金麗瓊，許治晶，邢志勝，毛京兵，張志恒，張成彥

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

空氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī))是現(xiàn)代船舶工業(yè)中的重要關(guān)鍵設(shè)備之一，目前船用空壓機(jī)多采用往復(fù)活塞式，由于不平衡慣性力等因素的影響，往復(fù)活塞式空壓機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，針對(duì)該問(wèn)題，通常在船用空壓機(jī)和甲板之間設(shè)計(jì)有單層隔振裝置或雙層隔振裝置(或浮筏隔振裝置)，一方面能最大限度地隔離空壓機(jī)的振動(dòng)沿機(jī)座向船體的傳遞，從而抑制船艙工作室噪聲和水下輻射噪聲，以達(dá)到提高船舶隱身性和舒適性的功能；一方面能有效抑制外界干擾（如惡劣海況等）通過(guò)機(jī)座對(duì)船舶空壓機(jī)設(shè)備的沖擊，以提高空壓機(jī)的使用壽命。

為了保證隔振裝置的效果，一般選用剛度較小的隔振裝置，但隔振裝置剛度較小會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，如何合理地選擇隔振裝置，達(dá)到既能提高隔振效果又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性要求一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。俞微等給出了可以校驗(yàn)浮筏隔振系統(tǒng)穩(wěn)定性的計(jì)算方法及通用程序，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。杜奎等運(yùn)用導(dǎo)納原理推導(dǎo)了雙層減振裝置隔振器對(duì)齊安裝和不對(duì)齊安裝方案的傳遞功率流，發(fā)現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)傳遞導(dǎo)納小于輸入導(dǎo)納，不對(duì)齊安裝更有利于降低寬頻率振動(dòng)的傳遞。祝華等采用試驗(yàn)方法研究了隔振器安裝位置的偏差對(duì)隔振效果的影響，發(fā)現(xiàn)隔振器安裝位置偏差的變化可以明顯影響高頻段的隔振效果。段小帥等研究了潛艇雙層隔振系統(tǒng)中振級(jí)落差、插入損失和力傳遞率3個(gè)隔振評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，并通過(guò)理論分析得出3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定條件下相差1個(gè)常值的結(jié)論。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以某型號(hào)船用空壓機(jī)隔振裝置為研究對(duì)象，接合空壓機(jī)的振動(dòng)機(jī)理分析，對(duì)隔振裝置的減振效果進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化研究，以確定較合理的隔振裝置布置，為后續(xù)空壓機(jī)在艦船上安裝提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 振動(dòng)機(jī)理分析

船舶上使用較多的小型中壓空壓機(jī)組多為V型兩級(jí)往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)，本文選用某型號(hào)該類(lèi)型空壓機(jī)組為研究對(duì)象。往復(fù)活塞式空壓機(jī)由于二階往復(fù)慣性力無(wú)法用平衡重平衡掉，空壓機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，查閱文獻(xiàn)可知，引起空壓機(jī)振動(dòng)的慣性力主要有兩個(gè)，分別為一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力。一階往復(fù)慣性力的方向與曲柄運(yùn)動(dòng)方向一致，通常在曲柄相反的方向上加一個(gè)平衡重，可以平衡一階往復(fù)慣性力；二階往復(fù)慣性力是周期性變化的，且方向始終處于水平方向，所以不能實(shí)現(xiàn)通過(guò)增加平衡重的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行平衡。因此，往復(fù)慣性力矩的存在對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)形成了一個(gè)振動(dòng)激勵(lì)源，該振動(dòng)激勵(lì)是導(dǎo)致空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。根據(jù)空壓機(jī)的振動(dòng)特性，可利用下式對(duì)其進(jìn)行描述，即

式中：m為主機(jī)重，z為振動(dòng)位移，c為阻尼系數(shù)，k為剛度系數(shù)，ωn為系統(tǒng)固有頻率，，F(xiàn)為不平衡慣性力，ω為空壓機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)頻率；假設(shè)式(1)的穩(wěn)態(tài)解為：

