筏架和基座特性對浮筏隔振效果的影響

蘇常偉，朱海潮，毛榮富

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

筏架和基座特性對浮筏隔振效果的影響

蘇常偉1,2，朱海潮1,2，毛榮富1,2

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

從浮筏隔振系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的廣義四端參數(shù)矩陣入手，推導振級落差的計算方法。在此基礎上，以某型發(fā)電機組浮筏隔振裝置及其船體基座為研究對象，進行數(shù)值仿真，探討筏架與基座對隔振效果的影響。結果表明，基座結構會對隔振效果產生較大的影響，而筏架結構對隔振效果的影響較小。

浮筏；隔振效果；振級落差；基座

0 引 言

浮筏隔振技術是控制機械設備振動向船體傳遞的有效手段，因其良好的隔振效果而受到極大關注[1]，并已獲得廣泛應用。目前浮筏技術的研究主要集中在如何提高其隔振效果、浮筏隔振系統(tǒng)的規(guī)范設計、隔振效果的計算與評估等方面。張華良等[2]從隔振傳遞率的角度研究了筏架質量、剛度和機構阻尼對整個系統(tǒng)隔振性能的影響；江國和等[3]以系統(tǒng)固有頻率和筏架振動響應為依據(jù)，研究隔振器剛度和筏架質量對隔振性能的影響；張冰等[4]推導了一種用于浮筏隔振系統(tǒng)傳遞功率流計算的新方法，計算分析了筏架安裝和機組振幅比對隔振效果的影響。

另一方面，國內設計的浮筏隔振裝置多次出現(xiàn)陸上聯(lián)調試驗效果較好，而實船效果較差的情況。產生上述現(xiàn)象的一個原因可能是被隔振機組與船體結構間因為管路、電纜而引起的所謂聲傳遞第2通道[5]，此問題可通過管路系統(tǒng)的柔性連接和彈性支撐等方法解決；另一個原因可能是船體安裝基座的影響，陸上聯(lián)調時，基座阻抗很大，而實船基座的阻抗較小。那么，在質量有限的條件下，如何設計船體基座，提高浮筏隔振系統(tǒng)的效果,有關研究尚不多見。本文以某型發(fā)電機組浮筏隔振裝置及其船體基座為研究對象，利用廣義四端參數(shù)法，探討了筏架參數(shù)和船體基座參數(shù)對隔振效果的影響，得到了有益的結論。

1 浮筏隔振系統(tǒng)

1.1 動力學模型

浮筏隔振系統(tǒng)的動力學模型如圖1所示，由振源(機器)系統(tǒng)、上下層隔振器系統(tǒng)、中間筏架結構系統(tǒng)和基座結構系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成。在該系統(tǒng)中,機組由于剛性較好,一般可視作為剛體,筏架與基座的結構相對機組而言較為單薄,應視為彈性體。

圖1 浮筏隔振裝置的動力學模型Fig.1 The mechanical model of raft vibration isolation system

系統(tǒng)狀態(tài)空間S可表示為：S={Fe,Vo;F1,V1;F2,V2;F3,V3;F4,V4}。

(1)

式中：Fe為激勵向量,Vo為機器質心處速度響應向量；F1,V1為上層隔振器的輸入端力向量和速度響應向量；F2,V2為上層隔振器的輸出端力向量和速度響應向量；F3,V3為下層隔振器的輸入端力向量和速度響應向量；F4,V4為下層隔振器的輸出端力向量和速度響應向量。

1.2 系統(tǒng)分析

對圖1中浮筏隔振裝置利用廣義四端參數(shù)法可得：

(2)

V4=EF4。

(3)

1.3 振級落差LD

目前，通常采用振級落差來評定各種實際系統(tǒng)的隔振效果。這里選用速度振級落差，則有

(4)

式中：V1i為機器與上層隔振器聯(lián)結界面上第i個聯(lián)結節(jié)點處的速度響應；V4j為下層隔振器與基座聯(lián)結界面上第j個聯(lián)結節(jié)點處的速度響應；m為上層隔振器數(shù)目；n為下層隔振器數(shù)目。

