曹 浩, 張偉偉, 文立華, 王志杰, 趙昌利

魚雷動力系統(tǒng)振動控制技術(shù)及應(yīng)用研究

曹 浩1,2, 張偉偉3, 文立華1, 王志杰2, 趙昌利2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西西安, 710077; 3. 海軍裝備部, 北京, 100841)

為進一步降低魚雷動力系統(tǒng)噪聲水平, 文章對魚雷動力系統(tǒng)的振動控制技術(shù)進行論述, 分析了結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計方法、整機隔振技術(shù)、液流管路振動抑制技術(shù)以及裝配工藝技術(shù)在魚雷動力系統(tǒng)振動控制工程上的應(yīng)用, 指出了魚雷動力系統(tǒng)振動控制領(lǐng)域的發(fā)展方向: 設(shè)計層面, 從以往解決結(jié)構(gòu)強度、剛度為主的設(shè)計方法轉(zhuǎn)換為以結(jié)構(gòu)動力學(xué)為牽引, 以實現(xiàn)低噪聲、大推比的動力系統(tǒng)為目標(biāo)的設(shè)計方法; 隔振層面, 從以往的單點局部隔振向整機隔振與液流管路振動抑制方向發(fā)展; 裝配調(diào)試層面, 裝配工藝控制日益成為影響振動性能的重要因素。文章所述內(nèi)容可為研制具有較低噪聲水平的魚雷動力系統(tǒng)提供理論參考。

魚雷動力系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)動力學(xué); 整機隔振; 裝配工藝

0 引言

魚雷作為一種主要用于打擊水面艦艇、潛艇等目標(biāo)的水中兵器, 其隱身技術(shù)對自身的命中概率和發(fā)射平臺的生存能力有非常重要的影響, 是決定魚雷綜合作戰(zhàn)效能的指標(biāo)之一。一般來說, 魚雷動力系統(tǒng)的機械、流體振動是魚雷自噪聲和輻射噪聲的主要來源, 強烈的振動和噪聲直接影響到魚雷武器的隱身性、攻擊效能、安全性和可靠性[1-4]。魚雷動力系統(tǒng)振動控制技術(shù)的主要目的是使用一系列措施, 盡可能降低魚雷殼體的輻射噪聲, 為自導(dǎo)提供良好的工作環(huán)境和降低被敵方兵力發(fā)現(xiàn)的概率。然而, 魚雷動力系統(tǒng)組成零部件多、連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 工作環(huán)境惡劣, 工作溫度范圍大, 引起的結(jié)構(gòu)振動具有非線性時變特性。因此, 魚雷動力系統(tǒng)振動控制是一項繁瑣、龐大的系統(tǒng)工程。文章從設(shè)計方法、隔振技術(shù)及裝配工藝等方面, 對魚雷動力系統(tǒng)振動控制方法以及發(fā)展方向進行論述, 指出基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的設(shè)計方法已成為研制低噪聲魚雷動力系統(tǒng)的必備手段; 形式多樣的整機隔振結(jié)構(gòu)、液流管路振動隔振結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用到工程領(lǐng)域; 裝配工藝對振動特性影響顯著, 但尚需加強研究。

1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計

以熱動力魚雷為例, 構(gòu)成動力系統(tǒng)的機艙殼體、發(fā)動機、燃燒室、海水泵和燃料泵等輔機通過主支撐結(jié)構(gòu)集于一體, 這樣, 主支撐結(jié)構(gòu)便不可避免地將發(fā)動機與輔機等振動源耦合, 由于發(fā)動機與各種輔機工作轉(zhuǎn)速不同, 使得動力系統(tǒng)的激勵頻率成分十分豐富, 且以周期激勵為主。故動力系統(tǒng)的振動是周期振動和隨機振動共同作用的結(jié)果。

伴隨著魚雷總體戰(zhàn)技指標(biāo)的大幅提高, 要求對過去以解決結(jié)構(gòu)強度、剛度為主的設(shè)計方法進行改進, 進而研制出低噪聲、大推比的動力系統(tǒng)。為此, 迫切需要將結(jié)構(gòu)動力學(xué)引入到整機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程, 形成以結(jié)構(gòu)動力學(xué)指標(biāo)(模態(tài)分析、響應(yīng)分析等)作為主要技術(shù)要求之一的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。產(chǎn)生這一設(shè)計思想的轉(zhuǎn)變, 主要有以下幾個原因:

1) 動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時處于振動狀態(tài), 在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段開展動載荷分析、模態(tài)分析、響應(yīng)分析等工作, 可把握住動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的主要方面;

