隔振器阻尼對(duì)機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)影響研究

華春梅，王 宇

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

隔振器阻尼對(duì)機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)影響研究

華春梅，王 宇

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

以機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)特性為研究對(duì)象，基于有限元方法，對(duì)船舶汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行隔振器布置設(shè)計(jì)和工況設(shè)置，通過(guò)數(shù)值模擬研究阻尼改變對(duì)動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特性的影響，計(jì)算得出振動(dòng)烈度曲線，揭示隔振器阻尼對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響趨勢(shì)，為機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備減振分析提供了參考依據(jù)。

動(dòng)力設(shè)備；船舶機(jī)艙；有限元；阻尼；振動(dòng)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)對(duì)節(jié)能減排和減振降噪尤為重視，建設(shè)低碳社會(huì)已成為現(xiàn)今的生活主題。減少對(duì)能源的消耗，減小對(duì)環(huán)境的污染等方面的研究已提高到了一個(gè)新的水平。振動(dòng)噪聲也是一種污染，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)振動(dòng)噪聲也越來(lái)越敏感。從船舶產(chǎn)品來(lái)講，振動(dòng)噪聲會(huì)對(duì)船舶的舒適性、隱身性能和探測(cè)性能產(chǎn)生不利影響。振動(dòng)在動(dòng)力系統(tǒng)中是普遍存在的，而這其中結(jié)構(gòu)噪聲沿著支撐基座的傳輸占主要部分，所以開(kāi)展機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備支撐基座減振措施的研究，對(duì)減小振動(dòng)的傳遞有著重要意義。

由于船舶機(jī)艙設(shè)備通常安裝于船舶狹小的艙室內(nèi)，機(jī)組安裝時(shí)的工藝十分復(fù)雜，安裝精度不易保證，且船舶其他設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)通過(guò)基座、隔振器等向汽輪發(fā)電機(jī)組傳遞，這就對(duì)船舶機(jī)艙設(shè)備的振動(dòng)特性產(chǎn)生較大影響；另一方面，船舶機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備通過(guò)隔振器、基座等與船體結(jié)構(gòu)組成振動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)共同參與船舶的振動(dòng)。因此，船舶機(jī)艙設(shè)備的實(shí)際振動(dòng)往往表現(xiàn)為上述兩種振動(dòng)的疊加。由于實(shí)船結(jié)構(gòu)通常由船體板材、加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材、阻尼材料等組成，采用理論方法分析船舶機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題很難得到滿意的結(jié)果，而由于實(shí)船測(cè)試往往受試驗(yàn)條件限制，測(cè)試條件難以定量分析，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量有限；且實(shí)船試驗(yàn)費(fèi)用較大，故實(shí)船測(cè)試多用于檢驗(yàn)其振動(dòng)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，該方法存在較大的弊端。

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究地不斷深入，船舶機(jī)艙設(shè)備耦合振動(dòng)特性研究的手段已經(jīng)具備，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已借助有限元分析技術(shù)廣泛開(kāi)展了全船范圍的船舶振動(dòng)等研究，但對(duì)于船舶機(jī)艙設(shè)備中的大型設(shè)備——船舶汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)研究較少。船舶發(fā)電機(jī)組等機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備是船舶的主要?jiǎng)恿υ?，也是船舶的主要振?dòng)源。各船舶相關(guān)研究部門(mén)針對(duì)其提出了很多隔振手段，現(xiàn)在普遍應(yīng)用的是雙層隔振技術(shù)，通過(guò)對(duì)隔振阻尼、隔振質(zhì)量以及基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度的計(jì)算設(shè)計(jì)，使機(jī)組與基礎(chǔ)間的振動(dòng)頻率相互遠(yuǎn)離，從而達(dá)到減振降噪的目的。

1 機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備模型建立

機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備以汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)最為劇烈，也最為典型。汽輪發(fā)電機(jī)組主要由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速器以及整體浮筏架4大部分組成。

