夏兆旺, 邵廣申, 周馬俊, 薛 程, 薛 斌

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶輔機(jī)雙層隔振教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

夏兆旺, 邵廣申, 周馬俊, 薛 程, 薛 斌

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

利用Matlab GUI平臺(tái)開發(fā)了船舶輔機(jī)雙層隔振系統(tǒng),計(jì)算分析了某型柴油機(jī)雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)特性。該系統(tǒng)用于輪機(jī)工程專業(yè)的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明:該教學(xué)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)介、操作簡(jiǎn)便、交互性強(qiáng),隔振系統(tǒng)仿真結(jié)果通過圖表的形式描述其隔振性能,在很大程度上提高了課堂教學(xué)效果,加深了學(xué)生理解分析能力。

船舶輔機(jī)； 隔振； 教學(xué)系統(tǒng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,在出行方面人們?cè)诒ＷC到達(dá)目的地的同時(shí),對(duì)舒適性的要求越來越高。就船舶方面而言,振動(dòng)噪聲水平是衡量其舒適性的一個(gè)重要指標(biāo),因此船舶的振動(dòng)噪聲控制至關(guān)重要。船舶的振動(dòng)噪聲主要是由主機(jī)[1-2]、輔機(jī)[2-4]和螺旋槳[5]運(yùn)行引起。本文針對(duì)船舶輔機(jī)設(shè)備開發(fā)了輔機(jī)設(shè)備雙層隔振計(jì)算軟件,主要用于分析輔機(jī)設(shè)備的隔振特性,有助于提高輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)訓(xùn)效果,加深學(xué)生對(duì)船舶隔振設(shè)計(jì)的理解分析能力。

1 雙層隔振軟件的整體設(shè)計(jì)

目前,輔機(jī)的振動(dòng)控制常采用被動(dòng)隔振方式，有單層隔振[6-7]、雙層隔振[8-10]和浮筏隔振[11-12]3種形式。單層隔振,即在動(dòng)力裝置與基座(基礎(chǔ))之間安裝一層隔振器。單層隔振技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛,其技術(shù)要求和成本都比較低,在要求不高的場(chǎng)合能滿足隔振要求。為改進(jìn)其不足,雙層隔振應(yīng)運(yùn)而生,即在設(shè)備和支撐基座之間增設(shè)一個(gè)中間質(zhì)量體,該質(zhì)量體上下側(cè)分別通過隔振器連接設(shè)備和基座。雙層隔振裝置在低頻區(qū)也能取得30～50 dB的振級(jí)落差(單層隔振只有10～20 dB),雙層隔振裝置如圖1所示。在單層和雙層隔振技術(shù)的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了浮筏隔振技術(shù)，它隔振效果好、結(jié)構(gòu)緊湊,相比雙層隔振系統(tǒng)額外增加的質(zhì)量也較少。浮筏隔振的基本思想是讓多個(gè)設(shè)備共用一個(gè)中間質(zhì)量體——筏架,再將筏架安裝在基座上。但這也使系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加,各個(gè)設(shè)備的振動(dòng)將會(huì)互相影響,從而增加研究難度。本文主要是針對(duì)船舶輔機(jī)雙層隔振系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)仿真計(jì)算軟件,用于輔機(jī)雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

圖1 雙層隔振裝置簡(jiǎn)圖

結(jié)合工程實(shí)際對(duì)雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算軟件開發(fā),一定要考慮到其所使用方法的科學(xué)性、能在軟件中搭建出合理的計(jì)算模型、能針對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行多角度的分析計(jì)算并能達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求。圖2為船舶輔機(jī)雙層隔振系統(tǒng)的總體框架,圖3則是雙層隔振軟件設(shè)計(jì)完成后的主界面。

圖2 雙層隔振系統(tǒng)總體框架

圖3 軟件主界面

2 雙層隔振軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 軟件運(yùn)行GUI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)需求,要求每個(gè)模型均能實(shí)現(xiàn)可調(diào)參數(shù)下的幅頻特性響應(yīng)曲線這一主要功能。因此模型主要分為參數(shù)輸入以及結(jié)果演示兩大部分,如圖4所示。其中,在參數(shù)設(shè)置面板輸入相應(yīng)的參數(shù)，并運(yùn)行仿真就可以得到輔機(jī)雙層隔振效果響應(yīng)曲線。當(dāng)輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤或者是超過取值范圍時(shí)則會(huì)報(bào)錯(cuò)提示。

圖4 模塊功能設(shè)計(jì)

