SWATH型科考船柴油發(fā)電機(jī)組氣囊隔振設(shè)計(jì)方案

李瓊玥，王 帥

（1.宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北 宜昌443003； 2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064）

小水線面雙體科考船作為承擔(dān)遠(yuǎn)洋深?？瓶既蝿?wù)的特種船舶，對(duì)科考設(shè)備可靠性要求很高，科考船本體噪聲需要得到嚴(yán)格控制，所以有必要對(duì)小水線面雙體科考船主要噪聲源設(shè)備柴油發(fā)電機(jī)組采用氣囊隔振設(shè)計(jì)，在保證設(shè)備安全性的前提下最大限度降低噪聲源的振動(dòng)噪聲。

對(duì)于國(guó)內(nèi)艦船柴油發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)在普遍采用橡膠雙層隔振技術(shù)，隔振效果一般能達(dá)到30 dB[1]，但對(duì)于民用船舶普遍還是采用橡膠單層隔振方案，該方案達(dá)不到科考船所需的隔振要求。另外，氣囊隔振技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)艦船大型動(dòng)力設(shè)備隔振裝置上得到應(yīng)用，而且效果顯著[2]。

本文針對(duì)某型小水線面雙體科考船1 100 kW柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了氣囊雙層隔振設(shè)計(jì)，抑制了柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)向船體傳遞，并通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)組隔振裝置實(shí)船測(cè)試，驗(yàn)證了隔振設(shè)計(jì)方案的可行性，對(duì)小水線面雙體科考船全船的減振降噪具有很明顯的效果。

1 設(shè)計(jì)原理及方法

1.1 雙層隔振設(shè)計(jì)原理

雙層隔振設(shè)計(jì)原理是將質(zhì)量和振幅都較大的柴油發(fā)電機(jī)組（m1）通過(guò)上層隔振器安裝在具有一定質(zhì)量的中間框架（m2）上，中間框架再通過(guò)下層隔振器安裝在船體基座上。可利用中間框架慣性衰減上層隔振器傳遞來(lái)的振動(dòng)，從而可以增強(qiáng)隔振效果。雙層隔振裝置系統(tǒng)圖如圖1所示。根據(jù)牛頓第二定律可以導(dǎo)出雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程[3]。

圖1 雙層隔振系統(tǒng)圖

工程中分析隔振效果時(shí)，將影響因素較小的阻尼參數(shù)忽略，在此條件下求解式（1）穩(wěn)態(tài)解，進(jìn)而可計(jì)算隔振裝置的力傳遞率T：

為了方便研究各參數(shù)對(duì)力傳遞率影響，可假設(shè)m1=1、k1=1，令下上層剛度比λ=k2/k1，中間框架與待隔振設(shè)備的質(zhì)量比μ=m2/m1，則m2=μ，k2=λ，可得：

依據(jù)式(3)，以激勵(lì)頻率ω為變量，分析剛度比λ和質(zhì)量比μ對(duì)隔振效果的影響。令質(zhì)量比μ=1，分析剛度比λ對(duì)隔振系統(tǒng)傳遞率的影響；令剛度比λ=1，分析質(zhì)量比μ對(duì)隔振系統(tǒng)傳遞率的影響，給出的隔振傳遞曲線如圖2和圖3所示。

從圖2分析可知，質(zhì)量比一定時(shí)，剛度比越小，隔振效果越好，但過(guò)低的剛度比會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的穩(wěn)定性降低。

從圖3分析可知，剛度比一定時(shí)，質(zhì)量比越大，隔振效果越好。但當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到一定數(shù)值后，隔振效果增強(qiáng)不再明顯，并且質(zhì)量比的增加會(huì)加大隔振的成本和系統(tǒng)的質(zhì)量。一般質(zhì)量比的取值范圍一般為0.25～1。

1.2 氣囊隔振設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

氣囊減振器具有固有頻率低、無(wú)駐波效應(yīng)、能在變載的情況下保持不變、剛度可調(diào)等優(yōu)良的隔振性能[4]。

氣囊充放氣控制系統(tǒng)可以保證氣囊依據(jù)隔振平臺(tái)姿態(tài)自動(dòng)進(jìn)行充放氣，使隔振裝置姿態(tài)保持在±3 mm 之間，可保護(hù)柴油發(fā)電機(jī)組橡膠接管及金屬波紋管等設(shè)備安全運(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