浮筏隔振系統(tǒng)是由多段槽型板架與若干鋼板板架交叉焊接而成的一個(gè)彈性體結(jié)構(gòu)。由于浮筏隔振系統(tǒng)的抗彎、抗扭剛度比汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)要小，而且鋼板的厚度規(guī)格不統(tǒng)一，板材厚度與浮筏隔振系統(tǒng)三維尺寸數(shù)值之比很小，故對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按圖紙實(shí)際尺寸建立三維實(shí)體模型。首先根據(jù)尺寸定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后連線、拉伸，最后經(jīng)布爾運(yùn)算，生成整體浮筏隔振系統(tǒng)模型。建立模型時(shí)，忽略了各鋼板倒角等細(xì)微結(jié)構(gòu)差別，忽略了各鋼板連接處的焊縫影響。發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)以及減速器的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它們具有的共同特點(diǎn)是本身的剛度都比較大。參照相關(guān)文獻(xiàn)的建模方法，在進(jìn)行機(jī)組建模時(shí)，不把其內(nèi)部的實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)反映出來(lái)，發(fā)電機(jī)用與其實(shí)際結(jié)構(gòu)外形相同的實(shí)心圓柱體來(lái)模擬，根據(jù)汽輪機(jī)本身結(jié)構(gòu)有氣缸、曲軸箱等空腔結(jié)構(gòu)以及剛度大的特點(diǎn)，把汽輪機(jī)模型建成中空的立方體實(shí)體。建模時(shí)保證汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱等模型的質(zhì)心位置和繞三個(gè)坐標(biāo)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際相同。發(fā)電機(jī)質(zhì)量13 453.81 kg，減速器質(zhì)量1 757.85 kg，汽輪機(jī)質(zhì)量為 6 064.48 kg，基座質(zhì)量3 035.2 kg，浮筏質(zhì)量44 377.2 kg。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及模型尺寸，定義汽輪發(fā)電機(jī)組各個(gè)設(shè)備模型的密度。整體汽輪發(fā)電機(jī)組及浮筏結(jié)構(gòu)的模型如圖1所示。

圖1 整體浮筏系統(tǒng)模型

2 隔振器設(shè)置

根據(jù)浮筏系統(tǒng)的實(shí)際情況，彈性安裝時(shí)，在汽輪發(fā)電機(jī)組與浮筏隔振系統(tǒng)之間共設(shè)置了30個(gè)彈簧。沿浮筏系統(tǒng)縱向（z軸方向）共分為6行，每行均勻布置5個(gè)彈簧。各個(gè)彈簧性質(zhì)相同，剛度為K，阻尼為C，阻尼比為 ，其中正常工作時(shí)K=3 833 000， =0.065。

本文研究的是彈性安裝時(shí)隔振器剛度對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響，因此以后的工況設(shè)置將圍繞圖2所示的30個(gè)彈簧的剛度變化來(lái)進(jìn)行。

圖2 隔振器布置圖

在建立模型時(shí)，考慮到汽輪發(fā)電機(jī)組與浮筏的相互作用對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響，采用彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬；結(jié)構(gòu)上部的聯(lián)軸器對(duì)機(jī)組振動(dòng)的固有頻率影響很小，建立機(jī)組有限元模型時(shí)，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的彈性聯(lián)軸節(jié)可以不予考慮。

3 工況設(shè)置

對(duì)于彈性安裝時(shí)，隔振器結(jié)構(gòu)的阻尼值也有可能對(duì)浮筏系統(tǒng)的減振性能產(chǎn)生影響，以下將根據(jù)相關(guān)資料對(duì)彈簧阻尼大小對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性影響進(jìn)行分析。

根據(jù)相關(guān)資料，隔振器的型號(hào)為BSH-3500，該型號(hào)隔振器在垂向額定載荷下的阻尼比，根據(jù)這一信息，設(shè)置有關(guān)隔振器阻尼的工況，進(jìn)行隔振器阻尼比對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的研究。

以隔振器阻尼變化為主，隔振器剛度全部設(shè)置為K，K=3 833 000 N/m。具體工況如下表1所示。

表1 工況表

表1中共設(shè)置了4個(gè)工況，隔振器阻尼比從0.05依次變化到0.08?？紤]到隔振器材料的限制，隔振器阻尼比的最大值設(shè)定為0.08，隔振器的材料是既定的，因此阻尼只能小范圍的波動(dòng)，安裝工藝等無(wú)法對(duì)隔振器的材料產(chǎn)生大的影響。為了研究阻尼對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響，統(tǒng)一將隔振器剛度設(shè)定為K=3 833 000 N/m?？紤]到汽輪發(fā)電機(jī)組各個(gè)設(shè)備的工作頻率分別為25 Hz、50 Hz、108 Hz，因此提取計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)只需提取各個(gè)工況考察點(diǎn)在25 Hz、50 Hz、108 Hz這三個(gè)頻點(diǎn)處的振動(dòng)烈度數(shù)據(jù)即可。以下將根據(jù)各個(gè)工況，通過(guò)ANSYS仿真模擬計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)特性。

