船用主汽輪機組隔振器技術狀態(tài)評估

成若義，豐少偉，丁少春

(海軍工程大學，湖北 武漢　430033)

主汽輪機組是船舶動力系統(tǒng)的核心設備，也是船舶機械噪聲的主要來源，為了降低輻射噪聲，提高設備運行的安全性，通常在機組底座采用隔振安裝。本文研究的船用主汽輪機組，為降低振動向船體的傳遞以及外部環(huán)境振動沖擊對機組的影響，采用了單層隔振裝置，錐形隔振器(支撐)和柱形隔振器(止推)為減振抗沖元件。其采用的隔振器為橡膠材料，橡膠作為一種高分子材料不可避免地會逐漸老化，導致橡膠隔振器性能改變、強度降低。橡膠隔振器的使用壽命主要受到溫度、氧化、臭氧、油脂以及載荷的影響，在使用條件下的疲勞和老化直至失效需要幾年時間,實際壽命與使用強度和環(huán)境相關性很大。[1]

我國相關規(guī)范規(guī)定的橡膠隔振器建議使用壽命為10年。但由于主汽輪機組隔振器更換耗費時間長，工程量大，技術風險高，更換成本也高。是否有必要在10年期滿就對隔振器進行更換就成為一個大家普遍關心的問題。因此，十分有必要開展主汽輪機組的隔振器技術狀態(tài)評估工作，判斷隔振器能否滿足繼續(xù)使用的要求，進而為隔振器是否進行維修更換提供技術依據。

1　國內外研究現狀

當前,國外船級社已開始實施一套船舶狀態(tài)評估程序,對申請船舶狀態(tài)評估的船舶實施狀態(tài)評估檢驗,如德國勞氏船級社,日本船級社等。[2]

國內在火電廠、化工廠、航空工業(yè)等領域已有相當完整的技術標準和評價體系,且在狀態(tài)評估理論、評估方法和評估專家系統(tǒng)的研發(fā)等方面都有較為深入的研究。而在船舶設備與船體狀態(tài)檢測與評定的研究就相對較弱,目前還沒有形成完整評估標準與評估方法。[3]

中國船級社的《鋼制船舶建造規(guī)范》與《船舶入級規(guī)范》對新造船舶船體及機電設備作了規(guī)定,但對營運中的船舶船體與船舶機電設備運行狀態(tài)的評價并未制定出指導性文件,并未形成完整的船舶狀態(tài)技術標準和評價體系。而對于艦船裝備技術狀態(tài)評估的研究方法，目前主要有D-S證據理論[4]、神經網絡[5]、遺傳算法[6]、支持向量機[7]以及基于指標融合和隱馬爾可夫模型的艦船裝備技術狀態(tài)評估[8]等方法，這些方法在我國艦艇裝備的維修保障中主要還是處于理論研究階段，真正推廣應用的較少。在我國早期的裝備技術狀態(tài)評估中，大多依靠專家經驗對數據進行直觀判斷或者直接對裝備進行打分評估，以判斷裝備的技術狀態(tài)，評估結果依據專家的水平高低存在很大的主觀性和隨意性。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術和數據分析技術的發(fā)展，通過對數據的分析，科學評估裝備技術狀態(tài)的方法成為研究的熱點。[9]而對于在航艦船橡膠隔振器的技術狀態(tài)評估，由于當前沒有技術條件對隔振器的技術參數進行實時監(jiān)測，也就沒有相應的標準和評估體系對使用中的隔振器進行技術狀態(tài)評估。

2　系統(tǒng)組成

主汽輪機組隔振系統(tǒng)為單層隔振形式，圖1為主機隔振系統(tǒng)示意圖。主機隔振系統(tǒng)主要由主汽輪機組、主減速齒輪裝置、公共底座、錐形隔振器、柱形隔振器、金屬波紋管等組成。

主汽輪機組、主減速齒輪裝置剛性安裝在公共底座上，公共底座通過錐形隔振器和柱形隔振器彈性地安裝在船體基座上。主減速齒輪裝置通過隔音聯軸器與軸系連接向螺旋槳輸出動力。機組管路采用波紋管等撓性接管與外部管道彈性連接。

圖1　主機隔振系統(tǒng)示意圖

3　隔振器技術狀態(tài)評估判據

船用橡膠隔振器是動力機電設備的彈性支撐，其功能是降低振動和沖擊的傳遞，應具有與設備相匹配的、合適的性能(剛度)；隔振器承受機組的靜態(tài)、動態(tài)和瞬態(tài)載荷，應具備足夠的強度。當橡膠隔振器的性能(剛度)超出規(guī)定值或強度不足時，不能發(fā)揮應有的功能，即認為隔振器失效。

國外和我國標準規(guī)范對橡膠隔振器的技術要求均有明確的規(guī)定，具體如下。

3.1俄羅斯橡膠隔振器失效判據

俄羅斯《橡膠隔振器手冊》給出的隔振器失效判據：①剛度變化達到50%；②靜態(tài)強度比初始狀態(tài)下降達到1/3；③在振動方向上的蠕變達到橡膠層厚度的10%。

