船用立式高壓空壓機(jī)振動(dòng)分析與試驗(yàn)研究

朱寶慶，張志恒，張成彥，李小仨，邢志勝，譚躍進(jìn)

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

0 引言

近年來，我國(guó)船舶工業(yè)蓬勃發(fā)展，對(duì)船用空壓機(jī)的性能要求也越來越高，尤其體現(xiàn)在振動(dòng)降噪、抗沖擊以及可靠性等方面［1］。船用高壓空壓機(jī)一般通過隔振裝置與甲板彈性連接，空壓機(jī)組、隔振裝置（單層隔振和雙層隔振）及甲板形成一個(gè)單元體，稱之為振動(dòng)系統(tǒng)。

振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)強(qiáng)度通常用振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度來表示［2］。振動(dòng)位移具體地反映了振動(dòng)幅度的大小，振動(dòng)速度反映了能量的大小，振動(dòng)加速度反映了沖擊力的大小。也可以認(rèn)為，在低頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與位移成正比；在中頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與速度成正比；在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與加速度成正比。鑒于此及使用條件，該機(jī)組除了用振動(dòng)烈度衡量外，還用機(jī)腳振動(dòng)總振級(jí)以及機(jī)腳在各個(gè)中心頻率的加速度來綜合考量振動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)高壓空壓機(jī)組在振動(dòng)指標(biāo)上的要求主要體現(xiàn)在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)加速度總振級(jí)不得大于規(guī)定值；

（2）在額定工況下，空壓機(jī)主機(jī)機(jī)腳在20～10 kHz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度不得高于GJB 763.2-89［3］（或技術(shù)協(xié)議）規(guī)定的限值要求；

（3）隔振裝置的隔振效果在低、中、高各頻段均要滿足要求。

本文以某船用立式高壓空壓機(jī)為研究對(duì)象，從積極減振和消極隔振2個(gè)維度進(jìn)行振動(dòng)分析和試驗(yàn)研究。積極減振就是消除或減小空壓機(jī)本身的激振力；消極隔振通常指用基礎(chǔ)或減振器對(duì)空壓機(jī)組的振動(dòng)進(jìn)行限制。理論上講，當(dāng)立式空壓機(jī)的兩列往復(fù)質(zhì)量相等時(shí)，其一階往復(fù)慣性力可自動(dòng)平衡，但由于雙列結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)兩列之間有一定間距，導(dǎo)致一階慣性力矩的存在，這就是該空壓機(jī)的激振力，主動(dòng)減振就是要對(duì)引起振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)該盡量使一階慣性力矩達(dá)到平衡，減小激振力。

該空壓機(jī)組采用雙層隔振裝置進(jìn)行減振，用以減小傳導(dǎo)到船體上的振動(dòng)。需通過理論分析，提出空壓機(jī)與隔振裝置的多種組合方案，在模擬試驗(yàn)裝置上對(duì)各方案進(jìn)行振動(dòng)效果測(cè)試，從消極隔振角度考慮，尋求與空壓機(jī)最佳耦合的隔振裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)振動(dòng)性能最佳。

1 振動(dòng)機(jī)理

空壓機(jī)主機(jī)為兩列立式曲柄連桿機(jī)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速1 200 r/min。由于未被平衡的一階慣性力矩和附加旋轉(zhuǎn)慣性力矩的存在，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，通常用基礎(chǔ)或減振器進(jìn)行限制。

1.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)與激振力

高壓空壓機(jī)主機(jī)為立式、雙列、單作用往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩氣缸中心線平行，曲拐錯(cuò)角180°。機(jī)組減振裝置為雙層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 某立式高壓空壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2 某立式高壓空壓機(jī)機(jī)組

假定兩列往復(fù)質(zhì)量完全相等，根據(jù)《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》［4］，慣性力和慣性力矩分別為：

一階往復(fù)慣性力：

二階往復(fù)慣性力：

一階慣性力矩：

式中 ms——單列往復(fù)質(zhì)量，kg；

r ——曲柄半徑，m；

ω ——曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

λ——曲柄半徑連桿比；

θ ——曲柄轉(zhuǎn)角，°；

a ——兩列氣缸中心間距，m。

二階慣性力矩：

旋轉(zhuǎn)慣性力：旋轉(zhuǎn)慣性力矩：

式中 mr——單列旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，kg。

當(dāng)兩列往復(fù)質(zhì)量完全相等時(shí)，一階往復(fù)慣性力IⅠ、旋轉(zhuǎn)慣性力Ir、二階慣性力矩MⅡ均為0，所以設(shè)計(jì)制造時(shí)要保證兩列往復(fù)質(zhì)量盡可能相等。一階慣性力矩、旋轉(zhuǎn)慣性力矩和二階往復(fù)慣性力是引起振動(dòng)的主要激發(fā)源，其中一階慣性力矩?cái)?shù)值較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

