船用大型冷水機組減振結構設計

姜國璠

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

船用大型冷水機組減振結構設計

姜國璠

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

對于船用大型冷水機組而言，結構振動和環(huán)境振動是影響質量可靠性的兩大重要因素。本文通過對冷水機組的關鍵結構件設計、試驗結果分析，總結出較為適宜船用大型冷水機組的減振結構設計思路。

結構設計；減振；冷水機組

冷水機組作為船舶的冷源，需要源源不斷地持續(xù)為空調艙室、重要設備、冷凍艙室提供冷量，從而提高船員的生活舒適度、確保重要設備的工作環(huán)境以及為食物、海產品等創(chuàng)造穩(wěn)定的保鮮環(huán)境。而往往由于機組結構振動與機組承受到的環(huán)境振動的相互影響，極容易造成結構件應力惡化從而影響機組壽命。甚者，因機組結構振動傳遞到安裝基礎，對安裝環(huán)境乃至船舶整體造成振動損傷。因此，通過合理、有效的設計手段減小冷水機組結構振動是提高船用空調設備質量可靠性的必要手段。

振動的控制途徑和方法主要有振源控制、振動傳遞路徑的控制以及振動接受端的控制[1]。其中振動傳遞路徑的控制是現(xiàn)階段冷水機組減振的主要手段。

控制振動的一個主要方法就是隔振。隔振，就是在振動源與地基、地基與需要防振的機器設備之間，安裝具有一定彈性的裝置，使得振動源與地基之間或者設備與地基之間的近剛性連接成為彈性連接，以隔離或者減少振動能量的傳遞，達到減振的目的[1]。

壓縮機作為冷水機組的核心振源，其產生的振動通過安裝支架以及底部結構件傳遞到整機底座，再通過底座與地基之間的連接處傳遞給船舶。本文旨在通過介紹一個典型冷水機組減振設計案例，總結船用大型冷水機組減振結構設計思路。

1 實驗要求

1.1 結構振動要求

根據(jù)相關技術文件要求，冷水機組依據(jù)《艦船設備噪聲、振動測量方法》（GJB 4058-2000）中規(guī)定的振動測試方法測得振動參數(shù)滿足表1的要求。

1.2 測試點要求

冷水機組整機結構方式為壓縮機位于頂部，下面依次為壓縮機安裝支架、換熱器、底座。壓縮機產生的振動最終通過底座傳遞給船體，所

以振動測試點為底座與船體連接螺栓處。具體如圖1所示。

表1 振動目標值

圖1 冷水機組振動測試點

圖2 僅壓縮機隔振系統(tǒng)

圖3 冷水機組整機隔振系統(tǒng)

圖4 冷水機組雙層隔振系統(tǒng)

2 振動系統(tǒng)分析定義

2.1 振動系統(tǒng)分析

為了減小振動，通常我們會在振源底部加裝彈簧、橡膠等隔振材料，相當于在機組與地基之間有彈簧與阻尼器隔開，一般有以下三種方案：

a.方案一：在壓縮機（振源）底部安裝隔振器，下部結構剛性連接在地基。振動系統(tǒng)如圖2所示。

此種情況可簡化機組振動為單自由度系統(tǒng)的強迫振動，力通過隔振器（彈簧和阻尼）傳給下部結構，再傳遞給地基。振動方程為：

其中：

通過調配隔振器，選擇合適的λ達到減振目的。

b.方案二：壓縮機底部不采取任何減振措施，剛性連接在底部結構件上面。將冷水機組整體看作一個振動源來進行振動隔離。整機底座安裝在船舶上時底部選擇安裝合適隔振器。振動方程同方案一。隔振系統(tǒng)簡化如圖3所示。

c.方案三：壓縮機底部安裝隔振器，整機底座與船舶連接處也安裝隔振器，此類減振方案稱為雙層隔振系統(tǒng)。如圖4。

雙層隔振問題屬于兩自由度系統(tǒng)的振動，根據(jù)力傳遞率的定義，可得到雙層隔振系統(tǒng)的力傳遞率TF為：

式中：

對于隔振系統(tǒng)來說,要求系統(tǒng)的固有頻率低、共振時傳遞率小、越過共振區(qū)后傳遞曲線應陡峭地下降。要使系統(tǒng)的固有頻率降低，意味著減小隔振裝置的剛度。

對比分析以上三個方案，可知雙層隔振系統(tǒng)在低高頻隔振效果好，但方案三中第一層和第二層隔振器的匹配非常復雜，耗時耗力。同時方案

三和方案二都存在m參數(shù)大的缺陷，這在船用傾斜搖擺環(huán)境中極易造成結構不穩(wěn)定；再者隔振器尺寸大，影響整機體積參數(shù)的實現(xiàn)。

圖5 鈑金折彎支架模態(tài)分析

圖6 板材焊接支架模態(tài)分析

圖7 型鋼焊接支架模態(tài)分析

圖8 熱軋板焊接底座振動測試值

因此如若安裝空間足夠，技術成熟且開發(fā)周期長時可優(yōu)先考慮方案三；一般開發(fā)選擇方案一。

2.2 主要結構件設計要求

壓縮機底部安裝減振器，其下部結構件應剛性連接在地基上，當其剛度足夠大，可視為與地基一體，不會對頂部減振器性能穩(wěn)定性造成影響。分析下部結構件，有兩大部件會直接影響到整體剛度性能：壓縮機安裝支架、整機底座。如何提高這兩個結構件的剛度直接影響減振效果。