式中：Az為振動(dòng)幅值。將式（2）代入式（1）可解得方程（1）的振動(dòng)幅值為：

從式（3）可知，阻尼的增加有利于抑制系統(tǒng)的振動(dòng)幅值；當(dāng)k＞mω2時(shí)，剛度越大，系統(tǒng)振動(dòng)幅值越小，反之，當(dāng)剛度越小時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)幅值越大；當(dāng)k＜mω2時(shí)，剛度越小，系統(tǒng)振動(dòng)幅值越小，反之，當(dāng)剛度越大時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)幅值越大；當(dāng)k=mω2時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)激勵(lì)源的頻率與系統(tǒng)固有頻率剛好相等，即。由前面分析可知，系統(tǒng)固有頻率ωn與系統(tǒng)的剛度系數(shù)和質(zhì)量均有關(guān)，旋轉(zhuǎn)頻率是壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，該型號(hào)空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率為25Hz，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率與固有頻率接近或相等時(shí)，其振幅、速度及加速度均會(huì)有較大增加，可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)必須避免共振的發(fā)生。目前對(duì)船舶用小型中壓空壓機(jī)組的振動(dòng)指標(biāo)要求主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）在額定工況下，空壓機(jī)主機(jī)機(jī)腳的振動(dòng)加速度振級(jí)不允許高于規(guī)定值。

（2）在額定工況下，空壓機(jī)主機(jī)機(jī)腳在20～10kHz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度不允許高于GJB763.2-89《艦船噪聲限值和測(cè)量方法-艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度驗(yàn)收限值》或技術(shù)協(xié)議規(guī)定的限定值要求。

（3）隔振裝置的隔振效果在低、中、高各頻段均要滿(mǎn)足規(guī)定要求。

因此，為了保證中壓空壓機(jī)組的振動(dòng)特性滿(mǎn)足上述要求，需要對(duì)其進(jìn)行隔振優(yōu)化。

2 隔振裝置描述

由于未被平衡的慣性力及力矩的存在，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，通常采用基礎(chǔ)或減振器對(duì)其進(jìn)行抑制。某型空壓機(jī)組采用雙層隔振裝置，如圖1。在雙層隔振結(jié)構(gòu)的船用空壓機(jī)系統(tǒng)中，為保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行，空壓機(jī)和中間質(zhì)量塊通常都具有較高的強(qiáng)度和剛度，且相對(duì)于其結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)和中間質(zhì)量塊在振動(dòng)過(guò)程中的自身變形較小，上層為四只橡膠彈簧減振器，與空壓機(jī)底架連接；下層有六只橡膠彈簧減振器，和船的甲板連接；兩層隔振通過(guò)中間質(zhì)量塊連接。通常對(duì)于彈性安裝的船用空壓機(jī)組系統(tǒng)，隔振裝置的主要作用一方面是吸收空壓機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量，使傳遞到甲板上的振動(dòng)減小，提高其隱身性，這可以由隔振裝置的隔振效果來(lái)衡量；另一方面隔振裝置會(huì)使空壓機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)放大，波及到與空壓機(jī)連接的設(shè)備振動(dòng)。所以，上下兩層減振器的剛度和阻尼是不一樣的，一般上剛下柔。另外，中間質(zhì)量塊的重量、阻尼都會(huì)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的大小及分布產(chǎn)生影響，必須做到上下層隔振器塊、中間質(zhì)量塊和空壓機(jī)的有機(jī)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、耦合，才能使振動(dòng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求，所以不同的空壓機(jī)結(jié)構(gòu)采用的隔振裝置也不同。

圖1 某型船用空壓機(jī)

3 試驗(yàn)分析

為了實(shí)現(xiàn)雙層隔振裝置和空壓機(jī)的最佳匹配組合，需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析。為此，課題組專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了模擬船上安裝狀態(tài)的基于雙層隔振裝置的空壓機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2，為方便研究，振動(dòng)加速度單位采用文獻(xiàn)中的振動(dòng)加速度表述方法，即dB。

采用文獻(xiàn)[5]提供的試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行以下試驗(yàn)。

（1）隔振裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，調(diào)整配重的重量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步弱化一階往復(fù)慣性力的影響，優(yōu)化后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3中優(yōu)化試驗(yàn)1所示。

（2）隔振裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，通過(guò)更換聯(lián)軸器的方式調(diào)整軸承的間隙，對(duì)主機(jī)運(yùn)動(dòng)件平衡系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)化后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3中優(yōu)化試驗(yàn)2所示。

（3）隔振裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，基于試驗(yàn)（1）和（2）的優(yōu)化結(jié)果，在主機(jī)機(jī)腳加裝鋼塊，改變主機(jī)的質(zhì)量分布對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果如圖3中優(yōu)化試驗(yàn)3所示。

（4）主機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化后，通過(guò)改變中間質(zhì)量塊的重量對(duì)隔振裝置進(jìn)行優(yōu)化(未優(yōu)化前中間質(zhì)量塊帶較多均布的孔，優(yōu)化后中間質(zhì)量塊帶不帶孔），其振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖4中優(yōu)化試驗(yàn)4所示。

圖2 某型船用空壓機(jī)雙層隔振裝置試驗(yàn)平臺(tái)