2) 滿足大推比動力系統(tǒng)設(shè)計要求, 實現(xiàn)輕量化設(shè)計;

3) 采用靜力學(xué)為主的結(jié)構(gòu)設(shè)計時, 主要依靠實航試驗驗證動力學(xué)性能, 一旦校核通不過, 就會造成設(shè)計返工甚至顛覆方案, 代價昂貴。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)目前已經(jīng)應(yīng)用到魚雷動力系統(tǒng)的工程設(shè)計。韓飛[5]采用導(dǎo)納法建立了水下航行器動力艙段耦合結(jié)構(gòu)計算模型, 開展了振動特性分析, 論證了輔機采用密度及楊氏模量較小的材料可有效降低艙段殼體的振動響應(yīng), 以及增大擺盤箱結(jié)構(gòu)的厚度能夠降低艙段殼體的振動響應(yīng)。梁躍等[6]針對由氣缸體、擺盤箱和前后隔振圈組成的魚雷熱動力發(fā)動機機體(如圖1所示), 開展了自由模態(tài)和約束模態(tài)的計算及分析, 論證了氣缸體端面的薄弱部位、隔振圈剛度和質(zhì)量對發(fā)動機機體動力特性的影響。金晶等[7]使用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型建立隔振圈的有限元模型, 提出了隔振圈剛度調(diào)整方法, 研究了調(diào)整剛度對減振效果的影響。

圖1 魚雷發(fā)動機機體

從以上文獻可知, 工程上普遍采用有限元法分析魚雷動力系統(tǒng)的動態(tài)特性, 且已取得良好的應(yīng)用效果。原則上, 運用有限元法能解決任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動問題, 但從工程應(yīng)用角度來看, 為準(zhǔn)確獲取動力系統(tǒng)動態(tài)特性, 要解決模型邊界條件以及對非線性特性的等效處理這2個關(guān)鍵問題。

Acri等[8-9]使用多體動力學(xué)和子結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法研究了內(nèi)燃機內(nèi)部振動能級傳遞路徑, 評估了不同傳遞路徑對目標(biāo)的振動貢獻量。Acri等的研究成果為結(jié)構(gòu)動力學(xué)在魚雷動力系統(tǒng)上的應(yīng)用提供了借鑒。后續(xù)可基于數(shù)值仿真, 開展動力系統(tǒng)內(nèi)部振動特性的精細化研究。

2 整機隔振技術(shù)

早在20世紀(jì)80年代, Ewbank等[10]就發(fā)明了廣泛應(yīng)用在魚雷減振行業(yè)的懸置式隔振器。其核心思路就是使用耗能材料, 將推進系統(tǒng)等振動源同魚雷殼體隔離, 利用耗能材料盡可能地吸收振動能量。

魚雷通常為筒形結(jié)構(gòu), 由于受到結(jié)構(gòu)空間的限制, 使用整圈式隔振器與隔振墊組合的方式將動力系統(tǒng)懸置在殼體上(如圖2所示), 可以高效抑制振動向殼體的傳遞。這種隔振方式被稱為整機隔振技術(shù)。

圖2 整機隔振示意圖

高愛軍等[11]用四端參數(shù)法建立了魚雷動力系統(tǒng)振動傳遞數(shù)學(xué)模型, 探討了整圈式隔振器的幾何結(jié)構(gòu)、橡膠硬度和阻尼等參數(shù)對隔振特性的影響。魚雷工程上使用的整機隔振技術(shù)主要為整圈式隔振器和隔振墊組合的方式。隔振器和隔振墊根據(jù)使用的具體環(huán)境, 其耗能材料又分為多種。以下從耗能材料的分類、隔振器和隔振墊的形式對整機隔振技術(shù)進行論述。

2.1 按耗能材料分類

用于整機隔振的隔振器按照耗能材料的區(qū)別, 可以分為橡膠材料隔振器、金屬橡膠隔振器和塑料材料(聚四氟乙烯)隔振器。橡膠材料隔振器主要用于沖擊較小的使用環(huán)境, 且隔振頻帶較寬, 膠料的壽命一般在7年左右。常用的丁腈橡膠的特點是耐油性能好, 但是阻尼性能略差; 硅橡膠的特點是耐油性能和阻尼性能較好, 但是其硬度較低; 金屬橡膠隔振器一般用于耐沖擊與隔振并重的條件下, 根據(jù)選擇的不同絲徑材料, 其環(huán)境適應(yīng)性較強, 無使用壽命限制。金屬橡膠由金屬絲編制而成, 具有橡膠材料的阻尼性能, 其環(huán)境適應(yīng)性更好, 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式能夠?qū)崿F(xiàn)大載荷隔振和抗沖擊隔振。塑料材料隔振器主要偏重于耐沖擊環(huán)境, 聚四氟乙烯材料的耐油性能和強度較好, 抗沖擊能力強, 但是阻尼性能較差; 其隔振效果較橡膠材料或金屬橡膠略差。隔振器用橡膠的邵氏硬度一般應(yīng)在30~70 HA范圍內(nèi), 泊松比為0.4~0.5。金屬橡膠材料的密度一般為0.2~0.28, 其泊松比近乎為0。

