船用冷卻水泵組浮筏隔振裝置仿真設(shè)計及校核

郭旭++張萍++張博

摘 要：該文以某船用冷卻水泵組為研究對象，以減少其工作時振動噪聲為目的進行隔振裝置的仿真設(shè)計。建立了冷卻水泵浮筏隔振裝置三維模型，采用ADAMS軟件實現(xiàn)了靜載、橫傾和縱傾作用下隔振裝置減振器載荷和變形量的校核，同時模擬了船舶大風(fēng)浪航行極限橫搖和縱搖狀態(tài)下，并對減振器是否超負(fù)荷進行了校核，提出在筏架與船體之間加裝限位器?；贏NSYS軟件進行了筏架的自由模態(tài)仿真計算、系統(tǒng)頻響特性及振動分析并進行了校核。結(jié)果表明：所設(shè)計的隔振裝置滿足船舶工作要求，隔振系統(tǒng)具有良好的隔振效果。

關(guān)鍵詞：冷卻水泵 浮筏 仿真設(shè)計 校核

中圖分類號：U66 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0069-07

The Simulation Design and Proofread of Floating Raft Isolation Device for Marine Cooling Water Pump Group

Guo Xu1 Zhang Ping2 Zhang Bo2*

（1.The Navy Military Agent's Room in Wuhu Area，Wuhu Anhui， 241000 China；2. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Hubei Wuhan， 430033 China）

Abstract：This object of this paper is cooling water pump，to reduce the vibration noise for the purpose of its work，carrying out the simulation design of the vibration isolation device.The three-dimensional model of the floating raft isolation device of the cooling water pump is established.ADMS software is used to check the load and deformation of shock absorber under static load，heel and pitch， and simulates the ships large wind and wave motion limit rolling and pitching state，the shock absorber is overloaded for checking. It is proposed to install a limiter between the raft and the hull. Based on the ANSYS software， the free modal simulation of the raft frame， the system frequency response characteristics and vibration analysis were carried out and checked. The results show that： The designed vibration isolation device meets the requirements of ship working， and the vibration isolation system has good vibration isolation effect.

Key Words：Cooling water pump；Buoyant raft；Simulation design；Proofread

某型冷卻水泵組作為船用設(shè)備，其額定轉(zhuǎn)速為2 898 rpm，頻率為48.3 Hz，工作時該設(shè)備振動較大，產(chǎn)生較大振動噪聲，因此需對其設(shè)計隔振裝置。

該文以提高冷卻水泵組傳遞給浮筏的一級振級落差為目的，在不影響設(shè)備正常工作的前提下，采用UG三維造型軟件設(shè)計了冷卻水泵隔振裝置三維模型，應(yīng)用ANSYS軟件和ADAMS軟件實現(xiàn)下述4項指標(biāo)的計算及校核。

（1）隔振裝置在靜態(tài)、橫傾和縱傾時減振器變形及受力情況。

（2）隔振裝置大風(fēng)浪中極限橫搖和極限縱搖時減振器是否超負(fù)荷。

（3）隔振系統(tǒng)和筏架的自然頻率。

（4）隔振系統(tǒng)的一級振級落差是否滿足船用設(shè)備使用要求。

通過上述各工況下的仿真計算，指導(dǎo)UG三維造型的修改設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)校核計算，形成了最終的設(shè)計方案。

1 隔振裝置簡介

冷卻水泵隔振裝置由3臺冷卻水泵、中間筏架體、上下層隔振器、限位器、緊固標(biāo)準(zhǔn)件等組成，如圖1所示。

圖1為冷卻水泵浮筏隔振裝置三維模型。

水泵組采用浮筏隔振系統(tǒng)，工作中應(yīng)具有良好的隔振性能，關(guān)鍵在于取得3個方面效果：（1）靜載、橫傾和縱傾作用之下減振器不能超負(fù)荷，且受力均勻；（2）大風(fēng)浪航行過程中，減振器不能超負(fù)荷，與外界連接軟管具有足夠的撓度；（3）隔振系統(tǒng)能夠達(dá)到良好的隔振效果，隔振系統(tǒng)和筏架的頻率不應(yīng)被激勵。

圖2為隔振裝置上下層減振器編號順序，設(shè)定船艏方向，下文所提到的橫傾指以船艏方向為軸右傾，縱傾指艏傾。

2 隔振系統(tǒng)模型及參數(shù)

筏架上層減振器采用BE220型減振器，每個泵4只，靜剛度（X、Y、Z）為（275 N/mm，600 N/mm，550 N/mm），動剛度（816N/mm，2268 N/mm，880 N/mm）。下層減振器采用10只6JX-400型減振器，該減振器一般在Z向承載情況下使用，Z向靜剛度為285 N/mm，X、Y向靜剛度取值570 N/mm，Z向動剛度為1 010 N/mm，X、Y向動剛度取值2 020 N/mm。靜態(tài)及搖擺分析中使用靜剛度，振動分析中使用動剛度。筏架本身質(zhì)量為771kg。筏架的隔振系統(tǒng)多剛體ADAMS模型如圖3所示。