3.2我國標準規(guī)范對隔振器的相關技術要求

CB 1359—2002《艦船用橡膠隔振器規(guī)范》等標準對隔振器質量作了以下明確規(guī)定：①橡膠表面質量。橡膠表面應光滑，無裂紋、砂眼、氣泡等缺陷；②靜態(tài)特性。靜態(tài)性能偏差范圍應不大于±20%；③動態(tài)特性。主承載方向的固有頻率變化范圍應不大于15%。[10]

3.3橡膠隔振器技術狀態(tài)評估判據

綜合俄羅斯和我國相關標準規(guī)范的要求，確定橡膠隔振器技術狀態(tài)評估判據，當隔振器出現以下現象時判定隔振器失效：①橡膠表面出現裂紋；②隔振器靜、動剛度變化達到50%；③靜態(tài)強度比初始狀態(tài)下降達到1/3；④在振動方向上的蠕變達到橡膠層厚度的10%。

如果船舶機組的錐形隔振器和柱形隔振器處于安裝狀態(tài)，不能拆卸進行檢測，不具備上述橡膠隔振器技術狀態(tài)評估判據中③和④的條件。那么，已安裝隔振器技術狀態(tài)評估應用的判據，當隔振器出現以下現象時判定隔振器失效：①橡膠表面出現裂紋；②隔振器靜、動剛度變化達到50%。

4　隔振器技術狀態(tài)評估步驟

4.1對隔振器進行勘驗

1)外觀檢查。采用目視方法或工業(yè)內窺鏡檢查隔振器外觀。由于機艙內空間狹小、隔振器布置緊湊，檢查具備檢查條件的隔振器。

2)橡膠硬度檢測。橡膠材料硬度與隔振器剛度相關，隔振器制造時通過橡膠硬度調整、控制隔振器剛度值，橡膠硬度增大，剛度增大。因此，隔振器橡膠表面硬度同樣可用來判斷剛度的變化。在不能檢測隔振器剛度時，可以通過硬度檢測評估隔振器的剛度變化。

4.2對隔振器的性能進行評估

對于處于安裝使用狀態(tài)下的隔振器，不能拆卸進行性能檢測。我們采用的評估步驟為：首先，拆卸其他同類型船舶的主汽輪機組隔振器，檢測隔振器的橡膠硬度和剛度；其次，通過分析計算，擬合得到該型隔振器剛度隨硬度變化的關系；最后，檢測需要進行評估的船舶主汽輪機組隔振器的橡膠硬度，通過擬合得出的關系式估算隔振器的剛度，再通過對比該型隔振器的計算剛度和設計剛度來判讀隔振器是否失效。下面我就以某船的實際評估過程進行說明。

比如：A船與B船主汽輪機組都采用了同類型的錐形隔振器，A船的隔振器可以進行拆卸檢測，B船處于在航狀態(tài)，隔振器不能進行拆卸檢測。

1) 檢測A船主汽輪機組隔振器的橡膠硬度和剛度，擬合隔振器橡膠硬度與剛度的關系。通過A船錐形隔振器橡膠硬度測量和剛度檢測數據可以擬合得到二者之間的關系(見圖2、圖3)及擬合參數(見表1、表2)，通過分析研究關系變化規(guī)律，得到錐形隔振器靜、動剛度與橡膠硬度的擬合關系如公式(1)、(2)。依據擬合關系式，對錐形隔振器靜、動剛度進行擬合計算，計算結果如表3所示?？梢园l(fā)現擬合計算值與實測值吻合較好，說明擬合關系式(1)和(2)能較好地根據橡膠硬度計算錐形隔振器剛度值。

圖2　靜剛度隨硬度的變化關系

圖3　動剛度隨硬度的變化關系

①靜剛度與橡膠硬度的擬合關系式：

KS=A+B1HA+B2(HA)2，

(1)

式中：HA為橡膠邵氏硬度，°;A、B1、B2為擬合參數；KS為靜剛度，kN/mm。

②動剛度與橡膠硬度的擬合關系式：

KD=A+B1HA+B2(HA)2，

(2)

式中：HA為橡膠邵氏硬度，°；A、B1、B2為擬合參數；KD為動剛度，kN/mm。

表1　錐形隔振器靜剛度與硬度關系的擬合參數值

表2　錐形隔振器動剛度與硬度關系的擬合參數值

2) 測量B船錐形隔振器橡膠硬度值，按公式(1)和公式(2)計算得到各隔振器靜、動剛度計算值見表4、表5，其中靜剛度或動剛度變化超過50%(相對設計值)的隔振器，根據本文章節(jié)3中給出的橡膠隔振器技術判據，判定該部分隔振器失效。

5　結束語

本文通過建立主汽輪機組錐形隔振器技術狀態(tài)評估判據，制定隔振器狀態(tài)評估步驟及評估方法，對實船安裝的隔振器進行性能檢測，檢測結果對照評估判據，完成對隔振器技術狀態(tài)的評估。該方法已在實船進行應用，對于判斷在航船舶主汽輪機組隔振器的技術狀態(tài)，進而開展維修決策具有較大的實用價值。

表3　 A船錐形隔振器剛度計算值與實測值比較及分析

表4　B船前機艙錐形隔振器剛度評估

表5　B船后機艙錐形隔振器剛度評估

續(xù)表5　B船后機艙錐形隔振器剛度評估