根據(jù)以上功能設(shè)計(jì),在Matlab GUI環(huán)境下構(gòu)思出該模塊GUI界面如圖5所示，圖5左側(cè)是參數(shù)設(shè)置面板,右側(cè)為圖形生成區(qū)。要求界面布局合理美觀,各模塊風(fēng)格盡量保持一致。

圖5 GUI界面

2.2 回調(diào)函數(shù)編程

根據(jù)需求在軟件的主界面內(nèi)可以看到各個(gè)選單按鈕以及主界面的控件。根據(jù)設(shè)計(jì)好的界面,按照功能需求以及一些模型的經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)文本框、普通按鈕、列表框等不同圖形控件的回調(diào)函數(shù)的編程,保證前臺(tái)GUI界面的設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算功能一致。

2.3 雙層隔振軟件主要功能

2.3.1 上下層隔振器選型

隔振器的選型首先是要保證整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,在這一前提下還要滿足隔振效果的要求,還要考慮到可能出現(xiàn)的損壞以及更換情況，即隔振器的通配性,最后是振幅不宜過大,不應(yīng)為追求隔振效率而選用剛度過小的隔振器。

上層隔振器的選型，根據(jù)圖3主界面上上層質(zhì)量m1選擇合適的隔振器類型,可以同時(shí)選擇一種或是兩種型號(hào),例如質(zhì)量m1=60 kg時(shí), 可以選擇BE25-100000型號(hào),個(gè)數(shù)為4個(gè)。

下層隔振器型號(hào)的選取則是要參照下層剛度值。上層總動(dòng)剛度、中間質(zhì)量以及下層剛度都可以通過計(jì)算得出,參照上述結(jié)果依據(jù)選型大于等于計(jì)算剛度的原則,因而下層選用4個(gè)BE40-161000的隔振器。

2.3.2 隔振系統(tǒng)固有頻率計(jì)算

在單自由度振動(dòng)系統(tǒng)中,固有角頻率ω0表達(dá)式如下:

(1)

式中,k為物體剛度,m為物體質(zhì)量。

針對(duì)本文的雙層兩自由度隔振系統(tǒng),建立其動(dòng)力學(xué)模型,得到頻率方程,計(jì)算其二階固有頻率。在軟件界面中選擇固有頻率按鈕,軟件自動(dòng)計(jì)算出雙層隔振系統(tǒng)一階和二階固有頻率。

2.3.3 隔振系統(tǒng)隔振效率

通常情況下,用隔振效率來評(píng)價(jià)隔振效果。隔振效率η如下:

η=(1-T)×100%

(2)

式中T為傳遞力。

3 柴油機(jī)雙層隔振系統(tǒng)仿真分析

柴油機(jī)發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如下:額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min；質(zhì)量為330 kg。隔振設(shè)計(jì)時(shí)要求隔振效率大于80%,即力傳遞率小于20%。

根據(jù)隔振器種類的不同,可以有不同的方案,本文通過雙層隔振軟件對(duì)選用的兩種方案加以比較:

方案一:BE系列隔振器。上層質(zhì)量根據(jù)載荷要求確定,即隔振器支撐載荷要大于設(shè)備質(zhì)量,因此選用6個(gè)BE60型隔振器,則得到上層總剛度為1.452 MN/m,中間質(zhì)量確定為280 kg,下層隔振器選用4個(gè)BE160型隔振器(承重640 kg,滿足需要),下層剛度為2.576 MN/m。力傳遞率ε1為

(3)

式中，F(xiàn)0為激勵(lì)力，F(xiàn)T為傳遞給基礎(chǔ)的力，ζ為阻尼比。

此時(shí)振動(dòng)力傳遞率ε1=19.83%。

設(shè)計(jì)規(guī)范要求質(zhì)量比與剛度比的比值為0.8～1.2。上述設(shè)計(jì)的質(zhì)量比為1.8485,剛度比為1.7741,得到質(zhì)量比與剛度比的比值為0.9598,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

方案二:KA系列隔振器。上層隔振器仍按支撐載荷選取,選用4個(gè)KA100型橡膠隔振器,上層總剛度為0.68 MN/m,中間質(zhì)量為100 kg,下層使用6個(gè)KA100型隔振器,剛度為1.02 MN/m。仿真后得力傳遞率ε2=7.77%。