4 阻尼對(duì)動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特性影響研究

在ANSYS中根據(jù)工況設(shè)置改變隔振器阻尼比，分別進(jìn)行計(jì)算，如表2與表3所示，為阻尼比改變的各個(gè)工況仿真計(jì)算的振動(dòng)結(jié)果表。通過(guò)以上數(shù)據(jù)生成對(duì)比圖，如圖3、圖4、圖5所示，觀察分析隔振器阻尼對(duì)機(jī)艙動(dòng)力典型設(shè)備——汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響。

表2 振動(dòng)烈度

表3 振動(dòng)烈度

圖3、圖4所示分別為25 Hz、50 Hz時(shí)，各個(gè)工況下不同阻尼比對(duì)應(yīng)的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度的對(duì)比。隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度存在逐漸減小的趨勢(shì)。但是，隔振器阻尼比從0.08減小到0.05的過(guò)程中，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度的變化值是非常小的。總體上，在25 Hz、50 Hz時(shí)，隔振器阻尼對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響比較小。

圖3 25 Hz振動(dòng)烈度對(duì)比圖

圖4 50 Hz振動(dòng)烈度對(duì)比圖

圖5 108 Hz振動(dòng)烈度對(duì)比圖

圖5所示為108 Hz時(shí)，各個(gè)工況下不同阻尼比對(duì)應(yīng)的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度的對(duì)比。同其他頻率相似，隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度存在逐漸減小的趨勢(shì)，但是，在隔振器阻尼比減小過(guò)程中，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度的變化非常小。

綜合以上各個(gè)工況下，不同頻率時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的振動(dòng)烈度曲線，可知隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)烈度也不斷減小，但是變化不是很大，將振動(dòng)烈度換算成速度級(jí)的話，根據(jù)公式：

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，隨著隔振器阻尼比的減小，船舶機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備——汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度有減弱的趨勢(shì)。但是，隨著隔振器阻尼比減小，汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度的變化不是非常明顯，當(dāng)隔振器阻尼比減小到0.05時(shí)，與隔振器阻尼比為0.08時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)速度級(jí)僅僅減小了不到1 dB。而實(shí)際上，隔振器的阻尼比也就是說(shuō)，隔振器阻尼對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響，由于隔振器材料屬性的限制，將其保持在可能的最小值即可。

隔振器阻尼對(duì)機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備的減振性能影響只是其中一個(gè)因素，由于隔振器材料的局限性，隔振器的阻尼不能大范圍地調(diào)整。如果研究機(jī)艙動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特性，還需進(jìn)一步討論隔振器剛度對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性的影響。

[1]歐陽(yáng)光耀,施引.面向艦船動(dòng)力裝置的主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào),1997(2)：95-102.

[2]張關(guān)根,郭乃林,李江翔.浮筏減振降噪技術(shù)在某型海洋測(cè)量船上的應(yīng)用[J].船舶,2000(3)：29-34+38.

[3]陳斌,李嘉全,邵長(zhǎng)星,等.浮筏多通道協(xié)調(diào)振動(dòng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2008(3)：248-254.

[4]杜奎,伍先俊,程廣利,等.浮筏隔振系統(tǒng)隔振器最佳布置方案研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2005(2)：92-94+99.

［責(zé)任編輯：劉 月］

The Influence of Vibration Isolator Damping on Cabin Power Equipment's Vibration

HUA Chunmei,WANG Yu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Taking the vibration characteristics of cabin power equipment as the research object,the author conducts a research of ship's steam turbine generating set and buoyant raft vibration isolation system based on the finite element method.The author carries out the vibration isolator layout design and working condition setting according to the real working condition,studies the influence of damping change on power equipment's vibration characteristics according to numerical simulation,calculates the vibration intensity curve,reveals the influence trend of vibration isolator damping on steam turbine generating set's vibration characteristics,and provides reference for cabin power equipment vibration reducing analysis.

power equipment;cabin;finite element;damping;vibration

U661.73

A

2095-5928（2014）05-55-05

2014-05-15

遼寧省教育廳科研項(xiàng)目（L2013513）；渤海船舶職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（2013122817）

華春梅（1969-），女，黑龍江肇東人，高級(jí)講師，碩士，研究方向：電氣工程。