聯(lián)合式(2)～式(4)，即可求解振級落差。

2 數(shù)值仿真

2.1 模型建立與驗證

為探討筏架與基座特性對隔振效果的具體影響，本文以某型發(fā)電機組浮筏隔振裝置及其基座為對象進行分析研究。該裝置主要參數(shù)如下：2臺發(fā)電機組型號相同(質量mo=4 366 kg，轉速1 500 r/min)；筏架為板架焊接結構，質量M=2 280 kg，尺寸2 800 mm×2 800 mm×250 mm；每臺機組通過8只固有頻率6 Hz、額定承載能力600 kg的橡膠隔振器平置安裝在筏架上；下層隔振器為8只固有頻率4.5 Hz、承載能力1 400 kg的氣囊隔振器，也為平置安裝；基座為由面板、腹板和肘板構成的焊接結構。建立該浮筏隔振裝置的有限元模型，如圖2所示，以獲得矩陣A，C，E等相關參數(shù)。

為了驗證有限元模型的準確性，首先對浮筏筏架進行了模態(tài)測試，并將模態(tài)測試結果與有限元分析結果進行對比，具體模態(tài)頻率的對比如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看到，模態(tài)測試結果與有限元模型計算得到的結果較為接近，模態(tài)頻率的誤差最大也只在6%左右，考慮到筏架加工和測試誤差等因素，上述誤差在正常的偏差范圍之內。以上分析證明了有限元模型的準確性，因而所建立的有限元模型可以用于隔振系統(tǒng)的響應分析。

圖2 某型發(fā)電機組浮筏隔振裝置的有限元模型

Fig.2 The finite element model of the generator and raft system

表1 有限元分析與模態(tài)測試的模態(tài)頻率對比

2.2 筏架與基座對隔振效果的影響

2.2.1 筏架設計對隔振效果的影響

筏架設計參數(shù)分為剛體影響參數(shù)和彈性影響參數(shù)。

剛體影響參數(shù)包括質量與3個方向的轉動慣量。眾所周知，增加筏架質量可以提高隔振效果，但由于增加質量會導致系統(tǒng)過于笨重而使其應用價值降低，一般不采用此方法提高隔振效果。因此，下面只對轉動慣量的影響進行研究。分別將筏架的橫向、縱向、垂向轉動慣量取其初值的0.5～1.5倍，根據(jù)式(4)，3種情況下的振級落差曲線和總振級落差如圖3～圖4所示。由圖3可見，改變筏架橫向轉動慣量對振級落差的影響并不明顯。由圖4可見，增大筏架縱向轉動慣量總體能使振級落差略為增大，當取值從0.5倍變化至1.5倍時，總振級落差的變化范圍始終在3 dB以內。由圖5可見，增大筏架垂向轉動慣量對振級落差的影響不明顯。

圖3 橫向轉動慣量對振級落差的影響Fig.3 Effect of transverse moment of inertia on vibration level difference

圖4 縱向轉動慣量對振級落差的影響Fig.4 Effect of fore-and-aft moment of inertia on vibration level difference

圖5 垂向轉動慣量對振級落差的影響Fig.5 Effect of vertical moment of inertia on vibration level difference

彈性影響參數(shù)的影響可以用筏架的首階彈性模態(tài)頻率的影響進行探討。將筏架的首階彈性模態(tài)頻率取其初值的1～10倍，根據(jù)式(4)可得，振級落差曲線和總振級落差如圖6所示。圖6表明，增大筏架的首階彈性模態(tài)頻率對振級落差的影響不大，首階彈性模態(tài)頻率增大到原來10倍時，總振級落差的變化范圍小于0.2 dB。分析可知，該隔振裝置中筏架的首階模態(tài)頻率值為38.3 Hz，相對于機組主要激勵頻率25 Hz(1 500 r/min)來說，其彈性影響不大，可以看成剛體浮筏。因此，對于此裝置，從改善隔振效果角度來看，沒有必要一味提高其剛度。

圖6 筏架的彈性模態(tài)頻率對振級落差的影響Fig.6 Effect of the elastic modal frequency of raft on vibration level difference

2.2.2 基座設計對隔振效果的影響

盡管已有學者開展了基座對隔振系統(tǒng)的隔振效果影響的研究，但在浮筏隔振裝置的設計中，尚未將基座納入進行一體化設計?；Y構的影響主要體現(xiàn)在基礎的剛性/導納對隔振效果的影響。下面以基座的首階彈性模態(tài)頻率的影響進行探討。將基礎的首階彈性模態(tài)頻率取其初值的1～10倍，根據(jù)式(4)可得，振級落差曲線和總振級落差如圖7所示。

圖7 基礎的彈性模態(tài)頻率對振級落差的影響Fig.7 Effect of the elastic modal frequency of base on vibration level difference