3 仿真計算結(jié)果及分析

計算結(jié)果涵蓋了靜態(tài)特性（靜載、橫傾、縱傾）、風(fēng)浪中的穩(wěn)定性（搖擺）和振動性能3個方面。

3.1 靜態(tài)特性

3.1.1 靜態(tài)變形

以1號泵的4個減振器為例進行分析，如圖2所示，BUSHING-1、BUSHING-4為1號泵左側(cè)上層減振器，BUSHING-2、BUSHING-3為1號泵右側(cè)上層減振器。靜態(tài)變形計算結(jié)果如圖4，統(tǒng)計如表1所示。由于泵設(shè)計的結(jié)構(gòu)原因，重心偏向1號、2號側(cè)上層減振器，3號、4號減振器變形較小，船艏側(cè)比船尾側(cè)變形量小約0.24 mm。

下層減振器的變形情況如圖5所示，統(tǒng)計如表2所示，BUSHING-13至BUSHING-17為浮筏架左側(cè)下層減振器，順序依次從船尾到船艏；BUSHING-18至BUSHING-22為浮筏架右側(cè)下層減振器，順序依次從船艏到船尾。下層減振器變形船尾最大，船艏最小，最大相差0.4 mm，結(jié)果顯示，減振器受力及變形在其工作范圍內(nèi)。

3.1.2 橫傾（右傾）

利用靜態(tài)模型，將模型旋轉(zhuǎn)15°，構(gòu)成橫傾模型，同樣以1號泵為例，計算結(jié)果如圖6、圖7所示。數(shù)據(jù)如表3、表4所示。以上變形量減去靜態(tài)變形量就是橫傾斜相對于靜態(tài)的變形量，計算得到部分上層減振器Z向壓縮量和伸長量超過1 mm，部分下層減振器Z向壓縮量和伸長量超過3 mm。從結(jié)果可知，在艦船橫傾時，部分減振器已經(jīng)超出其的承載范圍，必須配置相應(yīng)的限位器。

3.1.3 縱傾（艏傾）

利用靜態(tài)模型，將模型旋轉(zhuǎn)15°，構(gòu)成縱傾模型，以1號泵為例，計算結(jié)果如圖8、圖9所示。計算結(jié)果統(tǒng)計與表5、表6中。以上變形量減去靜態(tài)變形量就是縱傾斜相對于靜態(tài)的變形量，計算得到部分上層減振器Z向壓縮量和伸長量超過1 mm，部分下層減振器Z向壓縮量和伸長量超過2 mm。由此可知，在艦船縱傾時，部分減振器已經(jīng)超出其的承載范圍，必須配置相應(yīng)的限位器。

3.2 風(fēng)浪中的穩(wěn)定性校核

3.2.1 橫搖特性

考慮橫搖45°，海浪周期為3s，設(shè)置船舶的位移方程：

disp（time）=0.785 4×sin（2.094 4×time） （1）

仿真計算得到1號水泵上層減振器橫搖受力及變形如圖10所示。Z方向上，減振器最大變形量12.0 mm，需要依靠減振器的限位功能。下層減振器橫搖受力及變形如圖11所示。Z方向上，下層減振器最大變形量為327 mm，需要依靠減振器的限位功能。

3.2.2 縱搖特性

考慮縱搖10°，海浪周期為4 s，設(shè)置船舶的位移方程：

disp（time）=0.174 5×sin（1.570 75×time） （2）

仿真計算得到1號水泵上層減振器縱搖變形如圖12所示。Z方向上，減振器最大變形量6.14 mm，需要依靠減振器的限位功能。下層減振器縱搖受力及變形如圖13所示。Z方向上，下層減振器最大變形量為209 mm，需要依靠減振器的限位功能。

3.3 振動分析

3.3.1 筏架的自由模態(tài)分析

為了先期了解筏架的固有頻率和結(jié)構(gòu)設(shè)計中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，以便及時修改筏架和系統(tǒng)的設(shè)計，進行了筏架的自由模態(tài)分析。模態(tài)分析時筏架處于自由狀態(tài)，計算了前6階模態(tài)。結(jié)果表明筏架本身的自然頻率中沒有與48.3 Hz相近的成分，筏架不會隨泵的激勵形成共振，筏架的模態(tài)設(shè)計合理。筏架3階振型如圖14所示。

3.3.2 系統(tǒng)頻響特性及振動分析

掃頻結(jié)果如圖15所示，輸入為設(shè)備上加載垂向加速度，輸出為浮筏加速度，在頻率48.3 Hz附近沒有出現(xiàn)共振峰，當(dāng)頻率大于30 Hz的激勵下，振級落差大于15 dB。

4 結(jié)語

通過對空壓機組浮筏隔振裝置的優(yōu)化設(shè)計，得出如下結(jié)論：

（1）在靜態(tài)情況下，減振器負(fù)荷控制在允許范圍之內(nèi)。

（2）在橫傾和縱傾情況下，部分減振器超出其承載范圍，限位器起作用。

（3）大風(fēng)浪航行中極限橫搖及縱搖時，限位器起作用。

（4）振動系統(tǒng)模態(tài)分析和振動掃頻顯示，筏架及系統(tǒng)不會出現(xiàn)共振，一級振級落差大于15 dB，滿足設(shè)計要求。

參考文獻

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