（5）基于試驗(yàn)（4）的優(yōu)化結(jié)果，增加上層減振器的剛度進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試(通過(guò)改變減振器的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn))，測(cè)試結(jié)果如圖4中優(yōu)化試驗(yàn)5所示。

（6）基于試驗(yàn)（4）的優(yōu)化結(jié)果，減小下層減振器的剛度進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試(通過(guò)改變減振器的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn))，測(cè)試結(jié)果如圖4中優(yōu)化試驗(yàn)6所示。

（7）基于上述優(yōu)化結(jié)果，改善氣體管路，降低氣流脈動(dòng)，機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖4中優(yōu)化試驗(yàn)7所示。

圖3為主機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的整體試驗(yàn)結(jié)果，圖4為隔振裝置優(yōu)化后的整體試驗(yàn)結(jié)果，為方便研究，圖3和圖4的繪制按文獻(xiàn)中方法繪制，且在圖中均給出了的主機(jī)優(yōu)化前系統(tǒng)的振動(dòng)曲線(xiàn)、技術(shù)協(xié)議規(guī)定值和GJB規(guī)定值。

圖3 主機(jī)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

圖4 隔振裝置優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，配重的優(yōu)化進(jìn)一步平衡了一階往復(fù)慣性力，雖然機(jī)腳振動(dòng)加速度有一定的改善，但減振效果并不明顯(優(yōu)化試驗(yàn)1)；軸承安裝間隙的減小，聯(lián)軸器重量增加，可以減小振動(dòng)，機(jī)腳振動(dòng)加速度有明顯降低，特別是低頻段的振動(dòng)抑制較為明顯(優(yōu)化試驗(yàn)2)；改變主機(jī)局部重量分布，低頻段機(jī)腳振動(dòng)加速度幾乎沒(méi)有變化，中頻段機(jī)腳振動(dòng)加速度還有所惡化，高頻段幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明改變主機(jī)局部重量并不能達(dá)到抑制系統(tǒng)振動(dòng)的目的(優(yōu)化試驗(yàn)3)；由圖4可知，隔振裝置閥體重量增加，機(jī)腳振動(dòng)加速度在低、高頻段有所降低，但中頻段影響不大(優(yōu)化試驗(yàn)4)；增加上層隔振器的剛度，機(jī)腳振動(dòng)加速度在低、中、高頻段均有所降低，所以增加上層隔振器剛度，是降低機(jī)腳振動(dòng)加速度的有效方法(優(yōu)化試驗(yàn)5)；減小下層減振器的剛度，機(jī)腳振動(dòng)加速度在低、中頻段有所降低，但高頻段有所強(qiáng)化，因此，該方法并不建議使用(優(yōu)化試驗(yàn)6)；改善氣體管路，降低氣流脈動(dòng)，機(jī)腳振動(dòng)加速度的低、中、高頻段均有一定抑制效果(優(yōu)化試驗(yàn)7)。

從上述試驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)：第一，當(dāng)機(jī)腳振動(dòng)加速度的頻率位于 25Hz、50Hz、100Hz、125Hz、200Hz的中心頻率時(shí)，其振動(dòng)均有顯明增強(qiáng)；第二，機(jī)腳振動(dòng)加速度的頻率位于800Hz、1000Hz的中心頻率時(shí)，振動(dòng)幅值突增，其原因是由于該型號(hào)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)頻率ω為25Hz，25Hz、50Hz、100Hz、125Hz、200Hz為 其 倍 頻 程； 而 800Hz、1000Hz剛好在該系統(tǒng)固有頻率ωn附近。經(jīng)過(guò)上述一系列優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)，隔振裝置的振動(dòng)抑制效果達(dá)到最佳，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。需要指出的是機(jī)組機(jī)腳振動(dòng)加速度在25Hz中心頻率時(shí)仍較大，這是因?yàn)樵撔吞?hào)機(jī)組曲軸的旋轉(zhuǎn)頻率為25Hz，也是技術(shù)協(xié)議允許的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析和試驗(yàn)研究，可以得到下列結(jié)論。

（1）對(duì)于采用雙層隔振裝置的V型空壓機(jī)組來(lái)說(shuō)，上層應(yīng)選擇剛度較大的隔振器，下層宜選用剛度較小的隔振器，這樣才有效抑制系統(tǒng)的振動(dòng)，使其達(dá)到隔振效果。

（2）空壓機(jī)的管路連接不當(dāng)會(huì)引起較大的氣流脈動(dòng)，最終會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)增大，因此，應(yīng)合理布局管路，盡可能弱化氣流脈動(dòng)對(duì)振動(dòng)的強(qiáng)化作用。

（3）隔振裝置形式與空壓機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)，不同結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)應(yīng)該采用不同的隔振裝置。