大型船用柴油發(fā)電機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

肖程詩，吳紹維，王 俊，韓國文

(1.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，昆明 650228)

船舶航行時(shí)，船上的機(jī)械設(shè)備會產(chǎn)生振動和噪聲，這不僅會干擾船上的精密儀器，還會影響船體的結(jié)構(gòu)和設(shè)備，對于艦艇而言，其隱蔽性和探測能力更受振動與噪聲影響[1-2]。

浮筏隔振技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船舶的減振降噪方面，尤其對改善艦艇的聲學(xué)隱身性能起到至關(guān)重要的作用[3-4]。目前學(xué)者們也對浮筏系統(tǒng)的優(yōu)化做了許多研究：李志遠(yuǎn)等[5]基于筏架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想，對筏架做出了加斜板、間斷肋和加肋板的改進(jìn)，改進(jìn)后的筏架結(jié)構(gòu)在中高頻的隔振性更優(yōu)越。胡澤超等[6]研究了浮筏系統(tǒng)中隔振器的分布對隔振性能的影響，結(jié)果表明，隔振器的數(shù)量和布置方式對筏架模態(tài)頻率和隔振效果都有一定影響。秦文政等[7]提出一種基于位移參數(shù)識別筏架變形方法，在大型氣囊浮筏隔振系統(tǒng)中，通過此方法，可分析設(shè)備和隔振器布置方式對筏架變形的影響。

隔振器是隔振系統(tǒng)中的重要彈性元件，可減少能量從振動源設(shè)備向安裝基座的傳遞。當(dāng)前，浮筏系統(tǒng)普遍使用橡膠型隔振器，剛度參數(shù)計(jì)算過程復(fù)雜，在大型設(shè)備的隔振過程中，橡膠隔振器的承載能力有限，使用數(shù)量較多，隔振性能有待改善。而氣囊隔振器具有很強(qiáng)的承載能力和可調(diào)的剛度，可以大大減少隔振器的使用數(shù)量。

針對大型設(shè)備的隔振問題，從浮筏隔振系統(tǒng)上下兩層隔振器類型、數(shù)量與布置方式的不同入手，以大型船用柴油發(fā)電機(jī)作為隔振對象，提出不同的浮筏隔振系統(tǒng)方案，并利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對各方案隔振效果進(jìn)行仿真分析，選出最佳方案，為以后大型裝置設(shè)計(jì)浮筏系統(tǒng)提供參考。

1 浮筏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 筏架設(shè)計(jì)

以兩臺型號相同的船用柴油發(fā)電機(jī)組作為隔振對象，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，機(jī)組外形尺寸為2 900 mm×1 100 mm×1 600 mm，每臺柴油發(fā)電機(jī)重量為3 300 kg。設(shè)計(jì)的筏架為Q235 材質(zhì)的板架式筏體，尺寸為3 100 mm×3 100 mm×250 mm，密度為7 800 kg/m3，楊氏模量取206 GPa，泊松比取0.3，質(zhì)量為3 024 kg，占機(jī)組總重的45.8%，滿足國內(nèi)外對筏架的質(zhì)量要求[8]，筏架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 隔振器選型及布置原則

隔振器的選擇一般要從設(shè)備安裝尺寸、負(fù)載能力以及隔振性能等方面考慮：

（1）根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量，隔振器應(yīng)在承載力范圍內(nèi)，且應(yīng)避開激勵(lì)力頻率；

（2）阻尼比在0.04～0.2為最佳[9]；

（4）非對稱布置方式會增加更多模態(tài)，為避免耦合振動，隔振器的布置需采用對稱布置。

1.3 氣囊型隔振器參數(shù)計(jì)算

與普通的橡膠隔振器相比，氣囊隔振器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）固有頻率低；

（2）體積小，承載能力強(qiáng)，可以通過改變內(nèi)部壓力來改變負(fù)載能力；

（3）不受駐波影響，高頻隔振性能優(yōu)良。因此，更適合將氣囊隔振器用作大型隔振裝置的隔振元件[10]。

氣囊隔振器的剛度是可調(diào)的，并且會隨著載荷的變化而變化，一定范圍內(nèi)可認(rèn)為是應(yīng)變區(qū)的線性變化。氣囊隔振器的剛度和阻尼系數(shù)可以根據(jù)固有頻率、阻尼比和負(fù)載等條件來計(jì)算[6,11-12]。其垂向剛度和阻尼系數(shù)可由以下公式計(jì)算：

式中：k為隔振器剛度系數(shù)，f0為隔振器的固有頻率，m為隔振器負(fù)載質(zhì)量，c0為臨界阻尼系數(shù)，ζ為阻尼比，c為阻尼系數(shù)。氣囊隔振器選用JYQN系列來進(jìn)行分析，載重能力在5 000 kgf～20 000 kgf。

