高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案及振動(dòng)特性分析研究

劉立志　王禹　蔡龍奇　劉佳　趙悅

【摘 要】泵類設(shè)備是重要的振動(dòng)噪聲源，單層隔振的減振效果有限，難以適應(yīng)越來越嚴(yán)格的減振降噪要求。為進(jìn)一步降低高溫高壓系統(tǒng)泵的振動(dòng)傳遞，本文針對(duì)管路剛性連接的高溫高壓泵開展了浮筏隔振方案研究，將四臺(tái)泵彈性安裝在一個(gè)浮筏筏架上，并將筏架通過隔振器安裝在基座上，對(duì)筏架重量、隔振器參數(shù)、安裝基礎(chǔ)等進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了浮筏隔振系統(tǒng)的參數(shù)，并探究了管路連接剛度對(duì)振動(dòng)傳遞特性的影響規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】高溫高壓系統(tǒng)泵;浮筏隔振;功率流傳遞

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.015

0 引言

泵類設(shè)備是動(dòng)力系統(tǒng)的重要振動(dòng)噪聲源，降低泵類設(shè)備的振動(dòng)傳遞包括振源控制及傳遞路徑隔振兩個(gè)方面，目前已從水力分析、電機(jī)設(shè)計(jì)、低振動(dòng)制造裝配等方面進(jìn)行了低振動(dòng)泵設(shè)計(jì)工作，取得了一定的效果，但泵單層隔振系統(tǒng)減振效果有限，難以適應(yīng)越來越嚴(yán)格的減振降噪要求。

浮筏隔振系統(tǒng)的減振效果優(yōu)于單層隔振，我國浮筏裝置技術(shù)的研究始于上世紀(jì)八十年代，首臺(tái)船用浮筏裝置于1994年研制成功，首先在豪華游船上使用，隨后在艦船上推廣應(yīng)用[1-3]。國內(nèi)相關(guān)科研院所也對(duì)浮筏裝置技術(shù)開展了大量研究[4-5]。目前國內(nèi)已掌握浮筏隔振設(shè)計(jì)方法，針對(duì)浮筏結(jié)構(gòu)參數(shù)、隔振器參數(shù)、基礎(chǔ)剛度對(duì)浮筏減振效果的影響開展了相對(duì)深入的研究[6-7]。

國內(nèi)前期減振降噪工作主要圍繞進(jìn)出口采用彈性連接的設(shè)備開展，尚未深入研究設(shè)備進(jìn)出口管道連接剛度對(duì)浮筏減振效果的影響。而高溫高壓系統(tǒng)泵進(jìn)出口管路采用焊接連接，管路連接剛度對(duì)泵浮筏設(shè)計(jì)的影響不能忽略，需結(jié)合管路進(jìn)出口連接剛度開展泵浮筏隔振技術(shù)研究，為后續(xù)浮筏隔振技術(shù)在高溫高壓系統(tǒng)泵類設(shè)備的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步降低高溫高壓系統(tǒng)泵振動(dòng)傳遞，本文考慮管路連接剛度開展了浮筏隔振方案研究，以激勵(lì)點(diǎn)到安裝基礎(chǔ)的振動(dòng)位移頻率-響應(yīng)特性為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)筏架重量、隔振器參數(shù)、安裝基礎(chǔ)等進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了浮筏隔振系統(tǒng)參數(shù)。基于有限元分析方法，對(duì)有、無管路連接剛度條件下筏架的模態(tài)、減振效果進(jìn)行對(duì)比分析，并且對(duì)振動(dòng)特性、功率流傳遞特性進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了管路連接剛度對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響規(guī)律。

1 高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案研究

1.1 高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案

高溫高壓系統(tǒng)泵質(zhì)量為M，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。綜合考慮泵重量、外形尺寸及布置空間限制等因素，開展了高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案論證，將四臺(tái)高溫高壓系統(tǒng)泵并列布置在一個(gè)公共筏架上，為降低重心高度，泵通過支承支架和上層隔振器安裝在筏架上，筏架通過下層隔振器固定在安裝基座上，泵進(jìn)出口管路采用焊接方式連接。

基于有限元分析方法，建立的高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。高溫高壓系統(tǒng)泵、筏架結(jié)構(gòu)均采用Solid45單元模擬，隔振器采用三向阻尼彈簧單元Combine14模擬，泵浮筏安裝基座采用Shell63單元并賦予厚度參數(shù)模擬。

根據(jù)系統(tǒng)典型運(yùn)行工況，對(duì)兩臺(tái)泵施加激勵(lì)力，以泵激勵(lì)點(diǎn)到安裝基礎(chǔ)的振動(dòng)位移頻響函數(shù)曲線為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)筏架重量、隔振器剛度阻尼參數(shù)以及安裝基座進(jìn)行優(yōu)化。

