減小筏架變形的浮筏氣囊系統(tǒng)設(shè)計

秦文政，施 亮

(1.海軍工程大學(xué)振動與噪聲研究所，湖北武漢430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430033)

0 引 言

隨著浮筏氣囊隔振系統(tǒng)趨于大型化[1–2]，筏體結(jié)構(gòu)剛度不可避免的降低，容易產(chǎn)生彈性變形。在外界擾動作用下，筏架彈性形態(tài)會發(fā)生較大變化，造成筏上設(shè)備之間、設(shè)備與外接管路之間產(chǎn)生較大的相對位移，嚴重時容易超出其許用位移，危及設(shè)備運行安全，如圖1所示。通過優(yōu)化筏體結(jié)構(gòu)、調(diào)整氣囊承載分布可以一定程度上抵消外界擾動的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在筏體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[3–5]、筏架姿態(tài)平衡控制[6–8]、軸系對中控制[9–11]等方面開展了大量研究工作。

圖1 某大型浮筏氣囊隔振系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of a large floating raft air spring isolation device

然而，由于某些大型浮筏隔振系統(tǒng)軸系處未安裝氣囊隔振器，使得控制系統(tǒng)對該處筏架彈性變形的調(diào)節(jié)能力較差，為滿足高精度軸系對中要求，導(dǎo)致個別氣囊處于過承載狀態(tài)且氣囊承載分布均勻性較差，大大降低了控制系統(tǒng)對復(fù)雜工況的適應(yīng)性。因此，為減小筏架變形、提高氣囊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，必須對浮筏設(shè)備分布和氣囊布置方案進行設(shè)計。

本文在某船舶浮筏隔振裝置模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于位移參數(shù)識別的筏架彈性變形判別方法，并依據(jù)此方法研究了設(shè)備分布、氣囊支撐方式對筏架彈性變形和氣囊控制系統(tǒng)的影響，最后在試驗平臺上進行了部分驗證。研究成果可為浮筏設(shè)備分布和氣囊布置方案設(shè)計提供新的思路。

1 系統(tǒng)組成

在有限元軟件中建立某船舶大型浮筏隔振裝置模型，如圖2所示。筏體最大結(jié)構(gòu)尺寸為10 m×6.5 m×2 m，筏架及設(shè)備總質(zhì)量約360 t。在筏架上布置8個位移傳感器，其中1#～4#位于筏架四角，用于監(jiān)測筏架剛體姿態(tài)并作為筏架彈性變形的參考基準(zhǔn)，5#～8#位于筏架4條邊中部，用于監(jiān)測筏架彈性變形。

圖2 浮筏氣囊隔振系統(tǒng)示意圖Fig.2 The sketch of floating raft air spring isolation device

為方便研究，假設(shè)筏架處于理想狀態(tài)位置時，各位移傳感器讀數(shù)為0。

2 筏架彈性變形判別方法

筏架彈性變形是相對而言的。外界擾動作用下筏架產(chǎn)生的實際位移包含剛體姿態(tài)位移和彈性變形位移，兩者相互耦合，難以完全分離[12]。因此，研究筏架彈性變形問題前，必須選擇一個合適的參考基準(zhǔn)。

通常，氣囊控制系統(tǒng)將筏架四角高度作為筏架姿態(tài)平衡的控制參數(shù)，會優(yōu)先將其位移控制在精度指標(biāo)范圍內(nèi)，所以將1#～4#傳感器位移作為筏架彈性變形的參考基準(zhǔn)。為保證筏架彈性變形的判別準(zhǔn)確性，可先對參考基準(zhǔn)的有效性進行評估：

其中，x1～x4分別為筏架1#～4#位移傳感器讀數(shù)。Jx反映了筏架彈性變形參考基準(zhǔn)是否有效。

定義有效性判別精度σ 。若Jx≤ σ，則可認為筏架四角位移在同一平面內(nèi)，即筏架彈性變形參考基準(zhǔn)是有效的；反之，若Jx>σ，則表明筏架四角某處彈性變形較大，此時不能將其直接作為彈性變形參考基準(zhǔn)，需要選擇新的參考基準(zhǔn)。σ的取值與系統(tǒng)特性和筏架姿態(tài)控制精度有關(guān)。

當(dāng)Jx>σ時，筏架彈性變形參考基準(zhǔn)可按以下方法重新選?。?/p>

1）結(jié)合筏架5#、6#位移傳感器參數(shù)，找出1#～4#位移傳感器中彈性變形最大的位置。計算公式如下：

其中：Jx1～Jx4分別反映了1#～4#位移傳感器處筏架彈性變形的大小，其值越小，表明該處筏架彈性變形越大；x5，x6分別為筏架5#、6#位移傳感器讀數(shù)。