上述設(shè)計(jì)的質(zhì)量比為1.3030,剛度比為1.5,從而得到質(zhì)量比與剛度比的比值為1.1,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖6為兩種方案幅頻響應(yīng)特性曲線,從圖中可以看出，KA型的剛度較小,隔振效果也較好。圖7是兩種方案的隔振器形變量的比較,從圖中可以看出兩種方案下層隔振器的變形接近,上層BE隔振器的變形量略大,雖然BE型方案的剛度較大,但兩種方案的中間質(zhì)量不同,固有頻率不同,不應(yīng)直接相比,應(yīng)以仿真結(jié)果為準(zhǔn)。綜上所述,KA型方案總體優(yōu)于BE型方案。

圖6 不同方案的幅頻響應(yīng)曲線

圖7 不同方案隔振器形變量曲線

4 結(jié)語

利用Matlab軟件平臺(tái),本文開發(fā)了船舶輔機(jī)雙層隔振教學(xué)系統(tǒng)。程序計(jì)算效率高,所有輸入輸出數(shù)據(jù)都可以手工輸入或文件讀寫,可移植性強(qiáng),數(shù)據(jù)操作管理快捷方便；采用GUI界面設(shè)計(jì),界面簡(jiǎn)單美觀,方便設(shè)計(jì)人員使用；軟件適用性強(qiáng),運(yùn)行環(huán)境要求低,穩(wěn)定性強(qiáng),有利于提升輪機(jī)工程專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)效果。

References)

[1] 何祚鏞. 實(shí)船設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)和水聲聲強(qiáng)測(cè)試分析及噪聲源的判別[J].中國(guó)造船,2004,44(4):50-58.

[2] Arioa I, Watson A. Dynamic folding analysis for multi-folding structures under impact loading[J]. Journal of Sound and Vibration, 2007, 308:591-598.

[3] Lee S K. Finite element computation of magnetic vibration sources in 100 kW two fractional-slot interior permanent magnet machines for ship[J]..Magnetics, IEEE Transactions on,2012, 48(2):867-870.

[4] 張娟,李天勻,朱翔,等. 基于AutoSEA的船舶典型動(dòng)力源輻射噪聲分析[J].船舶力學(xué),2008, 12(5):819-823.

[5] 劉義軍, 閆力奇, 曹貽鵬. 主機(jī)與螺旋槳激勵(lì)下某型散貨輪船體振動(dòng)差異特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(5):102-106.

[6] 王國(guó)治, 胡玉超, 仇遠(yuǎn)旺. 艦船結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)及噪聲預(yù)報(bào)技術(shù)探討[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012 , 26(4):327-331.

[7] 趙兵,梁前超,任凱,等. 船用主機(jī)單層橡膠隔振裝置隔振性能研究[J].中國(guó)修船,2008,21(増刊1):14-16.

[8] 張峰, 俞孟薩, 許樹浩,等. 浮筏隔振系統(tǒng)功率流傳遞的矢量四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方法[J]. 中國(guó)造船, 2010, 51(4):118-126.

[9] Huang Xiuchang, Zhang Zhiyi, Zhang zhenhua. Vibro-acoustic optimization of immersed cylindrical structure with floating raft systems inside by using frequency response function based substructuring sensitivity analysis[J]. Journal of Engineering for the Maritime Environment,2011, 225(2):111-132.

[10] 趙志高, 黃其柏, 何锃.基于有限元邊界元方法的薄板聲輻射分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2008, 22(1):39-43.

[11] 曹躍云, 張磊, 楊自春,等. 船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 振動(dòng)與沖擊,2013, 32(22):158-162.

[12] 喻浩. 船用柴油發(fā)電機(jī)組的浮筏隔振及其效果分析[J].船舶工程,2016,38(4):65-69.

Development and design of double-layer vibration isolation teaching system for marine auxiliary engine

Xia Zhaowang, Shao Guangshen, Zhou Majun, Xue Cheng, Xue Bin

(School of Energy and Power, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The teaching platform of the double-layer vibration isolation system for the marine auxiliary engine is developed by using the Matlab GUI platform, and the vibration characteristics of a diesel engine double-layer vibration isolation system are calculated and analyzed. This system is applied to the professional comprehensive training for the Marine Engineering specialty. The teaching practice shows that the interface of this teaching system is simple, easy to operate and interactive. The vibration isolation performance is described in the form of chart by the simulation results of the vibration isolation system, which greatly improves the effect of classroom teaching and improves the students’ understanding and analysis ability.

marine auxiliary engine; vibration isolation; teaching system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.020

2017-06-21

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目(201701074004)

夏兆旺(1981—),男,安徽鳳陽,博士,副教授,主要從事振動(dòng)與噪聲控制方向的研究.

E-mail：dlxzw@163.com

U661.44;G484

A

1002-4956(2017)12-0081-04