船舶輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

夏兆旺，張 帆，魏守貝，方媛媛

（1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 10076）

從國防建設(shè)的角度，安靜性潛艇技術(shù)以及水面艦船的隱身技術(shù)越來越受到國家重視［1－3］。從民品開發(fā)的角度［4－6］，各種高性能船舶對(duì)航行的舒適性提出了很高的要求，某些特殊的船舶如海洋調(diào)查船、水文測量船以及漁船等，均要求在低噪聲的環(huán)境中長期工作［7－9］。隨著新技術(shù)與新材料的大量采用，以往的船舶設(shè)備的減振降噪技術(shù)已不能適應(yīng)迅速發(fā)展的造船業(yè)的需要，對(duì)船舶主輔機(jī)設(shè)備隔振的研究越來越受到廣泛的關(guān)注［10－11］，國內(nèi)外高校也開展了相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作［12－13］。

“船舶輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”的研制，將作為B＆K振動(dòng)噪聲測試分析系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以滿足面向輪機(jī)工程、熱能與動(dòng)力工程等專業(yè)本科生開設(shè)的“船舶振動(dòng)噪聲控制”、“機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)”、“振動(dòng)噪聲控制”、“狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷基礎(chǔ)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以滿足面向輪機(jī)工程研究生開設(shè)的“信號(hào)分析技術(shù)”和“噪聲振動(dòng)控制”等課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

為滿足輪機(jī)工程專業(yè)本科教學(xué)和科研的需要，振動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)室將設(shè)計(jì)、加工“機(jī)艙輔機(jī)設(shè)備浮筏隔振臺(tái)架”系統(tǒng)（長2.5m，寬1m）。經(jīng)過前期的調(diào)研和分析，“機(jī)艙輔機(jī)設(shè)備浮筏隔振臺(tái)架”系統(tǒng)包含空氣壓縮機(jī)共振系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)動(dòng)力吸振系統(tǒng)、電機(jī)浮筏隔振系統(tǒng)、柴油機(jī)單和雙層減振系統(tǒng)。該臺(tái)架的設(shè)計(jì)將有助于學(xué)生深入認(rèn)識(shí)典型船用機(jī)械設(shè)備的共振特性，同時(shí)臺(tái)架結(jié)構(gòu)包含了目前船舶輔機(jī)設(shè)備常見的減振降噪措施：單層隔振、浮筏隔振和動(dòng)力吸振等方法。

1.1 空氣壓縮機(jī)動(dòng)力共振系統(tǒng)

選用一臺(tái)空氣壓縮機(jī)，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)2種工作狀態(tài)：（1）空氣壓縮機(jī)直接安裝于基座上，將柴油機(jī)通過螺栓剛性連接在基座上，研究系統(tǒng)的振動(dòng)特性；（2）空氣壓縮機(jī)單層隔振系統(tǒng)，如圖1所示，根據(jù)空氣壓縮機(jī)質(zhì)量，設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)支撐系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的共振頻率等于空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，從而使得空氣壓縮機(jī)達(dá)到共振狀態(tài)，研究共振系統(tǒng)的振動(dòng)特征。該系統(tǒng)主要向?qū)W生介紹：減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，不但起不到減振降噪的效果，反而會(huì)加劇原系統(tǒng)的振動(dòng)量。

圖1 空氣壓縮機(jī)共振系統(tǒng)

1.2 空氣壓縮機(jī)動(dòng)力吸振系統(tǒng)

在空氣壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)可以方便懸掛的動(dòng)力吸振系統(tǒng)。針對(duì)空氣壓縮機(jī)共振系統(tǒng)的共振頻率，設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器質(zhì)量塊質(zhì)量、剛度和阻尼，選擇合適的減振器，如圖2所示。該系統(tǒng)主要介紹動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)原理、方法等知識(shí)點(diǎn)。

圖2 空氣壓縮機(jī)動(dòng)力吸振系統(tǒng)

1.3 柴油機(jī)單、雙層減振系統(tǒng)

選用型號(hào)為R175的常州柴油機(jī)公司的柴油機(jī)。該系統(tǒng)主要用于研究柴油機(jī)單層、雙層隔振系統(tǒng)的減振效果。為便于比較，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)3種工作狀態(tài)：（1）柴油機(jī)直接安裝狀態(tài)，將柴油機(jī)通過螺栓剛性連接在基座上；（2）柴油機(jī)單層隔振系統(tǒng)，圖3所示，通過測量、分析柴油機(jī)直接安裝時(shí)的振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)單層隔振系統(tǒng)的支撐剛度及阻尼，合理選擇減振器，實(shí)現(xiàn)減振的目的；（3）為進(jìn)一步降低柴油機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)量，設(shè)計(jì)雙層減振系統(tǒng)（見圖4），主要包括：根據(jù)柴油機(jī)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)中間質(zhì)量塊的質(zhì)量及形狀、質(zhì)量塊的支撐剛度和阻尼、柴油機(jī)的支撐剛度和阻尼、選擇合適型號(hào)的減振器。