3 結構件設計

3.1 壓縮機安裝支架

傳統(tǒng)壓縮機安裝一般都是采用鈑金折彎支架或者熱軋鋼板Q345R焊接而成。運用CAE分析軟件對兩者的模態(tài)、強度分析結果如圖5、6。

從圖5可以看出，此類折彎支架雖然結構簡單，但是從低頻到高頻貫穿整個振動頻率范圍分布有大量的模態(tài)點，類簡支梁的結構形式使得在支架全頻率范圍內在安裝點存在彎曲為主的振型，讓減振器的匹配異常復雜，極大程度上惡化振動。

從圖6可以看出，熱軋鋼板Q345R焊接的支架剛度優(yōu)于鈑金類支架，模態(tài)數(shù)量較大程度的得以減少。但是此類支架因焊接量較大，焊接變形容易使得接觸不牢靠，振動控制質量不確定性較大。

單層隔振系統(tǒng)對低頻段隔振效果明顯，在高頻段時，隔振效果并不理想。從圖7可以看出，方鋼在高頻段模態(tài)較少，正好彌補了高頻段單層隔振的缺陷。同時方鋼在焊接過程中變形可控性優(yōu)于板材焊接支架，所以對比三種支架形式，方鋼對于單層隔振系統(tǒng)是最好的選擇。查閱相關文獻可知方鋼對于振動的隔離效果優(yōu)于平板類結構件。

3.2 整機底座

整機底座是冷水機組與船體直接連接的結構件，是冷水機組結構振動測試的落點。其上安裝有冷凝器、蒸發(fā)器、管路等。壓縮機振動通過這些結構件傳遞到底座，再傳遞到船體。所以，整機底座的結構形式、加工質量以及其上結構件安裝方式對振動最終測試值影響非常大。本文闡述的減振例子其底座設計過程如下：

最初，考慮到結構強度以及安裝平面度要求，底座由12mm厚熱軋鋼板Q345R拼焊而成，在上下面板之間增加加強板，如圖8。

觀察測試數(shù)據(jù)可知，整體減振效果并不理想，相比壓縮機底腳處振動值最大只減小了

24dB，且不同點的振動值相差非常大。分析可能是板材焊接造成的變形以及板材剛度不均衡造成，對每個固定螺栓處核查，發(fā)現(xiàn)振動值異常大的安裝腳存在虛固定。

圖9 整改的槽鋼底座振動數(shù)據(jù)

圖10 底座兩端顫振模態(tài)

圖11 優(yōu)化后槽鋼底座模態(tài)云圖

圖12 振動最終測試值

針對這個問題，項目組重新設計了底座結構，改用槽鋼型材，可以避免拼焊底盤所出現(xiàn)的焊縫過多而整體變形的問題，在加工時嚴格控制裝配面的平面度；同時考慮到機組的整體美觀性，增大了底座長度，使機組更具穩(wěn)重感，并在底座兩端增加防護梁和坡口，更改后的方案見圖9。

由測試數(shù)據(jù)對比圖可以看出，槽鋼底座振動值改善明顯，且各點數(shù)據(jù)均衡，無明顯偏離的數(shù)據(jù)點，表明其各測試點均得以剛性有效固定。但靠近兩端的測點數(shù)據(jù)還是稍微偏大，分析可能原因是懸臂結構產生顫振。利用仿真分析軟件進行分析，結果如圖10所示。

雖然此結構可以一定程度的保護機組避免碰撞，但造成兩端顫振使得振動值偏大，影響主要可靠性參數(shù)。

根據(jù)分析結果,調整結構及增加剛性改變其模態(tài)特性，底座結構模態(tài)分析見圖11。有效改善了兩側的槽鋼模態(tài)特性，特別是其在500Hz附近的模態(tài)。

按照以上壓縮機底座及整機底座設計方法，最終樣機振動測試數(shù)據(jù)如圖12。

4 結語

本文通過介紹一個典型大型冷水機組減振設計案例以及利用仿真分析技術對重要結構件設計分析對比，闡述大型機組減振結構設計思路。

為實現(xiàn)強度、剛度及減振目標，重要結構件設計應同時考慮以下問題：（1）同樣材料厚度結構件，板類結構振動模態(tài)沒有型鋼好；（2）避免振動通過剛度不大的結構件傳遞下去，例如管路支架；（3）避免跨度太大的簡支梁結構形式；（4）避免懸臂結構設計；（5）回型鋼可極大程度隔離振動傳遞。

[1] 張義民.機械振動.北京:清華大學出版社，2007.

[2] 李增光.機械振動噪聲設計入門.北京:化學工業(yè)出版社，2013.

[3] 陳晗.方鋼減振降噪結構的理論分析:[碩士學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2011.

Large marine chiller damping structural design

JIANG Guofan
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

For large marine chiller, the structural vibration and ambient vibration are two important factors affecting the quality of reliability. Based on the chiller critical structural parts design, test results, summarized more appropriate damping large marine chiller design ideas.

Structural design; Damping; Chiller