圖2 剛度比對(duì)力傳遞率的影響

圖3 質(zhì)量比對(duì)力傳遞率的影響

2 設(shè)計(jì)方案

依據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，將柴油發(fā)電機(jī)組和船體基座等看作剛體，中間質(zhì)量塊看作彈性體，將上層橡膠減振器、下層氣囊減振器、減振接管和波紋管等看作帶阻尼的彈性元件，進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組氣囊雙層隔振系統(tǒng)的簡(jiǎn)化快捷設(shè)計(jì)。已知柴油發(fā)機(jī)電機(jī)組質(zhì)量m1和激勵(lì)頻率ω，下層減振器選用剛度k2較小的氣囊減振器，出于輕量化考慮取質(zhì)量比為0.3，確定中間框架的質(zhì)量m2，選取適當(dāng)?shù)纳蠈訙p振器剛度k1，從而保證隔振裝置的力傳遞率T較小。隔振設(shè)計(jì)過(guò)程中隔振裝置的模態(tài)頻率應(yīng)避開(kāi)柴油機(jī)的激勵(lì)頻率，以免發(fā)生共振，隔振裝置的靜穩(wěn)性、搖擺穩(wěn)定性等也應(yīng)該滿足總體性能要求，柴油機(jī)排氣口管路位置等不能出現(xiàn)位移過(guò)大的情況。選用振級(jí)落差作為隔振系統(tǒng)隔振效果的評(píng)定參數(shù)，其可被測(cè)量，方案易操作[5]，隔振效果應(yīng)滿足38 dB（10 Hz～10 kHz）指標(biāo)要求。

2.1 設(shè)備基本參數(shù)

1 100 kW柴油發(fā)電機(jī)組原始技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)方案

由于船舶總體設(shè)計(jì)要求隔振裝置不能超過(guò)6 t，出于輕量化的考慮，取質(zhì)量比為0.3，設(shè)計(jì)中間質(zhì)量塊的重量約為4.6 t。為了保證良好的隔振效果，中間質(zhì)量塊下層選用了10個(gè)承載能力為2 t、固有頻率為3.5 Hz 氣囊減振器[6]安裝于船體基座上。從隔振裝置穩(wěn)定性考慮，上層隔振器剛度不宜過(guò)小，柴油發(fā)電機(jī)組采用16個(gè)承載能力為1.2 t、固有頻率為15 Hz的橡膠減振器垂向安裝在中間質(zhì)量塊上。

柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)海水進(jìn)出口均采用橡膠接管與外部管路系統(tǒng)連接，柴油機(jī)排氣口采用金屬波紋管與排氣管路連接。柴油發(fā)電機(jī)組氣囊雙層隔振布置圖如圖4所示。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組氣囊雙層隔振布置圖

2.3 隔振裝置減振計(jì)算

柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組隔振裝置中間質(zhì)量塊采用鋼質(zhì)整體框架結(jié)構(gòu)，重約4.6 t，材料為Q345B鋼。采用有限元方法計(jì)算得到中間質(zhì)量塊在自身重量和柴油發(fā)電機(jī)組重量（濕重）共同作用下的最大應(yīng)力為48 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.04 mm，滿足Q345B 材料的許用應(yīng)力和應(yīng)變要求。隔振裝置主尺寸長(zhǎng)5 850 mm，寬2 050 mm，高502.5 mm，滿足總體布置要求。

建立中間框架、柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型，計(jì)算得到柴油發(fā)電機(jī)組隔振裝置前10階固有頻率和振型如表2所示。

柴油發(fā)電機(jī)組氣囊雙層隔振裝置的剛體模態(tài)頻率范圍為3.4 Hz～15.4 Hz，中間質(zhì)量塊前6階彈性模態(tài)頻率范圍為16.5 Hz～89.7 Hz，避開(kāi)了柴油發(fā)電機(jī)組的激勵(lì)頻率（75 Hz）。

表2 機(jī)組隔振系統(tǒng)前10階耦合模態(tài)頻率振型

隔振裝置在只承受機(jī)組濕重和中間框架重量的情況下，所有上層減振器靜變形均為1.2 mm，未超過(guò)要求的允許變形量2.0 mm，各氣囊減振器受力約為20 kN，且受力均勻，說(shuō)明隔振裝置中減振器布置合理。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，需要考慮隔振裝置在處于橫搖（傾）10°和縱搖（傾）5°狀態(tài)下的安全性，計(jì)算得到柴油發(fā)電機(jī)組隔振裝置在上述搖擺狀態(tài)下減振器及關(guān)注點(diǎn)的最大偏移量如表3所示。

