蔡龍奇 王 禹 劉 佳 黃 捷 劉立志

0 引言

船舶動(dòng)力裝置含有大量的泵類設(shè)備和靜設(shè)備，泵類旋轉(zhuǎn)機(jī)械是船舶動(dòng)力裝置的主要振動(dòng)噪聲源，這些振源設(shè)備振動(dòng)會(huì)通過設(shè)備支承結(jié)構(gòu)和管路向外傳遞。隨著船舶動(dòng)力裝置對(duì)振動(dòng)噪聲要求的不斷提高，傳統(tǒng)的單層隔振、雙層隔振等隔振措施已越來越難以滿足日益嚴(yán)苛的減振降噪要求，浮筏支承隔振措施由于減振效果好、便于模塊化建造等典型特點(diǎn)成為目前船舶隔振發(fā)展趨勢(shì)。

船舶動(dòng)力裝置具有靜設(shè)備集中質(zhì)量大、振源設(shè)備多、振動(dòng)特性多樣等典型特點(diǎn)，給浮筏隔振設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。本文針對(duì)集中質(zhì)量復(fù)雜浮筏隔振系統(tǒng)開展了浮筏隔振方案研究工作，提出了集成質(zhì)量系統(tǒng)浮筏隔振設(shè)計(jì)原則，結(jié)合隔振系統(tǒng)靜力學(xué)特性分析、隔振系統(tǒng)固有頻率分析、減振效果分析等，形成了合理可行的集中質(zhì)量系統(tǒng)集成浮筏隔振方案。

本文工作可為船舶動(dòng)力裝置浮筏支承隔振的工程設(shè)計(jì)提供支撐。

1 浮筏隔振技術(shù)簡介

隔振技術(shù)作為一種重要的機(jī)械噪聲控制措施，在國外已有幾十年的研究歷史和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并在振動(dòng)控制方面取得了顯著成效。從其發(fā)展歷程上看，主要經(jīng)歷了單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振等幾個(gè)發(fā)展階段[1]。目前，浮筏隔振系統(tǒng)仍是隔振技術(shù)發(fā)展研究的重點(diǎn)[2]。

浮筏隔振系統(tǒng)如圖1 所示，筏架上安裝有多機(jī)組（因而具有多擾動(dòng)源），共用一個(gè)筏體結(jié)構(gòu)。浮筏隔振效果可達(dá)中低頻段35dB、高頻段50dB 以上的隔振效果，此外筏體結(jié)構(gòu)能充分節(jié)省安裝空間。

圖1 浮筏隔振系統(tǒng)示意圖

2 集中質(zhì)量系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)組成

船舶動(dòng)力裝置是一種典型的集中質(zhì)量復(fù)雜系統(tǒng)，主要由大質(zhì)量靜設(shè)備、泵類振源設(shè)備、管路及支吊架等組成，靜設(shè)備、泵類設(shè)備參數(shù)如表1 所示。如表1 所示，動(dòng)力裝置中含有一型大質(zhì)量靜設(shè)備、三型泵類設(shè)備，且泵運(yùn)行方式多樣、激勵(lì)特性不一致，且A 靜設(shè)備、C 葉片泵由于設(shè)備特性只能與筏架剛性連接。

表1 浮筏隔振系統(tǒng)被支承設(shè)備參數(shù)

2.2 系統(tǒng)典型特點(diǎn)

船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜系統(tǒng)主要典型特點(diǎn)如下：

（1）靜設(shè)備重量、體積遠(yuǎn)大于泵類旋轉(zhuǎn)設(shè)備，筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔振器配置需考慮集中質(zhì)量和載荷分配等因素。

（2）振源設(shè)備類型和運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣，各泵類設(shè)備振源特性不一致，運(yùn)行方式不同，在浮筏隔振設(shè)計(jì)時(shí)需考慮不同振源特性。

（3）為保證抗沖擊安全性，需在隔振設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮限制浮筏隔振裝置的沖擊位移。

3 集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及方案

3.1 浮筏隔振設(shè)計(jì)原則

綜合考慮支承隔振功能、復(fù)雜系統(tǒng)典型特點(diǎn)等，提出集中質(zhì)量浮筏隔振主要設(shè)計(jì)原則如下：

（1）筏架結(jié)構(gòu)遵循體積小、重量輕等原則，嚴(yán)格控制重量尺寸。

（2）考慮到系統(tǒng)集中質(zhì)量較大，應(yīng)開展筏架結(jié)構(gòu)與大質(zhì)量靜設(shè)備A 的集成設(shè)計(jì)，增加筏架結(jié)構(gòu)與集中質(zhì)量的連接剛度，避免局部剛度弱的問題。

（3）結(jié)合振源設(shè)備激勵(lì)頻率的多樣性，筏架結(jié)構(gòu)固有頻率、浮筏隔振系統(tǒng)固有頻率應(yīng)避開主要激勵(lì)頻率。