2.2 整圈式隔振器

整圈式隔振器由內(nèi)圈、耗能材料(阻尼材料)和外圈組成。以耗能材料為橡膠的整機隔振器為例, 其結(jié)構(gòu)如圖3所示。一般來說, 內(nèi)圈與動力系統(tǒng)連接, 外圈與魚雷殼體連接。內(nèi)圈外側(cè)與外圈內(nèi)側(cè)均有筋板。

圖3 橡膠隔振圈局部結(jié)構(gòu)圖

若使用橡膠作為耗能材料, 則需在內(nèi)外圈之間將其硫化, 使內(nèi)外圈對應(yīng)的肋骨之間形成獨立的隔振單元。整圈式結(jié)構(gòu)中每個隔振單元都是壓縮與剪切復(fù)合式結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)形式既能保證隔振圈的承載能力, 又能保證其具有良好的隔振效果。

若使用金屬橡膠作為耗能材料, 則在內(nèi)外圈形成的腔體內(nèi)安裝金屬橡膠。金屬橡膠依靠自身的壓縮量固定在內(nèi)外圈之間, 當(dāng)隔振器尺寸較大時, 需要依靠擋圈固定。當(dāng)隔振器需要承受扭矩時, 在內(nèi)外圈上設(shè)計矩形齒結(jié)構(gòu), 以傳遞扭矩。金屬橡膠由多個單元組成, 每2個單元緊密連接。隔振器上半圈的隔振單元是并聯(lián)結(jié)構(gòu), 上、下半圈的隔振單元是串聯(lián)結(jié)構(gòu), 隔振圈的剛度由橡膠材料、結(jié)構(gòu)尺寸、筋板的角度和數(shù)量決定。

2.3 隔振墊

隔振墊一般采用組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計, 既能夠起到減振作用, 還能夠承受沖擊作用。隔振墊的主要功能是配合整圈式隔振器, 形成整機隔振。隔振墊安裝在連接動力系統(tǒng)和殼體的螺栓上, 其典型結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖4所示。

圖4 隔振墊常規(guī)安裝方式

圖示隔振墊主要有2部分組成, 分別為T形的隔振墊和平墊。這種組合安裝方式既可以隔離連接螺栓傳遞來的徑向振動, 還可明顯降低軸向振動。隔振墊通常選用金屬橡膠和聚四氟乙烯作為耗能材料, 較少使用橡膠材料, 因為聚四氟乙烯材料性能與金屬相差較大, 可使隔振環(huán)節(jié)阻抗失配, 從而起到一定的隔振作用。這種組合形式的隔振墊具有良好的機械性能, 保證動力系統(tǒng)能承受魚雷管裝、空投、火箭助飛發(fā)射, 以及魚雷入水時產(chǎn)生的強烈沖擊。

3 液流管路振動抑制技術(shù)

魚雷動力系統(tǒng)的管路種類繁多, 主要分為內(nèi)部管路和外部管路。在動力系統(tǒng)各個組件間連接, 形成冷卻水、燃料、燃氣及滑油通路的為內(nèi)部管路; 從雷體外部引入海水、擠代燃料, 與殼體冷卻器形成潤滑油冷卻回路的為外部管路。外部管路與海水泵、燃料泵和滑油泵等振動源連接, 是魚雷動力系統(tǒng)振動傳遞途徑研究的重點之一。提高各種與魚雷殼體連接管路的減隔振效果, 是降低魚雷輻射噪聲的主要途徑。

管路的振動噪聲通常來源于流體壓力脈動和機械振動。為減小流體壓力脈動引起的結(jié)構(gòu)振動, 需從負載特性出發(fā), 在海水管中使用脈動阻尼器進行壓力脈動的衰減和濾波; 而降低管路結(jié)構(gòu)振動則需設(shè)計不同管壁結(jié)構(gòu)的減振軟管, 以達到消減振動的目的。魚雷動力系統(tǒng)管路系統(tǒng)振動噪聲被動控制措施主要有以下3種。