通過比較Jx1～Jx4數(shù)值大小即可找到1#～4#位移傳感器中彈性變形最大的位置。

2）去除1#～4#位移傳感器中筏架彈性變形最大的位移參數(shù)后，可將其他3個位移參數(shù)所在平面作為新的筏架彈性變形參考基準(zhǔn)，則各位移傳感器處的筏架彈性變形位移可用其實際位置到參考基準(zhǔn)面的距離表示，如圖3所示。?x5可表示為：

圖 3筏架彈性變形位移表示方法Fig.3 Theexpression method of elastic deformation displacement of raft

以5#位移傳感器為例，該處筏架彈性變形位移

式中：x5為5#位移傳感器讀數(shù)；x1和x3分別為筏架彈性變形參考基準(zhǔn)在1#和3#位移傳感器處的位移參數(shù)。

3 筏架變形影響因素分析

工程中，浮筏姿態(tài)平衡控制精度一般為±1 mm，若浮筏上有船舶主機，則要求主機與軸系對中精度在±0.5mm以內(nèi)[13]，結(jié)合本文研究的浮筏系統(tǒng)特性，取σ為0.25 mm進行浮筏氣囊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 浮筏設(shè)備分布的影響

根據(jù)設(shè)備質(zhì)量及振動時動態(tài)力大小，將浮筏設(shè)備分為以下3類：1）質(zhì)量較大且振動動態(tài)力也較大的設(shè)備，如主機等；2）質(zhì)量較小但振動動態(tài)力較大的設(shè)備，如主循環(huán)水泵等；3）質(zhì)量和振動動態(tài)力都比較小的設(shè)備。

將氣囊均勻布置在筏架兩舷側(cè)并保持各氣囊處于額定壓力。保持浮筏總載荷不變，其中90%均勻分布于整個筏架表面，10%作為設(shè)備振動動態(tài)力。在浮筏氣囊隔振系統(tǒng)有限元模型中，計算動態(tài)力分別位于筏架中心、左舷、尾部和頂角這4種方案下筏架的彈性變形，結(jié)果如表1所示。

表1 不同設(shè)備分布下筏架變形位移（mm）Tab.1 The elastic deformation displacement of raft in different equipment distribution (mm)

由表1可知，當(dāng)動態(tài)力位于筏架中心時，筏架變形位移最小。因此，從減小筏架變形的角度，設(shè)備在筏上分布的優(yōu)先級依次為：筏架中心>筏架舷側(cè)>筏架首、尾>筏架頂角。

調(diào)整氣囊壓力，使各方案筏架處于理想狀態(tài)位置的±0.5 mm以內(nèi)，各方案氣囊壓力調(diào)整幅度如圖4所示。

圖4 不同設(shè)備分布下氣囊壓力調(diào)整幅度Fig.4 The pressure adjustment range of air spring in different equipment distribution

由圖4可知，當(dāng)動態(tài)力位于筏架頂角時，單個氣囊壓力調(diào)整幅度最大約40%。由于氣囊正常壓力調(diào)整幅度不應(yīng)超出其額定壓力的±20%，所以從提高氣囊控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的角度，設(shè)備在筏上分布的優(yōu)先級依次為：筏架中心>筏架舷側(cè)>筏架首、尾>筏架頂角。

綜上，為減小筏架變形，并提高氣囊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，主機等質(zhì)量和振動動態(tài)力較大的設(shè)備應(yīng)盡量安裝在筏架中心位置，主循環(huán)水泵等質(zhì)量較小但振動動態(tài)力較大的設(shè)備優(yōu)先選擇布置在筏架舷側(cè)，最后根據(jù)筏上空間和質(zhì)量均勻分布原則確定其他設(shè)備的安裝位置。

3.2 氣囊數(shù)量的影響

在浮筏載荷均勻分布，各氣囊處于額定壓力的條件下，計算氣囊數(shù)量分別為20個、16個、12個和8個時筏架的彈性變形，其中各方案氣囊均勻布置在筏架兩舷側(cè)，筏架彈性變形計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同氣囊數(shù)量下筏架變形位移（mm）Tab.2 Theelastic deformation displacement of raft in different number of air springs (mm)

由表2可以看出，隨著氣囊數(shù)量的減小，5#，6#傳感器處筏架變形位移呈先減小后增大的趨勢，7#，8#傳感器處筏架變形基本不變。此外，氣囊數(shù)量為20個、16個時，5#，6#傳感器處筏架呈向上凸起的彈性形態(tài)；而當(dāng)氣囊數(shù)量為12個、8個時，該處筏架彈性形態(tài)變?yōu)橄蛳掳枷荨?/p>

由此可知，在浮筏載荷和氣囊承載都均勻的前提下，氣囊數(shù)量過多或過少都會增大筏架變形，甚至?xí)淖兎ぜ芫植繌椥孕螒B(tài)。

3.3 氣囊位置分布的影響

某些浮筏隔振系統(tǒng)軸系處筏架沒有氣囊隔振器支撐，表現(xiàn)出明顯的向下凹陷的彈性變形。為解決上述問題，考慮在軸系處增加氣囊隔振器，氣囊布置方案如下：