由圖7可見，增大基座的彈性模態(tài)頻率對振級落差的影響非常明顯，增大基座的彈性模態(tài)頻率可以顯著提高總振級落差。因此，為有效地控制動力設備的振動與結構噪聲的傳遞，應在設計階段充分考慮浮筏基座參數(shù)的影響。

3 結 語

本文選取速度振級落差評估隔振效果，利用廣義四端參數(shù)法推導出了求解振級落差LD的方法，結合某型發(fā)電機組浮筏隔振裝置及其船體基座，探討了筏架設計參數(shù)和基座設計參數(shù)對隔振效果的影響。通過上述研究得到如下結論：

1)對于該型發(fā)電機組浮筏隔振裝置，在不改變原來筏架質量的前提下，改變筏架在3個方向上的轉動慣量或者改變筏架的剛度，對隔振效果的影響較??；

2)改變基座結構會對隔振效果產生較大的影響，提高基座的首階彈性模態(tài)頻率可以顯著增強隔振效果，因此，浮筏系統(tǒng)的基座設計應受到充分的關注，其重要性并不亞于筏體以及隔振器的設計。

[1] 朱石堅,何琳.船舶機械振動控制[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006：36-64.

ZHU Shi-jian,HE Lin.Vibration control of onboard machinery[M].Beijing:National Defense Industry Press,2006：36-64.

[2] 張華良,傅志方,瞿祖清.浮筏隔振系統(tǒng)各主要參數(shù)對系統(tǒng)隔振性能的影響[J].振動與沖擊,2000,19(2):5-8. ZHANG Hua-liang,FU Zhi-fang,QU Zu-qing.The effects of parameters of floating raft isolation system on its isolation characteristics[J].Journal of Vibration and Shock,2000,19(2):5-8.

[3] 江國和,邵文正.三維彈性浮筏隔振系統(tǒng)參數(shù)對隔振性能的影響[J].機電信息,2010,(18):184-185. JIANG Guo-he,SHAO Wen-zheng.The effects of parameters of three dimensional elastic floating raft isolation system on its isolation characteristics[J]. Mechanical and Electrical Information,2010,(18):184-185.

[4] 張冰,宋孔杰,孫玲玲,等.浮筏隔振系統(tǒng)的傳遞功率流研究[J].噪聲與振動控制,2002(2):3-5. ZHANG Bing,SONG Kong-jie,SUN Ling-ling,et al.Investigation on the power flow transmission of floating raft system[J].Noise and Vibration Control,2002(2):3-5.

[5] 王國治,李良碧.船舶浮筏裝置結構非剛性影響的試驗研究[J].船舶工程,2000(6):32-34. WANG Guo-zhi,LI Liang-bi.Experimental research on influence of structural elasticity on the property of ship′s floating raft installation[J].Marine Engineering,2000(6):32-34.

[6] 孫玉國,霍睿,高洪芬,等.柔性板基礎隔振系統(tǒng)功率流傳遞特性[J].山東工業(yè)大學學報,1999,29(2):101-106. SUN Yu-guo,HUO Rui,GAO Hong-fen,et al.Power flow transmission of vibration isolating system on the flexible plate foundation[J].Journal of Shandong Engineering University,1999,29(2):101-106.

[7] 張冰,宋孔杰,孫玲玲.一種用于浮筏功率流計算的新方法[J].山東大學學報,2003,33(6):241-244. ZHANG Bing,SONG Kong-jie,SUN Ling-ling.A new appro-ach to the power flow calculation of floating raft system[J].Journal of Shandong University,2003,33(6):241-244.

Influences on isolation effectiveness of a generator set and raft vibration isolation system

SU Chang-wei1,2， ZHU Hai-chao1,2， MAO Rong-fu1,2

(1.Institute of Noise and Vibration, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

An approach is deduced to calculate vibration level difference in accordance with the generalized four-pole parametric matrices of each subsystem in the raft vibration isolation system. With a generator set and raft vibration isolation system and its base as the object of the research, numerical simulations are carried out, and the influences of raft and base on isolation effectiveness are discussed. The results indicate that, the base has a greater influence on isolation effectiveness, but the influence of raft is small.

floating raft; isolation effectiveness; vibration level difference; base

2013-09-09;

2013-10-12

蘇常偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為振動與噪聲控制。

TB53；TB123

A

1672-7649(2014)12-0039-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.008