隔振器不同安裝工藝對(duì)浮筏聲學(xué)性能的影響

許 銳，徐建龍，郭 寧，徐北平

(武昌造船廠集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430060)

0 引 言

機(jī)械噪聲是艦船航行時(shí)的主要噪聲源之一，控制機(jī)械噪聲已成為當(dāng)前提高艦船聲隱身性能的首要任務(wù)。目前，主要采用低噪聲設(shè)備和采取隔振措施降低艦船機(jī)械噪聲［1］，其中，隔振措施主要利用單層、雙層或浮筏隔振裝置，艦船隱蔽航行工況下需開(kāi)啟的設(shè)備一般都采用了雙層及浮筏隔振裝置［2-3］。隔振器是隔振裝置的主要組成元器件，可以阻礙激勵(lì)力向隔振器下端傳遞，從而達(dá)到降低振動(dòng)能量向船體結(jié)構(gòu)傳遞的目的。

隔振器的聲學(xué)性能不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，而且與建造工藝和建造質(zhì)量有密切的關(guān)系，其安裝質(zhì)量的好壞直接影響隔振設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此，隔振器安裝工藝研究是目前艦船建造中急需開(kāi)展的工作。本文通過(guò)對(duì)不同平面度和厚度墊板以及螺栓緊固力矩工藝安裝下組件的阻抗測(cè)試，將其應(yīng)用于浮筏仿真模型，通過(guò)仿真分析，確定3 種安裝工藝要素的參數(shù)控制范圍。

1 不同安裝工藝下隔振器和墊板組件機(jī)械阻抗測(cè)試分析

本次試驗(yàn)針對(duì)JCG-2500B 隔振器橫向?qū)ΨQ(chēng)布置狀態(tài)，在100%(2.5 t)載荷下，對(duì)不同厚度、不同平面度和不同螺栓緊固力矩時(shí)的X 向(橫向)與Z 向(軸向)隔振器正、反置的機(jī)械阻抗進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量［4-5］。

依據(jù)四端參數(shù)法可知，對(duì)于隔振器組件，當(dāng)其在某一坐標(biāo)方向受到單向振動(dòng)時(shí)，其兩端的動(dòng)態(tài)力與振動(dòng)速度的關(guān)系如下:

式中:F1和F2為1 結(jié)點(diǎn)與2 結(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)力;v1和v2為1 結(jié)點(diǎn)與2 結(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度;Z11和Z22與Z12和Z21分別為隔振器組件的原點(diǎn)與跨點(diǎn)機(jī)械阻抗。

各阻抗均為復(fù)數(shù)值，因此，由式(1)可得

按照互易性原則，則有Z12=Z21;對(duì)于對(duì)稱(chēng)的柔性元件，則有Z12=Z21和Z11=Z22?？紤]到試驗(yàn)對(duì)象的不對(duì)稱(chēng)性，即正置和反置的機(jī)械阻抗不同，因此，測(cè)量時(shí)兩向的機(jī)械阻抗均需測(cè)試。另外，考慮到實(shí)際情況下，隔振器不僅會(huì)受到Z 向的激勵(lì)，同時(shí)還受到X 向的剪力，因此，需要對(duì)Z 向和X 向的傳遞阻抗均做相關(guān)的測(cè)試分析工作。

為了計(jì)算隔振器的阻抗，需要隔振器輸出端的振動(dòng)被堵塞，從而使阻抗式中的輸出端速度為0，試驗(yàn)時(shí)在一個(gè)大質(zhì)量的阻抗平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)溫度在7℃～14℃之間，其測(cè)試結(jié)果以5 ～1 000 Hz 線譜形式給出。試驗(yàn)時(shí)，為從統(tǒng)計(jì)規(guī)律比較不同安裝工藝狀態(tài)下隔振器機(jī)械阻抗的變化，每個(gè)安裝工藝狀態(tài)測(cè)量了多個(gè)樣本，對(duì)相同樣本的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了算術(shù)平均。具體的測(cè)試安裝圖如圖1 ～圖4所示。

圖1 JCG-2500B 隔振器機(jī)械阻抗X 向正置測(cè)試圖Fig.1 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction

圖2 JCG-2500B 隔振器機(jī)械阻抗X 向反置測(cè)試圖Fig.2 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction

圖3 JCG-2500B 隔振器機(jī)械阻抗Z 向正置測(cè)試圖Fig.3 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction

圖4 JCG-2500B 隔振器機(jī)械阻抗Z 向反置測(cè)試圖Fig.4 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction

1.1 隔振器和不同平面度墊板組件機(jī)械阻抗測(cè)試分析

保持墊板厚度(35 mm)和螺栓緊固力矩(385 N·m)不變，改變隔振器墊板的平面度，通過(guò)測(cè)試組件X 向和Z 向隔振器的正、反置輸入與傳遞機(jī)械阻抗，并對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，明確其隔振器墊板不同平面度對(duì)隔振器和墊板組件機(jī)械阻抗的影響程度。