1.4 橡膠型隔振器參數(shù)計(jì)算

橡膠材料在受到外力作用時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的物理非線性，其剛度參數(shù)不可調(diào)。一般通過實(shí)驗(yàn)，對隔振器施加載荷并測得變形量后計(jì)算得出靜剛度系數(shù)。橡膠型隔振器選用船用柴油發(fā)電機(jī)組常用的ZA-49系列隔振器來進(jìn)行分析，動靜剛度比為1.25，載重能力在3 000 kgf～1 500 kgf。

2 上下層隔振器選擇方案

2.1 上層隔振器方案

筏架上層承受著兩臺柴油發(fā)電機(jī)的重量為3 300 kg，每臺柴油發(fā)電機(jī)下方安裝6 個(gè)JYQN 型氣囊隔振器或6 個(gè)ZA 型橡膠隔振器，布置方式如圖2所示。表1 為根據(jù)不同類型隔振器計(jì)算得來的基本參數(shù)。

圖2 上層隔振器布置方式

表1 上層隔振器參數(shù)

2.2 下層隔振器方案

浮筏系統(tǒng)下層需用較多的隔振器承受機(jī)組和筏架的重量。由于橡膠型隔振器承載能力有限，使用數(shù)量略多于氣囊隔振器，下層選用8個(gè)JYQN型氣囊隔振器和12 個(gè)ZA 型橡膠隔振器來分析比較，對稱均勻布置，布置方式如圖3 所示，隔振器參數(shù)如表2所示。

表2 下層隔振器參數(shù)

圖3 下層隔振器布置方式

2.3 總體方案

依據(jù)上下層隔振器選擇，可設(shè)計(jì)四種浮筏系統(tǒng)方案，如表3所示。

表3 浮筏系統(tǒng)方案

3 有限元仿真分析

筏架一般通過下層隔振器安裝在基座上，將基座簡化為3 100 mm×3 100 mm×100 mm 的平臺，在基座四周等距安裝共20個(gè)M50的螺釘，并在螺釘位置處施加固定約束，完成浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型如圖4所示。

圖4 浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型

利用ANSYS Workbench 軟件對浮筏系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，隔振器單元采用Bushing 單元進(jìn)行模擬，并將隔振器的三向剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)信息輸入軟件中。

3.1 筏架和浮筏系統(tǒng)的模態(tài)分析

為驗(yàn)證各浮筏系統(tǒng)方案的合理性，需對筏架和表3 中各方案浮筏系統(tǒng)做模態(tài)分析。采用ANSYS有限元仿真，得到筏架除0 外的前6 階自由模態(tài)，如表4所示。

表4 筏架前6階模態(tài)

由表4 可知，筏架有效地避開了柴油機(jī)組擾動力的主要激勵(lì)頻率，不會與柴油機(jī)組發(fā)生共振，且具有一定的剛性，設(shè)計(jì)合理。

對方案1至方案4的浮筏系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，為了較全面把握浮筏系統(tǒng)可能表現(xiàn)的模態(tài)，這里計(jì)算出每種方案前20 階模態(tài)并給出前6 階模態(tài)特征，如表5所示。

表5 浮筏隔振系統(tǒng)方案前20階模態(tài)

（1）前18 階模態(tài)反映的是機(jī)組與筏架橫搖、縱搖以及各方向振動，第19階時(shí)筏架開始發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，第20階基座開始激發(fā)產(chǎn)生變形。受隔振器的影響，四個(gè)浮筏系統(tǒng)方案的前6 階模態(tài)頻率基本都在10 Hz 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于筏架的頻率，可避免在低頻時(shí)系統(tǒng)與筏架發(fā)生共振現(xiàn)象[13]。

（2）方案2在第15階的模態(tài)頻率為24.11 Hz，與1階擾動力頻率25 Hz接近，在柴油發(fā)電機(jī)低頻工作時(shí)可能會引起筏架縱搖方向上的共振。方案4在第19 階的模態(tài)頻率為51.22 Hz，與2 階擾動力頻率50 Hz接近，在柴油發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)會引起筏架扭轉(zhuǎn)方向上的共振。因可能出現(xiàn)筏架縱搖和扭轉(zhuǎn)共振，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故方案2、方案4設(shè)計(jì)不合理。

（3）方案1 與方案2 比較、方案3 和方案4 比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)下層隔振器參數(shù)都一樣時(shí)，上層隔振器剛度越低，會導(dǎo)致前19階模態(tài)頻率越低。

綜上所述：浮筏隔振系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，隔振器剛度影響著浮筏系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了避免引發(fā)系統(tǒng)與機(jī)組共振，浮筏系統(tǒng)需避開機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生擾動力的激勵(lì)頻率。所以方案1、方案3設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2 浮筏系統(tǒng)隔振性能分析

采用ANSYS軟件進(jìn)行諧響應(yīng)分析，可得到浮筏系統(tǒng)在激勵(lì)力下的振動響應(yīng)。振級落差法是振源設(shè)備振動響應(yīng)有效值與基座振動響應(yīng)有效值之比的常用對數(shù)的20倍，選擇振級落差法作為隔振性能的評價(jià)指標(biāo)，加速度振級落差公式如下：

