shù)據(jù)

表2 橫向振動數(shù)據(jù)

傳遞率振動數(shù)據(jù)見表3(幅值譜Peak)(通道［1］為船體測點，通道［2］為公共底座測點)

表3 傳遞率振動數(shù)據(jù)

3.2 試驗結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)上看，設(shè)備從啟動開始到正常運轉(zhuǎn)時經(jīng)過共振點時，即頻率為8 Hz時，對垂向公共底座部分進(jìn)行共振數(shù)據(jù)分析:振動加速度為0.09 m/s2，根據(jù)公式a=d(2πf)2(其中，a為振動加速度、f為振點頻率、d為振幅)可以計算出公共底座垂向的振幅為0.03 mm。而由表3傳遞率振動數(shù)據(jù)可知，船體部分測得的振動加速度為0.27 m/s2，頻率為8 Hz，由公式計算可得振幅為0.1 mm。由此得出，放大前振幅為0.03 mm，放大后振幅為0.1 mm。

由上述計算數(shù)據(jù)可知:設(shè)備在經(jīng)過共振點時，振幅被放大了3.3倍，可見設(shè)備在經(jīng)過共振點時相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)都被放大了3～5倍。但從放大后的振幅來分析，不足以對設(shè)備正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，所以系統(tǒng)安全。

設(shè)備在正常工作時，即頻率為16.625 Hz時，垂向公共底座部分振動加速度較大，取振動加速度最大值進(jìn)行垂向數(shù)據(jù)分析:振動加速度3.4 m/s2，頻率16.625 Hz，根據(jù)公式a=d(2πf)2可以計算出公共底座垂向的振幅為0.32 mm。由于測點位置為公共底座下部，采用鋼絲繩軟連接，所以公共底座上部及電機(jī)部分振幅相應(yīng)會比原來增大3～5倍，振幅最大為1.6 mm。

橫向部分的水泵底座振動加速度較大，取振動加速度的最大值進(jìn)行橫向數(shù)據(jù)分析:振動加速度為1.72 m/s2，頻率為 16.625 Hz，振幅為 0.16 mm，最大振幅為0.8 mm。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知:振動輸入最大加速度為3.4 m/s2，振動輸出最大加速度為0.9 m/s2，則鋼絲繩隔振器的隔振效果為78%。

綜上所述，振幅最大值為1.6 mm，該振幅不會使設(shè)備間的連接軟管產(chǎn)生疲勞破壞，基本滿足設(shè)計初期的理論計算結(jié)果，能夠保護(hù)設(shè)備的正常使用，而不對周圍環(huán)境產(chǎn)生振動噪聲污染。

4 結(jié)論

通過上文的設(shè)計和實船試驗，試驗結(jié)果表明鋼絲繩隔振器用于大型船用泵的隔振是可行的，且效果良好，完全符合設(shè)計要求。另外，鋼絲繩隔振器的合理選用及科學(xué)布置，也是確保取得良好隔振效果及設(shè)備安全的重要方面，也應(yīng)引起重視。如將重心誤差等問題解決，隔振性能可望進(jìn)一步提高，振動強(qiáng)度將可有效減小。

［1］ 束立紅，周煒，呂志強(qiáng)，黃映云.鋼絲繩隔振器在大型機(jī)械設(shè)備的振動沖擊隔離設(shè)計中的應(yīng)用［J］.振動與沖擊，2006(4):78-81.

［2］ 朱石堅，何琳.船舶減振降噪技術(shù)與工程設(shè)計［M］.北京.科學(xué)出版社，2002.

［3］ 詹韌，秦俊明.HGGS-200型鋼絲繩隔振器沖擊特性研究［J］.江蘇船舶，2012，29(5):18-20.

［4］ 朱海潮，何琳，霍睿，施引.用鋼絲繩隔振器進(jìn)行船舶主機(jī)隔振［J］.船海工程，2002(4):12-15.