圖5 ～圖8 分別為隔振器不同墊板平面度下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗以及Z 向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗的平均結(jié)果。

圖5 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同平面度傳遞阻抗比較Fig.5 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction

圖6 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同平面度傳遞阻抗比較Fig.6 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction

圖7 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同平面度傳遞阻抗比較Fig.7 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction

圖8 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同平面度傳遞阻抗比較Fig.8 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction

對(duì)比圖5和圖6 可以發(fā)現(xiàn)，不同平面度墊板對(duì)JCG-2500B 隔振器X 向的兩端的傳遞阻抗在700 Hz以上時(shí)谷值發(fā)生偏移，同時(shí)在谷值頻率處，0.2 mm平面度對(duì)應(yīng)的傳遞阻抗值偏小;此外，隔振器在X向反置時(shí)的傳遞抗值相對(duì)于正置時(shí)的傳遞阻抗值有所降低。由此可以說(shuō)明，隔振器在Z 向安裝時(shí)，當(dāng)頂部受到剪切力時(shí)，其隔振效果要優(yōu)于底部受到剪切力時(shí)的情況。對(duì)比圖7和圖8 可知，Z 向安裝時(shí)，無(wú)論正置還是反置均對(duì)傳遞阻抗的影響較小。

1.2 JCG-2500B 型隔振器和不同厚度墊板組件機(jī)械阻抗測(cè)試分析

在保持墊板平面度(0.05 mm)和螺栓緊固力矩(385 N·m)不變的情況下，通過(guò)改變隔振器墊板的厚度，測(cè)試組件X 向和Z 向隔振器的正、反置輸入與傳遞機(jī)械阻抗，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，明確隔振器墊板不同厚度對(duì)隔振器和墊板組件機(jī)械阻抗的影響程度。圖9 ～圖12 分別為不同墊板厚度下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗以及Z 向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗的平均結(jié)果。

圖9 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同墊板厚度傳遞阻抗比較Fig.9 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction

圖10 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同墊板厚度傳遞阻抗比較Fig.10 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction

圖11 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同墊板厚度傳遞阻抗比較Fig.11 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction

圖12 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同墊板厚度傳遞阻抗比較Fig.12 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction

從圖9 ～圖12 中可以看出，墊板厚度對(duì)JCG-2500B 隔振器X 向、Z 向的傳遞阻抗在700 Hz 以上時(shí)谷值發(fā)生偏移，同時(shí)谷值發(fā)生變化。但X 向的離散程度明顯高于Z 向。

1.3 隔振器和墊板組件的不同螺栓緊固力矩機(jī)械阻抗測(cè)試分析

為了分析隔振器墊板不同螺栓緊固力矩對(duì)隔振器和墊板組件機(jī)械阻抗的影響，在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量Z 向機(jī)械阻抗時(shí)選用同一塊墊板，測(cè)量X 向機(jī)械阻抗時(shí)選用同樣2 塊墊板，保持墊板平面度(0.03 mm)和墊板厚度(35 mm)不變，僅改變螺栓緊固力矩。

圖13 ～圖16 分別為不同螺栓緊固力矩下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗以及Z向的正、反置傳遞機(jī)械阻抗的平均結(jié)果。

圖13 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同螺栓力矩傳遞阻抗比較Fig.13 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction

圖14 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同螺栓力矩傳遞阻抗比較Fig.14 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction

圖15 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同螺栓力矩傳遞阻抗比較Fig.15 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction

從圖13 ～圖16 可看出，在所選取的幾組螺栓緊固力矩下，JCG-2500B 隔振器X 向、Z 向的傳遞阻抗比較穩(wěn)定，螺栓緊固力矩對(duì)隔振器和墊板組件機(jī)械阻抗的影響較小。

圖16 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同螺栓力矩傳遞阻抗比較Fig.16 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction

2 不同工藝狀態(tài)機(jī)械阻抗仿真計(jì)算分析

為了分析不同工藝狀態(tài)機(jī)械阻抗對(duì)振動(dòng)傳遞功率流和隔振效果的影響規(guī)律，建立了如圖17所示的筏架及剛性連接附件的有限元仿真計(jì)算模型。利用不同工藝狀態(tài)機(jī)械阻抗和浮筏基座阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)給定機(jī)器質(zhì)心處的Z 方向上施加一個(gè)單位激勵(lì)力，模擬單臺(tái)設(shè)備及組合工況開(kāi)啟狀態(tài)，計(jì)算振動(dòng)傳遞功率流，用振級(jí)形式(即dB)評(píng)估不同工藝狀態(tài)機(jī)械阻抗對(duì)振動(dòng)傳遞功率流和隔振效果的影響規(guī)律［6-10］。