3.1 加裝脈動阻尼器

在管路連入脈動阻尼器, 可有效降低液體脈動的幅值, 加快脈動衰減速度。圖5為應(yīng)用在魚雷殼體與海水泵之間的組合式脈動阻尼器, 該阻尼器內(nèi)部為小孔共振分離式消聲器, 管壁采用低剛度耐壓撓性材料, 用于吸收液體脈動。圖6為加裝脈動阻尼器的減振效果對比圖?？梢? 加裝脈動阻尼器后, 振動能級幾乎在全頻段降低。

圖5 組合式脈動阻尼器

圖6 脈動阻尼器減振效果

3.2 波紋管減振

金屬波紋軟管結(jié)構(gòu)上波峰波谷的不連續(xù)性, 可以造成流體壓力脈動的消減及結(jié)構(gòu)振動的反射, 具有良好的減振效果。雖然金屬波紋管具有良好的抑制脈動和減振效果, 但值得注意的是, 波紋管對水的阻力較大, 在消減壓力脈動壓強的同時, 管內(nèi)介質(zhì)的流速也相應(yīng)降低。圖7為減振用波紋管, 圖8為在相同工況條件下直管與金屬波紋軟管的振動能級對比圖。從圖中可知, 波紋管在全頻段具有明顯的振動抑制功能。

圖7 減振用波紋管

常用金屬波紋軟管有3種波形可供選擇, 分別為無加強U型、加強U型和Ω型。一般無加強U型波紋管適用于壓力不大于1.6 MPa的管系, 加強U型波紋管適用于壓力不大于3.0 MPa的管系, Ω型波紋管適用于高壓管系。

圖8 波紋管減振效果

選用金屬波紋軟管時應(yīng)盡可能地降低波紋管單波剛度, 提高其隔振性能。金屬波紋軟管單波剛度與其壁厚的3次方成正比, 減小波紋管壁厚是降低單波剛度的有效方法。為解決低剛度與高承壓能力的矛盾, 波紋管可采用多層薄壁結(jié)構(gòu)。為保障軸向與徑向靜載荷作用下接管的功能, 一般需在金屬管外部包覆金屬絲編制套, 編制套股線間彼此的摩擦耗散效應(yīng)增加了隔振效果。金屬波紋軟管減振的有效性, 在很大程度上取決于通流介質(zhì)的壓力, 隨著介質(zhì)壓力的不斷增加, 特別是在超過1 MPa時, 其剛度急劇增加, 隔振效果急劇下降。

3.3 橡膠管減振

橡膠軟管是常用的減振管, 橡膠管的剛度低于金屬管, 阻尼大于金屬管。相對于金屬管, 橡膠管在低頻段減振效果較好, 中高頻段的振動抑制效果一般。為獲得良好的減振效果, 橡膠軟管通常匹配其他耗能材料使用。圖9為與金屬橡膠配合使用的橡膠管。圖10為在試驗泵臺條件下, 橡膠軟管與剛性直管兩端的振級落差結(jié)果, 可見橡膠軟管在中低頻的振動抑制效果優(yōu)于剛性直管。

圖9 減振用橡膠管

圖10 橡膠管減振效果

橡膠管雖然具有良好的減振效果, 但受到材料力學(xué)性能的限制, 其承壓能力有限。橡膠管通常用于低壓管路減振。

4 裝配工藝控制技術(shù)

魚雷動力系統(tǒng)裝配工藝實施的目的是完成零件、部件、組件的結(jié)構(gòu)組合和性能集成, 保證動力系統(tǒng)在要求的范圍內(nèi), 可靠地完成其設(shè)計的功能。裝配工藝就是裝配過程中要控制的參數(shù)或者是通過裝配而形成的參數(shù), 主要包括組合跳動、不同心度、擰緊力矩和裝配工序等。

魚雷動力系統(tǒng)振動排故實踐表明: 對于動力學(xué)設(shè)計合理、隔振措施齊備的動力系統(tǒng), 導(dǎo)致其振動故障的主要原因是連接剛度及轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動同軸度。對應(yīng)到裝配工藝, 具體為連接件的擰緊力矩、連接件的裝配工序以及擰緊步長、擰緊方向、環(huán)境溫度和工作溫度梯度等。不合理的裝配工藝會引發(fā)嚴(yán)重的振動故障。因此, 裝配工藝是保障動力系統(tǒng)振動性能及品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

