艦船多機(jī)組設(shè)備減振特性研究

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

艦船動(dòng)力裝置的振動(dòng)噪聲嚴(yán)重影響艦船的隱身性、機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行和船上人員的舒適性。為此，減振降噪研究越來越受到關(guān)注，隔離技術(shù)作為降低機(jī)械設(shè)備通過基座傳遞結(jié)構(gòu)噪聲的主要方法，在艦船結(jié)構(gòu)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。研究表明：?jiǎn)螌痈粽竦哪芰繐p耗一般在10～20 dB，而雙層隔振裝置的隔振性能要明顯優(yōu)于單層隔振裝置，特別是在高頻段，雙層隔振效率要比單層隔振高出10～20 dB。浮筏隔振則可以使艦艇的機(jī)械輻射噪聲減小20～40 dB[1]，為了進(jìn)一步提高隔振效果，目前多層隔振及艙筏隔振等新形式的浮筏隔振也受到學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]中實(shí)船測(cè)量了船艙浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞和水下聲輻射，分析了船舶運(yùn)載、動(dòng)力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工況和管系對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)的影響，浮筏系統(tǒng)取得了近 40dB 的隔振效果。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了桁架浮筏，將平置式浮筏發(fā)展為空間浮筏，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)桁架浮筏比平置式板架浮筏隔振性能提高 3～9 dB。

以艦船機(jī)艙設(shè)備中典型的柴油機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)和電機(jī)縮小模型為動(dòng)力設(shè)備研究對(duì)象，以船體機(jī)艙底板結(jié)構(gòu)為安裝平臺(tái)，分別對(duì)四者進(jìn)行了單層、雙層及浮筏隔振設(shè)計(jì)，從理論分析及實(shí)驗(yàn)分析兩方面進(jìn)行研究。

1 隔振系統(tǒng)模型

在隔振臺(tái)架設(shè)計(jì)中，根據(jù)所選擇設(shè)備的質(zhì)量及轉(zhuǎn)速，水泵機(jī)采用單層隔振，柴油機(jī)采用雙層隔振，風(fēng)機(jī)-電機(jī)采用浮筏隔振。其中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最強(qiáng)的擾動(dòng)頻率在30 Hz附近，于是，按照隔振設(shè)計(jì)的一般原則，確定柴油機(jī)組隔振裝置垂向振動(dòng)的設(shè)計(jì)頻率在13～15 Hz的范圍內(nèi)；空壓機(jī)固有頻率為50 Hz，單層隔振設(shè)計(jì)其垂向振動(dòng)的固有頻率在20～25 Hz之間；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，綜合考慮風(fēng)機(jī)-電機(jī)浮筏隔振裝置垂向振動(dòng)的設(shè)計(jì)頻率在10～14 Hz的范圍內(nèi)。隔振器的橫向或水平剛度也應(yīng)該選得相對(duì)低些，以保證隔離水平方向的激勵(lì)力。

以風(fēng)機(jī)-電機(jī)系統(tǒng)為例，進(jìn)行浮筏隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。遵循浮筏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，根據(jù)計(jì)算，最終風(fēng)機(jī)下選用4個(gè)BE-10型減振器，電機(jī)下選用4個(gè)BE-15型減振器，筏架下選用6個(gè)BE-25型橡膠隔振器，筏架與機(jī)組的質(zhì)量比為0.75，滿足要求。由于筏架用于支撐3個(gè)隔振系統(tǒng)，在浮筏設(shè)計(jì)中，另外2個(gè)隔振體系的質(zhì)量都可以看作是該系統(tǒng)的附加質(zhì)量，因此相當(dāng)于增大了中間質(zhì)量，隔振效果會(huì)更好。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，為了模擬船體結(jié)構(gòu)在水中的自由狀態(tài)，將機(jī)艙結(jié)構(gòu)的支撐方式設(shè)計(jì)為低頻隔離系統(tǒng)，即在基座下方安裝4個(gè)自振頻率很低的空氣彈簧隔振器，這樣既能很好地反映船體的實(shí)際狀態(tài)，又可以減少設(shè)備的振動(dòng)通過船體結(jié)構(gòu)傳遞到地面。

