船用高壓空壓機(jī)組抗沖擊技術(shù)研究

張志恒，陳德祥，金麗瓊，葉鵬，邢志勝，毛京兵，張成彥

(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，安徽 合肥 230031)

0 引言

空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)）是現(xiàn)代船舶工業(yè)中的重要設(shè)備，在服役期間不可避免會(huì)遭遇到各種沖擊，為防止這類(lèi)沖擊對(duì)空壓機(jī)等設(shè)備的破壞作用，必須采用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行抑制。針對(duì)該問(wèn)題，通常在船用空壓機(jī)和甲板之間設(shè)計(jì)有單層隔振裝置或雙層隔振裝置（或浮筏隔振裝置），一方面能最大限度地隔離空壓機(jī)的振動(dòng)沿機(jī)座向船體的傳遞，從而抑制船艙工作室噪聲和水下輻射噪聲，以達(dá)到提高船舶隱身性和舒適性的功能[1]；一方面能有效抑制外界干擾（如惡劣海況等）通過(guò)機(jī)座對(duì)船舶空壓機(jī)設(shè)備的沖擊[2–3]，以提高空壓機(jī)的使用壽命。

為了保證隔振抗沖擊的效果，如何合理地選擇隔振裝置，達(dá)到既能提高隔振效果又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性要求一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題[4]。葉珍霞等[5]介紹了國(guó)外艦船設(shè)備抗沖擊研究的現(xiàn)狀，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)抗沖擊研究中存在的不足提出了一些建設(shè)性的意見(jiàn)，可為艦船設(shè)備隔振系統(tǒng)非線(xiàn)性抗沖擊研究提供參考。陳海龍等[6]根據(jù)艦船動(dòng)力機(jī)組各組成設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用DDAM 方法和時(shí)域加載法在頻域和時(shí)域上對(duì)其進(jìn)行抗沖擊計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，不同設(shè)備對(duì)沖擊載荷的響應(yīng)與設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，且與沖擊加載方向有很大關(guān)系。王國(guó)治等[7]利用Ansys 軟件建立了空壓機(jī)組浮筏裝置在陸上臺(tái)架以及裝船后的動(dòng)力學(xué)分析模型，計(jì)算得到了隔振系統(tǒng)的各階模態(tài)，分析了系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性以及對(duì)于沖擊的響應(yīng)特性，探討了提高船舶設(shè)備隔振與抗沖擊性能的途徑。尹群[8]在水面艦船沖擊環(huán)境和結(jié)構(gòu)抗沖擊性能理論及有限元數(shù)值仿真研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了艦船結(jié)構(gòu)及設(shè)備抗沖擊模型試驗(yàn)研究。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以CZS 型船用電動(dòng)高壓空壓機(jī)為研究對(duì)象，采用Ansys 建立高壓空壓機(jī)的三維有限元模型，邊界條件或計(jì)算輸入按《船用設(shè)備抗沖擊計(jì)算方法與要求》，對(duì)抗沖擊裝置沖擊過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為船用高壓空壓機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及抗沖擊設(shè)計(jì)等方面提供較為可靠的工具和理論依據(jù)。

1 高壓空壓機(jī)組系統(tǒng)抗沖擊模型

CZS 空壓機(jī)組包括CZS 空壓機(jī)和雙層抗沖擊隔振裝置，空壓機(jī)主機(jī)、電機(jī)、水泵等部件剛性安裝在機(jī)架上，形成空壓機(jī)組。雙層抗沖擊隔振裝置上部與空壓機(jī)組彈性聯(lián)接，下部和船甲板剛性聯(lián)接?？諌簷C(jī)組通過(guò)4 個(gè)抗沖擊組合隔振器彈性安裝在中間筏體上，組成上層彈性隔振裝置。下層隔振裝置通過(guò)6 個(gè)抗沖組合隔振器彈性安裝在基座上，組成雙層抗沖擊隔振裝置，并與空壓機(jī)一起組成空壓機(jī)組抗沖擊隔振系統(tǒng)。隔振裝置中的隔振器在橫向、縱向和垂向3 個(gè)方向上均具有限位作用，用于保護(hù)隔振器并限制機(jī)組的位移。中間筏體采用高分子聚合物澆注而成，具有高阻尼特性，可有效減小機(jī)組振動(dòng)和受到?jīng)_擊時(shí)優(yōu)勢(shì)頻率的幅值。基于上述分析，采用Ansys 軟件建立高壓空壓機(jī)組系統(tǒng)抗沖擊有限元模型如圖1 所示。模型參數(shù)如表1 所示，模型中高壓空壓機(jī)和中間筏體采用質(zhì)量單元模擬，這樣可以保證空壓機(jī)和筏體的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重心位置。建模過(guò)程中，為真實(shí)反映隔振器力學(xué)模型，將每個(gè)隔振器簡(jiǎn)化為三向非線(xiàn)性彈簧和阻尼單元，為方便分析，將高壓空壓機(jī)隔振裝置與船體基座剛性連接，下層隔振器的下端剛性固定。

表1 空壓機(jī)組的重量和重心Tab.1 The weight and center of gravity of air compressor unit

圖1 高壓空壓機(jī)組系統(tǒng)抗沖擊有限元計(jì)算模型Fig.1 The finite element model of air compressor unit about Anti-shock