旋轉(zhuǎn)慣性力矩Mr可以在曲柄相反方向上加一平衡重，以平衡掉旋轉(zhuǎn)慣性力矩。所加平衡質(zhì)量mo應(yīng)滿足：moro=mrr。其中ro為平衡重中心的旋轉(zhuǎn)半徑；mo為平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡重質(zhì)量。

一階慣性力矩的平衡可以在曲柄銷的反方向加一平衡重，但同時(shí)又增加了一個(gè)不平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩，這是一對(duì)矛盾。所以只能再加一個(gè)比較小平衡重，平衡掉一部分一階慣性力矩的同時(shí)又保證新產(chǎn)生的不平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩不至過大。事實(shí)上，該平衡塊與旋轉(zhuǎn)慣性力矩平衡塊為一整體，可以用下式來計(jì)算總的單個(gè)平衡質(zhì)量：

式中 Mb——單個(gè)平衡塊質(zhì)量，kg；

rb——平衡塊中心到主軸的距離，m；

k —— 一階慣性力矩平衡系數(shù)，一般取0.30～0.50，通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

二階往復(fù)慣性力ⅠⅡ是周期性變化的，而方向始終處于水平方向，所以不能用加平衡重的方法來加一平衡。未被平衡的慣性力和力矩是產(chǎn)生振動(dòng)的激振力，在該空壓機(jī)中，增加了一中間軸承座，在皮帶輪側(cè)采取雙滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)也是為了減小激振力，也是積極隔振的有效措施。

1.2 振動(dòng)機(jī)理

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，其振動(dòng)特性可以用下列方程描述：

式中 Z ——振動(dòng)位移，m；

c ——阻尼系數(shù)；

m ——主機(jī)重量，kg；

ωn——系統(tǒng)固有頻率，Hz；

n ——主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

I —— 不平衡慣性力（力矩轉(zhuǎn)換成作用在軸承受力），N；

Am——振幅，m；

θ0——初始相位角，°；

V ——振動(dòng)速度，m/s；

a ——振動(dòng)加速度m/s2；

Kz——系統(tǒng)剛性系數(shù)；

ω ——空壓機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)頻率；

μ ——阻尼比。

由此可以看出，減小激振力，可以減小振動(dòng)振幅、位移、速度、加速度。增加剛度具有兩面性，一方面可降低振幅，見式（12）；另一方面會(huì)引起系統(tǒng)固有頻率增加，從而導(dǎo)致振動(dòng)速度、加速度增加。增加重量，可以降低系統(tǒng)固有頻率，但同時(shí)降低了阻尼比μ，會(huì)導(dǎo)致振幅增大。一般來說，增加重量可以降低振動(dòng)速度、加速度。

1.3 固有頻率與旋轉(zhuǎn)頻率

系統(tǒng)固有頻率ωn與系統(tǒng)的剛性系數(shù)和系統(tǒng)質(zhì)量有關(guān)，旋轉(zhuǎn)頻率ω是壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，該機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率為20 Hz。當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率與固有頻率相等時(shí)，其振幅、速度及加速度都很大，即產(chǎn)生了共振現(xiàn)象，機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮并通過設(shè)計(jì)手段避開共振。

2 隔振裝置

空壓機(jī)組采用雙層隔振裝置如圖2所示，上層為4只橡膠減振器，與空壓機(jī)底架連接；下層有6只橡膠彈簧組合減振器，和船的甲板連接；兩層隔振通過中間質(zhì)量塊連接。

一般來說，對(duì)于彈性安裝的船用空壓機(jī)組，隔振裝置能吸收空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，使傳遞到甲板上振動(dòng)減小，提高其隱身性；另一方面隔振裝置會(huì)放大空壓機(jī)的機(jī)腳加速度，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均不相等，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)均滿足要求。所以空壓機(jī)結(jié)構(gòu)不同采用的隔振裝置也不同。

3 振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

為了解決整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)的振動(dòng)問題，專門建立了模擬船上安裝狀態(tài)的試驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室按照文獻(xiàn)［5-6］的試驗(yàn)方法進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。

（1）空壓機(jī)主機(jī)運(yùn)動(dòng)件優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)主機(jī)的曲柄、連桿、活塞機(jī)構(gòu)各件（包括配重）的重量及重心進(jìn)行精確測(cè)量?jī)?yōu)化平衡，在同一隔振裝置上，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見如圖3所示。（試驗(yàn)條件：兩列往復(fù)質(zhì)量相等，一階慣性力矩平衡系數(shù) k=0.35，0.40，0.45，0.50）

圖3 壓縮機(jī)平衡重增加重量后測(cè)試結(jié)果

（2）通過減小下層隔振器剛度（彈簧鋼絲直徑由20 mm減小到19 mm），改變機(jī)組的固有頻率，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 減小下層隔震器剛度（改變彈簧直徑）后測(cè)試結(jié)果