表3 搖擺狀態(tài)下減振器及考察點(diǎn)的最大偏移量/mm

由表3可以看出：縱搖（傾）5°狀態(tài)下各減振器和減振接管均滿足使用要求，在橫搖（傾）10°狀態(tài)下，柴油機(jī)排氣口徑向最大偏移10.3 mm，未超過(guò)要求的12 mm，柴油機(jī)海水進(jìn)出口和發(fā)電機(jī)海水進(jìn)出口徑向最大偏移9.8 mm未超過(guò)了要求的10 mm。

2.4 氣囊控制系統(tǒng)

1 100 kW柴油發(fā)電機(jī)組氣囊控制系統(tǒng)由充氣控制單元、位移傳感器、過(guò)濾減壓閥、電纜、管路及接頭組成，每個(gè)充氣控制單元中設(shè)有電磁閥和壓力傳感器，電磁閥用于開(kāi)關(guān)氣路，壓力傳感器用于檢測(cè)當(dāng)前壓力。當(dāng)需要對(duì)氣囊充氣時(shí)，只需開(kāi)啟對(duì)應(yīng)氣囊的電磁閥，就可對(duì)其充氣；當(dāng)需要對(duì)氣囊放氣時(shí)，先關(guān)閉主管路電磁閥，打開(kāi)放氣電磁閥將管道的氣體排出，再開(kāi)啟對(duì)應(yīng)氣囊的電磁閥。氣囊控制系統(tǒng)布置方案如圖5所示。1 100 kW柴油發(fā)電機(jī)組隔振裝置中采用10個(gè)氣囊支撐，在中間框架結(jié)構(gòu)上布置2個(gè)充氣控制單元，在四角共布置4個(gè)位移傳感器。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組氣囊控制系統(tǒng)布置圖

氣源接口通過(guò)軟管與過(guò)濾減壓閥連接，采用經(jīng)過(guò)濾和減壓后的空氣同時(shí)對(duì)2個(gè)充氣控制單元供氣，充氣控制單元之間采用高壓軟管連通，充氣控制單元與氣囊之間采用不銹鋼管連通。2個(gè)充氣控制單元之間采用供電電纜和通訊電纜連接，供電電壓為24 V，采用Ether CAT總線進(jìn)行通訊。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證柴油發(fā)電機(jī)組氣囊雙層隔振裝置設(shè)計(jì)方案的可行性以及隔振效果，測(cè)試柴油發(fā)電機(jī)組在額定運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的振動(dòng)加速度，測(cè)量頻率范圍10 Hz至10 kHz，基準(zhǔn)值為1 μm/s2。

在額定工況下，測(cè)得柴油發(fā)電機(jī)組安裝腳平均振動(dòng)加速度級(jí)為148 dB，船體基座平均振動(dòng)加速度級(jí)為104 dB，隔振效果為44 dB，頻譜曲線如圖6所示。氣囊雙層隔振裝置在高頻段無(wú)駐波效應(yīng)，隔振效果優(yōu)良。

4 結(jié)語(yǔ)

小水線面雙體科考船1 100 kW 柴油發(fā)電機(jī)組氣囊減振系統(tǒng)主要包括上層橡膠減振器、中間質(zhì)量塊、下層氣囊減振器、橡膠接管、金屬波紋管和氣囊控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及振動(dòng)測(cè)試，得到隔振裝置設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振裝置振動(dòng)加速度級(jí)曲線

表4 1 100 kW柴油發(fā)電機(jī)組隔振裝置設(shè)計(jì)結(jié)果

氣囊隔振裝置的外形尺寸、重量、設(shè)備的可安裝性、維修性等各個(gè)方面都滿足總體要求。根據(jù)計(jì)算分析可知，隔振裝置模態(tài)頻率避開(kāi)了設(shè)備的激勵(lì)頻率，同時(shí)滿足橫搖（傾）和縱搖（傾）的要求，保證了設(shè)備的安全使用性能。

小水線面雙體科考船柴油發(fā)電機(jī)組氣囊隔振裝置是將氣囊減振器運(yùn)用于民用船舶，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證其很大程度上提升了隔振裝置的隔振效果，從而大大降低了主要噪聲源設(shè)備向船體的振動(dòng)傳遞，表明其在民用船舶減振降噪領(lǐng)域具有很好應(yīng)用前景。