利用系統(tǒng)頻響函數(shù)矩[H（ω）]陣對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞規(guī)律進(jìn)行分析。線性定常系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)與載荷之間有如下關(guān)系：{x}=[H（ω）]{F}（1）

式中，{X}為響應(yīng)譜向量，{F}為載荷譜向量，[H（ω）]即為頻響函數(shù)矩。

將{F}定義為垂直方向的單位載荷譜向量，通過譜分析獲得的系統(tǒng)響應(yīng)譜向量{X}即與系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩[H（ω）]為同一數(shù)值，通過系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩[H（ω）]可對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)頻率-響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振系統(tǒng)上層隔振器仍沿用原單層隔振設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合《艦船動(dòng)力設(shè)備隔振裝置通用規(guī)范》隔振器剛度匹配建議，提出上下層隔振器初步參數(shù)如表1所示。

1.2 筏架重量參數(shù)優(yōu)化

浮筏隔振系統(tǒng)振源設(shè)備為四臺(tái)高溫高壓系統(tǒng)泵，總重量約為4M，在有限元模型分析中通過調(diào)節(jié)筏架的密度來達(dá)到改變筏架重量的目的，筏架結(jié)構(gòu)及楊氏模量等參數(shù)保持不變。

對(duì)1#、4#泵施加10Hz～8000Hz頻段單位激勵(lì)力，得到不同筏架重量下下層隔振器下端與安裝基礎(chǔ)連接處的振動(dòng)位移響應(yīng)。為對(duì)比不同浮筏筏架重量下1#、4#泵重心點(diǎn)處到浮筏下層隔振器下安裝面處的位移傳遞函數(shù)，將不同重量作為參變量獲得下層隔振器下表面處的頻率—振動(dòng)位移響應(yīng)曲線，提取隔振器下的位移響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，具體如圖2所示。

當(dāng)筏架重量為0.3倍振源重量時(shí)曲線中存在幅值明顯的振動(dòng)位移峰值，筏架重量為0.4倍以上的振源重量時(shí)峰值明顯降低;綜合對(duì)比不同隔振器下表面振動(dòng)位移響應(yīng)曲線可知，筏架重量為0.5倍振源重量和0.6倍振源重量區(qū)間內(nèi)振動(dòng)位移響應(yīng)較小。

結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，將浮筏筏架質(zhì)量設(shè)計(jì)為0.55M。

1.3 下層隔振器剛度及阻尼參數(shù)優(yōu)化

將表1中的下層隔振器剛度及阻尼參數(shù)用K和C進(jìn)行表示，如表2所示，對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)下層隔振器分別設(shè)定不同的剛度阻尼參數(shù)，對(duì)不同剛度阻尼參數(shù)下的浮筏隔振系統(tǒng)的傳遞特性進(jìn)行分析。

為對(duì)比不同隔振器剛度阻尼參數(shù)下1#、4#泵重心點(diǎn)處到浮筏下層隔振器下安裝面處的位移傳遞函數(shù)，將不同剛度、阻尼參數(shù)作為參變量獲得下層隔振器下表面處的頻率—振動(dòng)位移響應(yīng)曲線，提取隔振器下的位移響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，具體如圖3所示。

由圖3可知，浮筏隔振系統(tǒng)上、下層隔振器剛度應(yīng)合理匹配，上下層剛度不匹配的情況下無論增加或減小隔振器剛度值均會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)傳遞的增大。

1.4 浮筏安裝基座阻抗影響分析

高溫高壓系統(tǒng)泵的振動(dòng)通過浮筏筏架和隔振器傳遞到安裝基座結(jié)構(gòu)上，安裝基座的基礎(chǔ)阻抗對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)的減振效果具有重要的影響。通過調(diào)節(jié)浮筏安裝基座面板的厚度來改變基礎(chǔ)阻抗參數(shù)，獲得基礎(chǔ)阻抗對(duì)浮筏減振效果的影響規(guī)律。不同基座面板厚度浮筏隔振器下振動(dòng)位移響應(yīng)曲線如圖4所示。

如圖4所示，浮筏隔振系統(tǒng)安裝基礎(chǔ)阻抗越大，由系統(tǒng)傳遞到基礎(chǔ)上的振動(dòng)位移越小，這種現(xiàn)象在高頻段內(nèi)更為明顯。在浮筏隔振系統(tǒng)基座設(shè)計(jì)中應(yīng)通過增加肋板數(shù)量、增加板材厚度等措施增大安裝基座阻抗值，以加大下層隔振器與安裝基座之間的阻抗失配度。