利用有限元分析軟件，建立機(jī)艙輔機(jī)設(shè)備浮筏隔振臺(tái)架的計(jì)算模型。建模中，對(duì)臺(tái)架系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理：各機(jī)組選用SOLID實(shí)體單元，在總體尺寸相同以及質(zhì)量不變的原則下確定其密度；筏體、艙室基座屬于框架結(jié)構(gòu)，分別選用不同厚度的SHELL板殼單元，下層基座長1.9 m，寬為1.0 m；各減振器分別采用3個(gè)SPRING彈簧單元，以模擬其在不同方向上的剛度與阻尼[4]。見圖1。

圖1 隔振系統(tǒng)的有限元模型

2 隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析

在上述建模的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)艙輔機(jī)設(shè)備浮筏隔振臺(tái)架系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析,其目的是了解隔振設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理，筏體結(jié)構(gòu)是否需要作進(jìn)一步調(diào)整。圖2給出了模態(tài)分析的部分結(jié)果。

圖2 臺(tái)架各機(jī)組的固有頻率

由圖2可見，空壓機(jī)作垂向剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)的頻率為21.7 Hz，柴油機(jī)作垂向剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)的頻率為13.4 Hz，風(fēng)機(jī)-電機(jī)作垂向剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)的頻率為13.9 Hz，均在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性分析

在振動(dòng)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性計(jì)算。由于艦船設(shè)備的激勵(lì)力難以測(cè)量，為了觀察理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否吻合，擬對(duì)機(jī)組加載實(shí)驗(yàn)測(cè)得的設(shè)備基座的振動(dòng)加速度。采用試驗(yàn)與基座計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)艦船設(shè)備激勵(lì)載荷進(jìn)行模擬[5]。試驗(yàn)中，分別在上層機(jī)組安裝點(diǎn)和下層基座上隔振器的連接點(diǎn)布置加速度傳感器，電機(jī)上布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，下層基座上布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖3。

圖3 浮筏隔振臺(tái)架及其測(cè)點(diǎn)

限于篇幅，僅給出了在開啟電機(jī)工況下的理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試得出的部分測(cè)點(diǎn)的結(jié)果對(duì)比曲線，電機(jī)測(cè)點(diǎn)為1號(hào)點(diǎn)，基座的測(cè)試點(diǎn)選擇為2號(hào)點(diǎn)。理論計(jì)算中，也選取相同的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

有限元計(jì)算得到的浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果見圖4。

圖4 浮筏隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差

由圖4可見，隔振設(shè)計(jì)在高頻段可以取得良好的效果。在低頻段，機(jī)械設(shè)備輸出力矩較大且存在筏體和基座的固有振動(dòng)，所以低頻段隔振效果欠佳，尤其在12 Hz附近，振級(jí)落差曲線上存在著負(fù)值，說明隔振系統(tǒng)的固有頻率在此范圍，與模態(tài)分析計(jì)算的結(jié)果正好吻合。

有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果對(duì)比見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)2的振級(jí)落差

由圖5可見，試驗(yàn)值與計(jì)算值在低頻段吻合較好，在大于200 Hz的高頻段誤差達(dá)到了10 dB以上，且隨著頻率升高，試驗(yàn)值趨于平穩(wěn)，而理論模型的振級(jí)落差仍呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)橛邢拊治鲋袑⒏粽衿骱?jiǎn)化為彈簧和阻尼器的模型來模擬實(shí)際橡膠隔振器，這種簡(jiǎn)化在低頻段是可行的。但是由于高頻段內(nèi)阻尼的駐波效應(yīng)越來越明顯，且隔振器的剛度也隨著頻率升高而增大，因此實(shí)際彈性單元與理想彈性單元的機(jī)械阻抗不再相同，且頻率越高差距會(huì)越大。由于兩者之間的峰值頻率基本一致，旋轉(zhuǎn)機(jī)械力較大的低頻幅值差距甚微，所以采用該理論方法來研究浮筏系統(tǒng)的隔振性能是可行的。

3 艦船艙段結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性研究

工程經(jīng)驗(yàn)表明：隔振系統(tǒng)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)大多有很好的隔振效果，裝船后的效果卻明顯變差。臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)船測(cè)試間存在著很大的差異，其原因在于設(shè)備基座與船體結(jié)構(gòu)的非剛性。為了估計(jì)船體結(jié)構(gòu)對(duì)空壓機(jī)組隔振效果的影響程度，在原有的浮筏裝置有限元模型的基礎(chǔ)上，引入艦船艙段的結(jié)構(gòu)模型，以便考慮船體的柔性效應(yīng)。