方案1采用12個氣囊，將其均勻布置在筏架兩舷側(cè)，作為對照方案；

方案2采用14個氣囊，其中12個均勻布置在筏架兩舷側(cè)，剩余2個分別布置在筏架首、尾部（靠近7#、8#位移傳感器）；

方案3采用14個氣囊，氣囊布置位置與方案2相同，但筏架首、尾2個氣囊不承載浮筏重量，僅用于調(diào)整筏架姿態(tài)。

在浮筏載荷均勻分布，各承載浮筏重量的氣囊處于額定壓力的條件下，計算上述各方案筏架的彈性變形，結(jié)果如表3所示。

表3 氣囊位置分布下筏架變形位移（mm）Tab.3 The elastic deformation displacement of raft in different air spring arrangement (mm)

從表3可知，方案2中5#，6#傳感器處筏架彈性變形位移較大，這表明當(dāng)浮筏載荷和氣囊承載分布均勻時，在筏架首、尾部增加用于承載浮筏重量的氣囊隔振器不利于減小筏架兩舷側(cè)中部的彈性變形。

從氣囊控制系統(tǒng)對軸系處筏架姿態(tài)的調(diào)節(jié)能力來比較上述各方案的優(yōu)劣。調(diào)整浮筏載荷使筏架偏載，其中95%的載荷均勻分布于整個筏架表面，5%的載荷分布于筏架尾部，通過調(diào)整氣囊壓力將筏架控制在理想狀態(tài)位置的±0.5mm以內(nèi)，各方案氣囊壓力調(diào)整幅度如圖5所示。

圖5 不同方案下氣囊壓力調(diào)整幅度Fig. 5 The pressure adjustment rangeof air spring in different schemes

由圖5可知，方案2氣囊壓力調(diào)整幅度明顯小于方案1，這表明在筏架首、尾部增加氣囊隔振器可以提高控制系統(tǒng)對軸系處筏架姿態(tài)的調(diào)節(jié)能力。此外，還可看出方案3主要通過調(diào)整筏架尾部氣囊即可將筏架控制在理想狀態(tài)位置的±0.5mm以內(nèi)，由于方案3中筏架首、尾部氣囊初始壓力為0，所以從提高控制系統(tǒng)對復(fù)雜工況適應(yīng)性的角度，方案3優(yōu)于方案2。

綜上，在筏架首、尾部增加僅用于調(diào)整筏架姿態(tài)的氣囊隔振器可以大大提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

4 試驗驗證

建立某船舶浮筏氣囊隔振裝置2∶1縮比試驗平臺。其中，筏架尺寸為5.5m×3.5m×0.2m，沿筏架兩舷側(cè)均勻布置20個氣囊隔振器，另布置8個位移傳感器，位置分布與圖2相同，通過1套液壓伺服加載裝置調(diào)整浮筏載荷，液壓缸布置在筏架四角位置。

根據(jù)試驗平臺特點，開展氣囊數(shù)量對筏架變形的影響試驗，試驗方案與3.2節(jié)保持一致。各方案位移傳感器試驗數(shù)據(jù)如圖6所示，筏架變形位移見表4。

圖6 氣囊數(shù)量對筏架變形的影響Fig.6 The influenceof air spring quantity on raft elastic deformation

表4 各方案筏架變形位移試驗值（mm）Tab.4 Experimental values of elastic deformation displacement of raft in each scheme (mm)

由圖6和表4可知，隨著氣囊數(shù)量的減小，筏架變形位移呈先減小后增大的趨勢，這與3.2節(jié)的結(jié)論相同。然而，試驗時筏架彈性形態(tài)并未隨氣囊數(shù)量而改變，原因是液壓加載裝置布置在筏架四角，試驗平臺載荷并非均勻加載到筏架上。

試驗結(jié)果驗證了3.2節(jié)的研究內(nèi)容，反映了本文理論模型及研究方法的正確性。

5 結(jié)語

為減小筏架變形，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，本文以某大型浮筏氣囊系統(tǒng)為研究對象，提出一種基于位移參數(shù)識別的筏架彈性變形判別方法，并對浮筏設(shè)備分布和氣囊布置方案進行設(shè)計，最后在試驗平臺上進行了部分驗證，得出如下結(jié)論：

1）振動動態(tài)力較大的設(shè)備應(yīng)優(yōu)先安裝在筏架中心或者舷側(cè)，然后根據(jù)筏上空間和質(zhì)量均勻分布原則安裝其他振動動態(tài)力較小的設(shè)備。

2）浮筏載荷和氣囊承載都均勻的前提下，氣囊數(shù)量過多或過少都會增大筏架彈性變形，甚至?xí)淖兎ぜ芫植繌椥孕螒B(tài)。因此，工程中應(yīng)根據(jù)浮筏特點選擇合適的氣囊數(shù)量。

3）在筏架首、尾部增加僅用于調(diào)整筏架姿態(tài)的氣囊隔振器可以大大提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。