圖17 筏架及剛性連接附件的有限元模型Fig.17 FEM model of floating raft and the rigidity attachment

2.1 隔振器和不同平面度墊板組件的各種機(jī)械阻抗仿真計(jì)算分析

1)設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況

表1 給出了設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表1 設(shè)備1 開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.1 Comparison of various parameters after run the machine 1(power flow level/dB)

從表1 中的數(shù)據(jù)可看出，設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，對(duì)功率流傳遞有影響，基礎(chǔ)輸出功率流總級(jí)隨平面度的增大而減小。因此，在設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟情況下，墊板的平面度應(yīng)加工成0.15 ～0.2 mm。

2)設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況

表2 給出了設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表2 設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.2 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)

從表2 可看出，設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，不同平面度對(duì)系統(tǒng)傳遞功率流都有影響，基礎(chǔ)輸出功率流總級(jí)隨平面度的增大而增大。因此，在設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟情況下，墊板的平面度應(yīng)加工成0.05 ～0.1 mm。

總體來(lái)說(shuō)，浮筏下層隔振器墊板平面度對(duì)浮筏傳遞功率流影響不大，雖平面度對(duì)浮筏上設(shè)備1和設(shè)備2 分別單獨(dú)開(kāi)啟的浮筏傳遞功率流總級(jí)有2 ～4 dB 左右的影響，但平面度對(duì)2 臺(tái)設(shè)備單獨(dú)開(kāi)啟的浮筏傳遞功率流的影響結(jié)論不同，在設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟情況下，墊板的平面度應(yīng)加工成0.15 ～0.20 mm;在設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟情況下，墊板的平面度應(yīng)加工成0.05 ～0.1 mm。綜合考慮到設(shè)備1和設(shè)備2 都是浮筏上2 臺(tái)重要設(shè)備，需要經(jīng)常開(kāi)啟，墊板平面度控制在0.05 ～0.20 mm 以?xún)?nèi)都可。

2.2 隔振器和不同厚度墊板組件的各種機(jī)械阻抗仿真計(jì)算分析

1)設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況

表3 給出了設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表3 設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.3 Comparison of various parameters after run the machine 1(power flow level/dB)

從表3 可看出，設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，不同厚度對(duì)功率流傳遞影響較小，可以忽略不計(jì)。

2)設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況

表4 給出了設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表4 設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.4 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)

從表4 可看出，設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，不同厚度對(duì)功率流傳遞影響較大，但厚度對(duì)傳遞功率的影響無(wú)規(guī)律，其中，厚度為8 mm 時(shí)，傳遞功率流總級(jí)落差達(dá)最大。

總體來(lái)說(shuō)，浮筏下層隔振器墊板厚度對(duì)浮筏傳遞功率流影響不大，但對(duì)設(shè)備2 有較大影響，從平面度加工精度控制方面考慮，墊板厚度應(yīng)控制在35 mm 較合適。

3.3 隔振器和墊板組件的不同螺栓緊固力矩的各種機(jī)械阻抗仿真計(jì)算分析

1)設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況

表5 給出了設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表5 設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.5 Comparison of various parameters after run the machine(power flow level/dB)

從表5 可看出，設(shè)備1 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，不同螺栓緊固力矩對(duì)功率流傳遞影響較小，可以忽略不計(jì)。

2)設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況

表6 給出了設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較。

表6 設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟工況各種參數(shù)的比較(功率流總級(jí)/dB)Tab.6 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)

從表6 中的數(shù)據(jù)可看出，設(shè)備2 單機(jī)開(kāi)啟時(shí)，不同螺栓緊固力矩對(duì)功率流傳遞影響較小，可以忽略不計(jì)。

總體來(lái)講，浮筏下層隔振器螺栓緊固力矩對(duì)浮筏傳遞功率流影響不大，故螺栓緊固力矩控制在320 ～500 N·m 即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)械阻抗測(cè)試和浮筏功率流仿真計(jì)算，研究了JCG-2500B 型隔振器對(duì)墊板平面度、墊板厚度和螺栓緊固力矩對(duì)機(jī)械阻抗、功率流的影響，經(jīng)對(duì)阻抗測(cè)試和仿真計(jì)算分析，通過(guò)功率流評(píng)價(jià)了3種工藝效果，可得出如下結(jié)論:

1)浮筏下層隔振器的不同安裝工藝——墊板平面度、墊板厚度和螺栓緊固力矩在所選取的樣本范圍內(nèi)，對(duì)浮筏傳遞功率流影響較小;

2)在浮筏安裝過(guò)程中，建議墊板平面度加工成0.05 ～0.2 mm，墊板厚度控制在35 mm，螺栓緊固力矩不小于320 N·m。

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