（4）應(yīng)選用大承載、低固有頻率隔振器，且通過隔振器的合理布置使隔振器盡量受力均勻。

（5）浮筏隔振裝置應(yīng)具備必要的限位功能。

3.2 浮筏隔振設(shè)計(jì)方案

圖2 集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)示意圖

集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)如圖2 所示。動(dòng)力裝置設(shè)備通過集成筏架結(jié)構(gòu)組成一個(gè)整體承載及減振平臺(tái)，筏架結(jié)構(gòu)通過氣囊隔振器安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，降低系統(tǒng)振動(dòng)向基礎(chǔ)的傳遞。筏架結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)備提供承載平臺(tái)，同時(shí)可根據(jù)布置需求為系統(tǒng)管路及支吊架等提供支承。

為提高連接剛度，將A 型靜設(shè)備與筏架結(jié)構(gòu)采用集成設(shè)計(jì)理念，筏架結(jié)構(gòu)與A 型靜設(shè)備結(jié)構(gòu)焊接連接，并設(shè)置加強(qiáng)筋板有效提高連接剛度。

如圖1 所示，筏架下部隔振器布置根據(jù)受力平衡的原則開展。筏架下部氣囊隔振器內(nèi)部集成設(shè)置有限位結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)集成支承隔振裝置位移在一定范圍內(nèi)。氣囊隔振裝置中含有位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)筏架結(jié)構(gòu)姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)筏架結(jié)構(gòu)姿態(tài)傾斜時(shí)氣囊自動(dòng)通過氣壓調(diào)整來確保系統(tǒng)的姿態(tài)平衡。

4 集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)減振效果分析

4.1 靜力學(xué)及固有頻率分析

采用Solid185 單元對(duì)集成支承隔振結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，將靜設(shè)備、泵類設(shè)備等效為集中質(zhì)量點(diǎn)采用3Dmass21 模擬，采用彈簧單元模擬氣囊隔振器靜剛度參數(shù)，對(duì)隔振器下部進(jìn)行位移約束，在模型上施加重力加速度對(duì)隔振器靜力載荷特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2 所示。如表2 所示，各氣囊隔振器載荷較為均勻，隔振器布置合理。

表2 浮筏下層隔振器載荷分配表

此外，基于ANSYS 模態(tài)分析模塊開展了集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)模態(tài)分析，分析結(jié)果表明集成浮筏隔振系統(tǒng)固有頻率避開了被支承設(shè)備主要激勵(lì)頻率，浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

4.2 減振效果分析

為獲得浮筏隔振系統(tǒng)全頻段（10Hz～8000Hz）減振效果，分別利用有限元分析軟件LMS Virtual.lab 和統(tǒng)計(jì)能量分析軟件VA One 對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)低頻段（10Hz～315Hz）、中高頻段（315Hz～8000Hz）減振效果進(jìn)行了分析。利用泵類設(shè)備實(shí)測機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)，通過振源識(shí)別方法得到泵類設(shè)備激勵(lì)力作為振動(dòng)分析的輸入。

4.2.1 低頻段減振效果分析

獲得各振動(dòng)傳遞路徑上振動(dòng)加速度級(jí)分析結(jié)果如圖3 所示。如圖3 所示，筏架結(jié)構(gòu)上剛性安裝設(shè)備低頻段（10Hz～315Hz）減振效果為23.5 dB，彈性安裝設(shè)備低頻段（10Hz～315Hz）減振效果為37.0dB。

圖3 浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)（低頻段）

4.2.2 中高頻段減振效果分析

如圖4 所示，筏架結(jié)構(gòu)上剛性安裝設(shè)備中高頻（315Hz～8000Hz）減振效果為27.1dB，彈性安裝設(shè)備中高頻（315Hz～8000Hz）減振效果為52.2dB。

4.3 不同安裝位置隔振器振動(dòng)響應(yīng)分析

筏架下部不同安裝位置隔振器振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖5 所示。如圖所示，不同安裝位置隔振器振動(dòng)響應(yīng)有一定的差異，但振動(dòng)響應(yīng)曲線整體趨勢(shì)基本一致。說明已采取的優(yōu)化設(shè)備及隔振器布置措施使隔振器受力均勻，有效控制了各隔振器振動(dòng)響應(yīng)不均勻度。

圖4 浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)（中高頻段）

圖5 不同安裝位置隔振器振動(dòng)響應(yīng)

5 結(jié)論

本文針對(duì)集中質(zhì)量復(fù)雜浮筏隔振系統(tǒng)開展了浮筏隔振方案研究工作，提出了集成質(zhì)量系統(tǒng)浮筏隔振設(shè)計(jì)原則，結(jié)合隔振系統(tǒng)靜力學(xué)特性分析、隔振系統(tǒng)固有頻率分析、減振效果分析等，形成了合理可行的集中質(zhì)量系統(tǒng)集成浮筏隔振方案。

分析結(jié)果表明，采用浮筏隔振后動(dòng)力裝置減振效果明顯優(yōu)于單層隔振。本文工作可為動(dòng)力裝置集中質(zhì)量系統(tǒng)浮筏隔振設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。