2 浮筏隔振系統(tǒng)參數(shù)及模態(tài)分析

2.1 浮筏隔振系統(tǒng)參數(shù)

通過浮筏筏架重量優(yōu)化、隔振器剛度及阻尼參數(shù)優(yōu)化、安裝基座阻抗分析，綜合考慮工程可行性，提出了高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）筏架重量為0.55M;

（2）浮筏隔振系統(tǒng)隔振器技術(shù)參數(shù)如表1所示;

（3）浮筏安裝基礎(chǔ)為45mm的板式支承結(jié)構(gòu)。

2.2 浮筏隔振系統(tǒng)模態(tài)分析

（1）筏架結(jié)構(gòu)固有頻率分析

浮筏筏架結(jié)構(gòu)前兩階固有頻率為37.8 Hz、54.0 Hz，避開了泵的主要激勵(lì)頻率（16.7 Hz、49.5 Hz），且無局部振型出現(xiàn)，表明筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（2）系統(tǒng)固有頻率分析

浮筏隔振系統(tǒng)有無管路連接狀態(tài)下的模態(tài)對(duì)比分析如表3所示。

由表3可知，施加管路連接剛度改變了浮筏隔振系統(tǒng)的固有頻率，使各階固有頻率值均有所提高。

3 浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

3.1 浮筏減振效果分析

基于ansys諧響應(yīng)分析模塊對(duì)系統(tǒng)在有、無管路連接狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，對(duì)1#泵和4#泵的重心處同時(shí)施加豎直方向的激勵(lì)力進(jìn)行掃頻，使得泵機(jī)腳振動(dòng)加速度響應(yīng)與出廠測試值相當(dāng)，以模擬1#、4#泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況。

高溫高壓系統(tǒng)泵額定運(yùn)轉(zhuǎn)工況下浮筏隔振系統(tǒng)減振效果如表4所示。

由表4可知，無管路連接剛度下，高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏減振效果達(dá)到36.9dB;有管路連接剛度時(shí)泵的浮筏減振效果相對(duì)于無管路連接剛度時(shí)高約3dB。初步分析是由于施加管路連接剛度后，增加了泵進(jìn)出口處振動(dòng)能量傳遞路徑，部分能量通過管路連接傳遞出去，施加管路連接剛度時(shí)泵的浮筏減振效果略好。

3.2 管路剛性連接系統(tǒng)功率流傳遞特性分析

為了驗(yàn)證施加管路連接剛度增加了能量傳遞路徑的觀點(diǎn)，基于功率流傳遞分析，從能量傳遞角度對(duì)高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振系統(tǒng)開展了分析。

功率流分析方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它同時(shí)考慮到了結(jié)構(gòu)上的力和速度兩個(gè)量值，因而也就考慮到了結(jié)構(gòu)的阻抗特性。功率作為一種單一量值，可以清楚顯示出能量的傳遞路徑及大小。

將振動(dòng)速度響應(yīng)與節(jié)點(diǎn)內(nèi)力帶入功率流表達(dá)式，得到各節(jié)點(diǎn)處的功率流曲線，為了方便表示，對(duì)功率流曲線進(jìn)行簡單的歸一化處理，得到上層隔振器上端節(jié)點(diǎn)以及泵進(jìn)出口管路功率流曲線，如圖5所示。

由圖5（A）和可知，有無管路連接剛度上層隔振器上端功率流基本保持不變;由圖5（B）可知，在有管路連接剛度情況下，泵進(jìn)口處功率流增加，泵出口處功率流也有一定的增加。驗(yàn)證了施加管路連接剛度增加了能量的傳遞路徑，使得部分振動(dòng)能量從管路連接傳遞出去的觀點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文以泵激勵(lì)點(diǎn)到安裝基礎(chǔ)的振動(dòng)位移頻率-響應(yīng)特性函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)筏架重量、上下層隔振器參數(shù)、安裝基礎(chǔ)參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化，提出了合理可行的高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案。

針對(duì)高溫高壓系統(tǒng)泵浮筏隔振方案開展了固有頻率分析、減振效果分析，分析表明浮筏減振效果≥35dB，減振效果良好;針對(duì)高溫高壓系統(tǒng)泵管路剛性連接的典型特點(diǎn)，基于功率流分析方法開展了管路連接剛度對(duì)于浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞影響規(guī)律的研究，分析結(jié)果表明高能連接管路是振動(dòng)的重要傳遞通道，在減隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮管路連接剛度的影響。

本文工作可為高溫高壓系統(tǒng)泵類設(shè)備的減隔振設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

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