式中：LD為加速度振級落差，a1為振源設(shè)備下方振動加速度響應(yīng)，a2為基座上的振動加速度響應(yīng)。

所研究的柴油發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為15 00 r/min，擾動力主要來自柴油機(jī)2階擾動力，取柴油機(jī)正常工作時(shí)振動激勵(lì)力3 000 N[5,14]。分別對浮筏系統(tǒng)四種方案進(jìn)行0～1 000 Hz的諧響應(yīng)分析，在兩個(gè)柴油發(fā)電機(jī)的重心上方施加3 000 N的振動激勵(lì)力，分析方法采用完全分析法。得到機(jī)組下方和基座上方各隔振器安裝處位置的振動加速度，取各測量點(diǎn)的振動加速度平均值代入式（3）計(jì)算，繪制各方案的隔振效果曲線如圖5所示。

由圖5 可以看出：浮筏系統(tǒng)在前100 Hz 內(nèi)隔振性能基本隨著頻率的增加而提高；隨著浮筏系統(tǒng)模態(tài)頻率集中在中高頻，會導(dǎo)致共峰值增多；隔振性能方面，方案1隔振性能最好，在低頻段和中高頻段的振級落差值都能保證在80 dB 左右，滿足對大型船用柴油發(fā)電機(jī)的隔振要求，隔振效果良好。方案2由于會產(chǎn)生系統(tǒng)共振，在25 Hz處隔振效果不佳。

圖5 隔振效果曲線

方案3隔振性能在550 Hz～700 Hz以及750 Hz～850 Hz 處大幅度下降。對于方案4，采用橡膠隔振器的數(shù)量最多，但隔振效果欠佳，說明在大型裝置隔振措施中，只增加下層隔振數(shù)量并不能提高隔振性能，過多的隔振器不僅會影響安裝空間和提高成本，剛度過大也會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低隔振性能。所以方案1設(shè)計(jì)合理。

4 方案優(yōu)化

所研究的JYQN 系列氣囊隔振器，最高承載能力在20 t，可將方案1 中的上層隔振器數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化：在上層總剛度不變的情況下，每個(gè)柴油發(fā)電機(jī)可減少兩個(gè)隔振器，采用JYQN-1400型隔振器[6,10]安裝在柴油發(fā)電機(jī)四個(gè)基腳處，布置方式如圖6 所示。優(yōu)化后上層隔振器參數(shù)如表6所示。

圖6 優(yōu)化后上層隔振器布置方式

表6 優(yōu)化后上層隔振器參數(shù)

對優(yōu)化后的方案進(jìn)行模態(tài)分析與隔振性能分析如圖7 和圖8。由圖7 圖和8 可以看出：優(yōu)化前后方案的前20階模態(tài)頻率幾乎沒有差別，說明在浮筏系統(tǒng)總剛度不變的情況下，上層隔振器的數(shù)量對系統(tǒng)的模態(tài)頻率影響不大。隔振性能方面，優(yōu)化后方案的上層隔振器數(shù)量比方案1 上層隔振器數(shù)量少四個(gè)，優(yōu)化方案對于方案1 在100 Hz～400 Hz 頻率段的平均振級落差僅相差5.6 dB，在可接受范圍內(nèi)，也能滿足對大型船用設(shè)備的隔振要求。在0～100 Hz頻率段以及400 Hz～1 000 Hz 頻率段，優(yōu)化方案的隔振性能與方案1 大致相同，在700 Hz～800 Hz 頻率段隔振性能比方案1更優(yōu)越?？紤]到隔振器的成本和浮筏系統(tǒng)上層安裝空間等條件，優(yōu)化后的方案更為合理。

圖7 優(yōu)化后的方案和方案1的模態(tài)頻率對比

圖8 優(yōu)化后的方案和方案1的隔振性能對比

5 結(jié)語

針對大型設(shè)備浮筏裝置存在隔振器使用數(shù)量多，隔振效果不佳的問題，以船用發(fā)電柴油機(jī)作為隔振研究對象，為其設(shè)計(jì)出四種不同浮筏隔振系統(tǒng)方案：

（1）通過有限元軟件分析比較了這四種方案的模態(tài)和隔振性能，方案2 在柴油發(fā)電機(jī)組工作時(shí)可能會引起筏架縱搖方向上的共振，方案4 可能會引起筏架扭轉(zhuǎn)方向上的共振；

（2）四個(gè)方案中，方案1 采用隔振器數(shù)量最少，隔振效果較好，方案4所采用的隔振器數(shù)量最多，而隔振效果欠差；

（3）最終通過優(yōu)化分析得，在系統(tǒng)總剛度不變的情況下，減少上層隔振器的數(shù)量，對浮筏系統(tǒng)的模態(tài)頻率還有隔振效果并沒有太大影響。優(yōu)化的方案可以節(jié)省浮筏系統(tǒng)上層隔振器的安裝空間以及成本，為后續(xù)大型船用設(shè)備隔振裝置的設(shè)計(jì)提供參考。