（3）通過增加上層彈簧的預(yù)壓縮量（5，10，15 mm）和限位的方法，改變減震彈簧的行程（如圖5所示），并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 改變彈簧預(yù)緊力機(jī)構(gòu)

圖6 增加上層彈簧預(yù)壓縮量后測(cè)試結(jié)果

（4）將上層隔振器取下，空壓機(jī)通過4只鋼質(zhì)墊塊與中間質(zhì)量塊連接，改變隔振裝置的阻尼量，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 將上層減震器改為鐵塊連接后測(cè)試結(jié)果

（5）將上層隔振器改為橡膠隔振器（剛度1 450 000 N/mm、固有頻率fn 8.7 Hz）振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 上層隔震器改為減震器后測(cè)試結(jié)果

（6）通過增加空壓機(jī)底座剛度的方式，改變機(jī)組支撐的邊界條件，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 增加空壓機(jī)底座剛度后測(cè)試結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

因?yàn)樵黾恿嘶A(chǔ)的重量和剛度。

最終，空壓機(jī)組優(yōu)化后的減振方案為：增加平衡塊重量，使一階慣性力矩達(dá)到最佳平衡；對(duì)空壓機(jī)底座（基礎(chǔ)）進(jìn)行加厚加固；采用雙層隔振（上層為硬質(zhì)橡膠減振塊，下層為彈簧和橡膠的組合體）。測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求（見表6）。需要指出的是機(jī)組的機(jī)腳振動(dòng)加速度在20 Hz中心頻率時(shí)仍較大，這是因?yàn)樵摍C(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)頻率為20 Hz，是不可避免的，也是技術(shù)協(xié)議允許的。

5 結(jié)論

試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖3～4和圖6～9，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）隨著一階慣性力矩平衡系數(shù)k的增大，機(jī)腳加速度、總振級(jí)都有所降低，而當(dāng)k由0.45增至0.50時(shí)，振動(dòng)效果基本一樣，可以認(rèn)為一階慣性力矩平衡系數(shù)為0.50時(shí)空壓機(jī)主機(jī)振動(dòng)效果最佳。由于機(jī)構(gòu)空間的限制，取k=0.45。

（2）降低下層隔振器剛度，總振級(jí)有所下降，但機(jī)腳加速度突變點(diǎn)個(gè)數(shù)和峰值沒有減小，這說明該方法只能改變振動(dòng)加速度的頻率分布，而不能使振動(dòng)和隔振效果有實(shí)質(zhì)性的改善。

（3）隨著上層彈簧的預(yù)壓縮量的增加，總振級(jí)和機(jī)腳加速度都有所降低，但隔振器的隔振效果也有所下降。這是因?yàn)榭諌簷C(jī)通過上層彈簧與隔振裝置的中間質(zhì)量塊連接，可以認(rèn)為中間質(zhì)量塊的一部分重量疊加到空壓機(jī)上，使空壓機(jī)重量增加，彈簧預(yù)緊力越大，疊加的重量越大。這樣系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)發(fā)生了改變。特別地，當(dāng)預(yù)緊力很大時(shí)，可以認(rèn)為中間塊的質(zhì)量完全疊加到空壓上，雙層隔振也就成了單層隔振了。

（4）當(dāng)空壓機(jī)通過4個(gè)鋼塊與中間質(zhì)量塊連接時(shí)，事實(shí)上該隔振裝置也就基本成了單層隔振，也就是試驗(yàn)（3）的極限情況，總振級(jí)和機(jī)腳加速度都有明顯下降，但隔振裝置隔振效果較差，不能滿足要求。

（5）將上層隔振器改為剛度較大的橡膠隔振塊，機(jī)腳加速度和總振級(jí)與單層隔振相比雖然稍有增加，但也在允許范圍內(nèi)，重要的是提高了隔振裝置的隔振效果，滿足要求。

（6）將空壓機(jī)底座（基礎(chǔ)）鋼板加厚，并在局部增加加強(qiáng)筋，振動(dòng)效果進(jìn)一步得到改善。這是

（1）消除或減小空壓機(jī)主機(jī)未被平衡的往復(fù)慣性力和慣性力矩是主動(dòng)減振的主要手段。

（2）隔振裝置的型式與空壓機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)，不同結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)采用不同型式的隔振裝置。

（3）對(duì)于采用雙層隔振裝置的立式空壓機(jī)組來說，上下兩層應(yīng)采用（剛度、阻尼）不同的隔振塊，上層隔振器的剛度要大，下層隔振器的剛度要小，才能使機(jī)腳振動(dòng)加速度和隔振效果均滿足要求。

（4）減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將空壓機(jī)底座（基礎(chǔ)）作為彈性體來考慮，空壓機(jī)底架、安裝甲板平整，二者連接可靠，也可減小振動(dòng)。