為了解船體的振動(dòng)特性，以便分析其對(duì)隔振系統(tǒng)的影響，首先需要計(jì)算浮筏隔振系統(tǒng)在裝船條件下的整體振動(dòng)模態(tài)。圖6 給出了整體的前兩階典型振動(dòng)模態(tài)(為了看清隔振系統(tǒng)的振動(dòng)情況，將艙壁和上層平臺(tái)隱藏)?？梢钥闯觯w的振動(dòng)模態(tài)都在83 Hz之上，避開了隔振系統(tǒng)的主要擾動(dòng)頻率，滿足隔振的基本要求。

圖6 隔振系統(tǒng)裝船后的整體振型

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用Full 方法對(duì)隔振系統(tǒng)裝船后的整體模型繼續(xù)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

首先假設(shè)簡(jiǎn)諧激振力作用在電機(jī)的中心處，激振力F= 1 000sin (ωt)，單位N，頻率的范圍從0～600 Hz。分別在電機(jī)機(jī)腳、基座面板及船體外板讀取振動(dòng)位移響應(yīng)數(shù)據(jù)，以求得由機(jī)組向外部的振動(dòng)傳遞關(guān)系。在進(jìn)行振動(dòng)傳遞特性分析時(shí)，為了取得較理想的結(jié)果，對(duì)某些設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以便了解其影響。這些參數(shù)包括：筏體的厚度、平臺(tái)的厚度等。為了對(duì)比裝船前后隔振效果的差異，首先給出浮筏隔振系統(tǒng)在2種情況下的振級(jí)落差曲線見圖7a)，可以發(fā)現(xiàn)裝船后振級(jí)落差曲線上在中高頻多了很多與艦船艙段局部振型相對(duì)應(yīng)的谷值，低頻區(qū)的隔振效果有了明顯改善，這是由于艦船艙段的加入增加了整體的剛度，使得模型整體的固有頻率后移，中高頻區(qū)域效果變差。

圖7 不同情況下的振級(jí)落差曲線

在艦船輻射噪聲的評(píng)價(jià)中，受到關(guān)注的是船體外殼的振動(dòng)響應(yīng)情況，為了對(duì)比不同工況下的隔振效果，圖7a)、b)、c)分別給出了機(jī)腳至艙段外殼點(diǎn)的振級(jí)落差。

圖7b)表明，增大隔振系統(tǒng)安裝平臺(tái)的厚度，低頻區(qū)影響甚微，100～300 Hz的頻率范圍內(nèi)曲線變平滑，說明隨著平臺(tái)厚度增加，局部振動(dòng)減弱，隨著頻率繼續(xù)升高，隔振效果變好，這是因?yàn)樵龃笃脚_(tái)厚度，相當(dāng)于增加了隔振系統(tǒng)基座的剛性，有利于隔振效果的增強(qiáng)。

圖7c)表明，浮筏隔振系統(tǒng)筏體的厚度增加有利于改進(jìn)隔振效果。艦船隔振設(shè)計(jì)中，在承重允許的情況下，適當(dāng)增加筏體質(zhì)量可以改進(jìn)隔振效果。實(shí)船運(yùn)行過程中，船用機(jī)械大都處于正常的運(yùn)行工況。

圖7d)給出了激勵(lì)源變化情況下的振動(dòng)特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)設(shè)計(jì)精良的機(jī)械隔振系統(tǒng)在共同作用的情況下，絕大多數(shù)頻段內(nèi)，隔振效果減弱，個(gè)別頻率上由于振動(dòng)相位抵消全部機(jī)械運(yùn)行會(huì)有利于隔振。

4 結(jié)論

實(shí)際的隔振器在高頻段與計(jì)算模型差距較大，由于阻尼駐波效應(yīng)的影響，高頻段仍采用簡(jiǎn)化的彈性和阻尼模型模擬實(shí)際隔振器不再合理，需要考慮質(zhì)量的影響，今后的研究可深入考慮此問題。

工程實(shí)驗(yàn)表明隔振系統(tǒng)在臺(tái)架試驗(yàn)和裝船實(shí)驗(yàn)時(shí)的效果有明顯差異，為了給出有工程應(yīng)用價(jià)值的理論結(jié)果，建立了隔振系統(tǒng)與艦船艙段耦合的整體模型，在動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，為了提高隔振系統(tǒng)的隔振效果，可適當(dāng)增加隔振體系安裝平臺(tái)的厚度，在滿足輕型化的前提下應(yīng)盡量增大中間體的質(zhì)量，在隔振設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)綜合考慮各機(jī)組共同作用的影響。

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