2 高壓空壓機(jī)組抗沖擊計(jì)算分析

2.1 沖擊環(huán)境與沖擊載荷描述

按照規(guī)定，CZS 高壓空壓機(jī)組屬于A 級(jí)、甲類(lèi)、I 類(lèi)安裝設(shè)備，屬于抗沖擊能力要求最高、試驗(yàn)考核最為嚴(yán)酷的船用設(shè)備。為了保證空壓機(jī)組具有足夠的抗沖擊能力，必須對(duì)機(jī)組的零部件特別是運(yùn)動(dòng)件[9]進(jìn)行抗性沖擊能力設(shè)計(jì)和考核。本文CZS 高壓空壓機(jī)組系統(tǒng)總質(zhì)量小于5 t，對(duì)于設(shè)備質(zhì)量小于5 t的隔離系統(tǒng)，《某型船抗沖擊要求》規(guī)定采用表2 所給參數(shù)對(duì)隔離系統(tǒng)抗沖擊譜值進(jìn)行模擬。按《某型船抗沖擊要求》將表2的隔離系統(tǒng)抗沖擊譜值轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度曲線(xiàn)，垂向和橫向（縱向）加速度曲線(xiàn)分別如圖2所示[10]。

表2 抗沖擊譜值Tab.2 Shock spectrum value

圖2 空壓機(jī)組沖擊環(huán)境Fig.2 Environmental shock of air compressor unit

2.2 抗沖擊能力計(jì)算

以圖2 加速度曲線(xiàn)作為有限元模型圖1的沖擊激勵(lì)，可計(jì)算出隔振系統(tǒng)受沖擊激勵(lì)后的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 隔離系統(tǒng)沖擊計(jì)算結(jié)果Fig.3 The calculation result of air compressor unit about anti-shock

在垂向沖擊環(huán)境情況下，對(duì)空壓機(jī)組（包含雙層隔振裝置）進(jìn)行抗沖擊性能計(jì)算，垂向沖擊響應(yīng)最大值如表3 所示。

表3 垂向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.3 The response value of vertical shock

在橫向沖擊環(huán)境情況下，對(duì)空壓機(jī)組（包含雙層隔振裝置）進(jìn)行抗沖擊性能計(jì)算，橫向沖擊響應(yīng)最大值如表4 所示。

表4 橫向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.4 The response value of transverse shock

在縱向沖擊環(huán)境情況下，對(duì)空壓機(jī)組（包含雙層隔振裝置）進(jìn)行抗沖擊性能計(jì)算，縱向沖擊響應(yīng)最大值如表5 所示。

表5 縱向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.5 The response value of axial shock

機(jī)組受沖擊后殘余加速度與機(jī)組所能承受沖擊載荷比較如表6 所示。

表6 機(jī)組受沖擊后殘余加速度與機(jī)組所能承受沖擊載荷比較Tab.6 The comparison of residual acceleration and shock load of unit after impact

從表6 可以看出：

1）通過(guò)雙層隔振裝置的安裝，在給定的沖擊環(huán)境下，空壓機(jī)組3 個(gè)方向的最大殘余加速度均小于機(jī)組所能安全承受的沖擊加速度，滿(mǎn)足給定的空壓機(jī)組的抗沖擊要求；

2）要求空壓機(jī)組與外部的聯(lián)接應(yīng)有撓性，空壓機(jī)組外接管路的補(bǔ)償能力應(yīng)分別滿(mǎn)足垂向不小于45 mm、橫向不小于32 mm、縱向不小于32 mm的要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果

由于在我國(guó)現(xiàn)有的抗沖擊試驗(yàn)臺(tái)中，不能完全滿(mǎn)足CZS 型船用高壓空壓機(jī)組（帶抗沖擊裝置）的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，所以本試驗(yàn)只對(duì)不帶抗沖擊裝置的高壓空壓機(jī)組進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。按照GJB150.18-86 要求，進(jìn)行沖擊考核的樣機(jī)應(yīng)按水平安裝和30°傾斜安裝2 種方式進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 CZS 空壓機(jī)沖擊試驗(yàn)前后的基本性能檢驗(yàn)記錄Tab.7 The performance of air compressor before and after shock test

試驗(yàn)結(jié)果證明：該機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，抗沖擊能力滿(mǎn)足GJB150.18-86 規(guī)定要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）該空壓機(jī)主機(jī)（特別是運(yùn)動(dòng)件）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，附件連接可靠，滿(mǎn)足船用要求。

2）機(jī)組采用雙層抗沖擊隔振裝置，可以使機(jī)組的抗沖擊能力大大提高。該裝置采用上下層不同緩沖隔振元件，該結(jié)構(gòu)屬?lài)?guó)內(nèi)船用空壓機(jī)組首創(chuàng)。

3）采用該抗沖擊隔振裝置既可以使空壓機(jī)組的各振動(dòng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)定要求，同時(shí)也能滿(mǎn)足抗沖擊《頂層設(shè)計(jì)要求》。

4）將空壓機(jī)和抗沖擊隔振裝置作為一個(gè)隔離系統(tǒng)研究，建立有限元計(jì)算模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊計(jì)算考核的方法是正確的，計(jì)算數(shù)據(jù)是可靠的，可以作為其他艦船設(shè)備（尤其噸位大或無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際使用情況考核的設(shè)備）抗沖擊能力考核的參考。

5）試驗(yàn)和設(shè)備長(zhǎng)期使用情況都證明了該機(jī)的抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的，可以作為其他船舶設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考。