圖3 柴油機(jī)單層隔振系統(tǒng)

圖4 柴油機(jī)雙層隔振系統(tǒng)

1.4 電機(jī)浮筏隔振系統(tǒng)

選用風(fēng)機(jī)、電機(jī)兩種輔機(jī)設(shè)備，根據(jù)振動(dòng)電機(jī)質(zhì)量和轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)浮筏隔振系統(tǒng)：筏架質(zhì)量和結(jié)構(gòu)、筏架的支撐剛度和阻尼、電機(jī)的支撐剛度和阻尼、選擇減振器。電機(jī)浮筏隔振系統(tǒng)如圖5所示。這部分將主要介紹減振效果更好的浮筏隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及理論。

圖5 電機(jī)浮筏隔振系統(tǒng)

2 橡膠隔振器的選取

單層隔振系統(tǒng)：空氣壓縮機(jī)為JD－2025B型，其質(zhì)量為26kg，轉(zhuǎn)速為2 850r/min；2個(gè) BE－40型隔振器，2個(gè)BE－160型隔振器。

雙層隔振系統(tǒng)：柴油機(jī)為常柴R175型，其質(zhì)量為60kg，轉(zhuǎn)速為2 800r/min；4個(gè)BE－25型隔振器。

浮筏隔振系統(tǒng)：三相異步電機(jī)為YS135－2型，其質(zhì)量為44.6kg，轉(zhuǎn)速為2 900r/min；風(fēng)機(jī)為 YY801－4型，其質(zhì)量為30kg，轉(zhuǎn)速為1 400r/min；4個(gè) BE－25型隔振器和2個(gè)BE－15型橡膠隔振器。

3 輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

按照上述設(shè)計(jì)思路和輔機(jī)型號(hào)等參數(shù)設(shè)計(jì)加工的船舶輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖6。

圖6 船舶輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4 輔機(jī)隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隔振測試分析

4.1 動(dòng)力吸振實(shí)驗(yàn)

空氣壓縮機(jī)處于2 850r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，吸振系統(tǒng)的隔振效果如圖7所示。

圖7 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的隔振效果

從圖8可以看出，空氣壓縮機(jī)吸振系統(tǒng)取得了理想的吸振效果，振動(dòng)傳遞率為83%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2 雙層隔振實(shí)驗(yàn)

柴油機(jī)處于2 280r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，雙層隔振系統(tǒng)的隔振效果如圖8所示。

從圖9可以看出，柴油雙層隔振系統(tǒng)取得了理想的隔振效果，振動(dòng)傳遞率為87%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 柴油機(jī)雙層隔振效果

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了船舶輔機(jī)隔振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，船舶輔機(jī)吸振系統(tǒng)、雙層隔振系統(tǒng)和浮筏隔振系統(tǒng)均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能很好地滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要。

（

）

［1］費(fèi)景洲，張鵬，馬修真，等.船舶動(dòng)力技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心內(nèi)涵建設(shè)探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（6）：158－161.

［2］徐張明，汪玉.船舶結(jié)構(gòu)的建模及水下振動(dòng)和輻射噪聲的FEM/BEM 計(jì)算［J］.船舶力學(xué)，2002，6（4）：89－95.

［3］俞孟薩，林立.水下航行體機(jī)械噪聲的工程預(yù)報(bào)方法［J］.中國造船，2001，42（2）：82－89.

［4］Pang L，Kamath G M，Wereley N M.Dynamic character inattention and analysis of magneto－rheological damper behavior［J］.Journal of Sound and Vibration，1998，209（4）：671－684.

［5］Dyke S J，Spencer B F，Sain M K.Experimental study of MR dampers for seismic protection［J］.Smart Material and Structures，1998，7（5）：693－703.

［6］Choi S B，Lee S K.A hystreresis modle for the field－dependent damping force of a magneto－rhological damping［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，245（2）：375－383.

［7］田正東，姚熊亮，沈志華.基于MR的船用減振抗沖隔離器力學(xué)特性研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（8）：783－788.

［8］葛亞明，于鑫，呂淑平.系泊狀態(tài)下船舶基座水平度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（3）：55－58.

［9］周炎，李國剛，童宗鵬.船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.上海造船，2010（1）：31－34.

［10］敬劉凱，吳文偉，翁震平.帶主動(dòng)動(dòng)力吸振器的浮筏隔振系統(tǒng)自適應(yīng)控制仿真分析［J］.船舶力學(xué)，2014，18（8）：989－995.

［11］張峰，許樹浩，俞孟薩，等.浮筏隔振效果評(píng)定的矢量四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方法與試驗(yàn)研究［J］.船舶力學(xué)，2011，15（10）：1173－1181.

［12］卜文俊，何琳，施亮.船舶推進(jìn)裝置氣囊隔振系統(tǒng)對(duì)中可控性問題研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2015，34（5）：56－60.

［13］張懿時(shí)，童宗鵬，周炎，等.船舶齒輪箱硬彈性隔振技術(shù)研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（3）：153－155.