相比而言, 在裝配工藝控制方面, 航空航天行業(yè)技術(shù)成熟度較高[12]。航空航天行業(yè)自20 世紀(jì)50 年代起采取了嚴(yán)格控制措施, 經(jīng)過數(shù)十年的數(shù)據(jù)積累, 取得了一系列成果。特別是在裝配預(yù)緊力控制方面, 采用控制預(yù)緊力的力矩(或轉(zhuǎn)角)安裝技術(shù), 制定了相對完整的螺栓連接安裝力矩和預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)。如波音的《螺栓和螺母的安裝(BAC5009M)》、NASA 的《NASA NSTS 08307 預(yù)緊力螺栓設(shè)計準(zhǔn)則》等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用, 取得了良好的應(yīng)用效果。而在魚雷動力系統(tǒng)振動控制領(lǐng)域, 相關(guān)研究剛剛起步, 對各種參數(shù)的影響關(guān)系仍然處于摸索階段。當(dāng)前研究主要集中在: 螺栓預(yù)緊力是否合適, 如何保持?jǐn)Q緊力矩分布均勻, 螺栓最合適的變形值應(yīng)如何控制, 預(yù)緊順序?qū)B接剛度的影響, 位置度公差對振動一致性的影響, 以及預(yù)緊力對轉(zhuǎn)動同軸度產(chǎn)生的影響等方面。由于處于起步階段, 裝配工藝對振動控制影響的數(shù)據(jù)樣本量較少, 在裝配工藝方面很大程度上依賴于提高機械件精度和裝配技師的個人經(jīng)驗。經(jīng)常出現(xiàn)不同裝配線生產(chǎn)的動力系統(tǒng)振動性能差異較大, 或者工作數(shù)個航行次數(shù)后, 振動性能大幅惡化的情況。

可見, 裝配工藝控制技術(shù)日益成為影響振動性能指標(biāo)的重要研究領(lǐng)域。在該領(lǐng)域, 魚雷動力系統(tǒng)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段, 后續(xù)還需要開展大量的研究及試驗工作。

5 結(jié)束語

文中對魚雷動力系統(tǒng)常用的振動控制技術(shù)進行了論述和分析, 論述內(nèi)容涵蓋了工程設(shè)計初期的結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計、整機隔振技術(shù)、液流管路振動抑制技術(shù), 以及在動力系統(tǒng)樣機裝配調(diào)試階段的裝配工藝, 得到了如下結(jié)論。

1) 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計成為工程設(shè)計的必要手段。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的快速發(fā)展, 動力系統(tǒng)內(nèi)部振動特性的精細化研究日益提上日程。

2) 整機隔振技術(shù)是隔離動力系統(tǒng)與殼體之間振動的有效措施。在整機隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計時, 應(yīng)根據(jù)具體的發(fā)動機機型和動力學(xué)特性, 選擇隔振結(jié)構(gòu)組合形式以及隔振材料。

3) 液流管路振動抑制措施多樣, 選擇余地較大。工程應(yīng)用上, 應(yīng)綜合考慮液流管路振動抑制和管路的承壓強度問題, 選用橡膠管時, 還需要考慮橡膠材料的老化問題。

4) 需要進一步關(guān)注裝配工藝控制技術(shù), 在該領(lǐng)域有待進一步加強研究。

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Research on Vibration Control Technologies of Torpedo Power System and Its Application

CAO Hao1,2, ZHANG Wei-wei3, WEN Li-hua1, WANG Zhi-jie2, ZHAO Chang-li2

(1. College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 3. Naval Equipment Department, Beijing 100841, China)

To further reduce noise level of torpedo power system, the vibration control technologies of the torpedo power system are discussed in this paper, the applications of the structural dynamics design method, the vibration isolation technology of the whole machine, the vibration suppression technology of fluid pipeline, and the assembly technique in the vibration control engineering of torpedo power system are analyzed. Moreover, the development directions of the torpedo power system vibration control field are pointed out as follows: 1) at design aspect, the previous design methods mainly for solving the structural strength and stiffness should be transformed into the design method for taking structural dynamics as traction to achieve low noise and high thrust ratio of torpedo power system; 2) at vibration isolation aspect, the previous single-point partial vibration isolation should be transformed into the vibration isolation of whole machine and the vibration suppression of the fluid pipeline; and 3) at assembly aspect, the assembly process control has increasingly become an important factor affecting the vibration performance. This study may provide theoretical reference for the development of Torpedo power system with low noise level.

torpedo power system; structural dynamics; vibration isolation of whole machine; assembly technique

TJ630.32; O351.2

A

2096-3920(2019)05-0595-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.017

曹浩, 張偉偉, 文立華, 等. 魚雷動力系統(tǒng)振動控制技術(shù)及應(yīng)用研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(5): 595-600.

2019-01-15;

2019-04-10.

曹 浩(1982-), 男, 在讀博士, 高級工程師, 主要從事振動傳遞路徑分析研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)