基座墊片安裝工藝參數(shù)對柴油機(jī)振動傳遞特性的影響

于李洋， 王 波， 秦嘉岷

(1.海軍裝備部， 北京100071； 2.上海船舶工藝研究所， 上海200032)

0 引 言

船用設(shè)備的振動和噪聲對船舶性能有重要影響，目前各類研究中主要考慮設(shè)計、材料等方面，而很少考慮安裝參數(shù)對振動特性所產(chǎn)生的影響。工程實踐中，裝配工藝參數(shù)如墊片厚度、墊片接觸面積、螺栓預(yù)緊力等對設(shè)備振動傳遞特性有著密切聯(lián)系，而安裝質(zhì)量往往依靠工人經(jīng)驗，存在很大的不確定因素。

船用設(shè)備安裝工藝參數(shù)對振動傳遞特性的影響較為復(fù)雜，目前很難用解析模型進(jìn)行表示，一般依靠有限元分析或者試驗獲取。國內(nèi)，郭文新等[1]針對螺栓連接特性對航空發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)彎曲剛度進(jìn)行分析，提出“等效剛度系數(shù)”的概念來模擬高壓轉(zhuǎn)子螺旋連接裝配。劉向東等[2]采用有限元法對主機(jī)基座的模態(tài)進(jìn)行分析，分析基座動態(tài)位移及動態(tài)應(yīng)力特性。王鵬等[3]基于分形接觸原理，分析墊片法向接觸剛度與材料屬性、表面工藝質(zhì)量的關(guān)系。

本文通過ABAQUS仿真和試驗結(jié)合的方式研究墊片厚度及接觸面積對柴油機(jī)振動傳遞特性的影響，為相類似設(shè)備減振/隔振安裝提供參考意見。

1 有限元模型的建立

1.1 研究對象

本文研究選用的柴油機(jī)是YC6108ZC型高速機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。

1.2 有限元模型及激勵源強(qiáng)度

(1) 有限元模型。首先采用ABAQUS有限元軟件對柴油機(jī)基座及其周邊地基進(jìn)行建模，柴油機(jī)簡化為集中質(zhì)量，通過多點(diǎn)約束(Multi-Point Constraints, MPC)連接到基座上?？紤]到地面基礎(chǔ)剛度較大，故建模成剛性大質(zhì)量塊。之后，對實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及單元屬性設(shè)置。由于主要研究基座墊片安裝的局部特性，因此采用實體單元進(jìn)行精細(xì)化建模，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式。幾何模型及有限元模型分別如圖1、圖2所示。

(2) 墊片建模簡化處理。為方便建模及網(wǎng)格劃分，考慮墊片厚度影響時，將固定墊片和調(diào)整墊片簡化為一體，即1塊墊片，方便建模和網(wǎng)格劃分。

圖2 有限元模型

在進(jìn)行不同接觸面積設(shè)定時，通過隨機(jī)選取百分比(等效于接觸面積比)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將其節(jié)點(diǎn)位置重疊一起，以此來進(jìn)行固定墊片和調(diào)整墊片接觸面積的設(shè)定。 (3) 激勵源強(qiáng)度。柴油機(jī)的振動源強(qiáng)度與其轉(zhuǎn)速、載荷均有關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗公式[4]，柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲基礎(chǔ)級按下式計算：

LaB=129.8 dB-20 dB·logG+

20·logW+30·log(Na/N)(1)

式中：G為柴油機(jī)總質(zhì)量，kg；W為柴油機(jī)額定功率，kW；Na為柴油機(jī)實際轉(zhuǎn)速， r/min；N為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

其1/1倍頻帶增值ΔL如表2所示。

表2 1/1倍頻帶增值表

根據(jù)式(1)，結(jié)合柴油機(jī)具體運(yùn)行參數(shù)，可求得各轉(zhuǎn)速下的振動源強(qiáng)度，本文選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min進(jìn)行激勵源強(qiáng)度估算。

1.3 計算工況設(shè)計

本文主要研究墊片安裝工藝參數(shù)(墊片厚度以及固定墊片、調(diào)整墊片接觸面積)對振動傳遞特性的影響，其具體計算工況如表3所示。

表3 計算工況

2 有限元仿真計算及結(jié)果分析

根據(jù)ABAQUS有限元計算，得到墊片不同安裝工藝參數(shù)(墊片厚度，固定墊片和調(diào)整墊片間的接觸面積)下機(jī)腳處的振動響應(yīng)。

(1) 墊片厚度的影響。根據(jù)工況設(shè)定，分別計算20 mm、30 mm、40 mm、60 mm等4種厚度墊塊裝配下機(jī)腳處的振動響應(yīng)。各工況下機(jī)腳處加速度分布如圖3所示，機(jī)腳處加速度平均值如表4所示。

圖3 不同墊片厚度下的機(jī)腳處加速度分布

表4 不同墊片厚度下的機(jī)腳處加速度平均值

在不同厚度的墊塊裝配條件下，通過對機(jī)腳處振動響應(yīng)分析可得出：在墊片接觸面積不變的條件下，機(jī)腳處加速度隨墊片厚度的增大而減小。

(2) 接觸面積的影響。根據(jù)工況設(shè)定，分別計算20%、40%、60%、80%等4種接觸面積(固定墊片與調(diào)整墊片之間的接觸面積)下機(jī)腳處的振動響應(yīng)。各工況下的機(jī)腳處加速度分布如圖4所示，機(jī)腳處加速度平均值如表5所示。

表5 不同墊片接觸面積下的機(jī)腳處加速度平均值

在不同接觸面積的裝配條件下，通過對機(jī)腳處振動響應(yīng)分析可得出：在墊片厚度不變的情況下，機(jī)腳處加速度隨固定墊片、調(diào)整墊片接觸面積的增大而增大。此外，通過對墊片受力情況分析發(fā)現(xiàn)，固定墊片應(yīng)力峰值隨著固定墊片、調(diào)整墊片接觸面積的減小而增大，這可能會對墊片變形產(chǎn)生不利。

接觸面積直接影響著功率流傳遞，減小固定墊片和調(diào)整墊片間的接觸面積會降低功率流的傳遞，進(jìn)而影響振動響應(yīng)。

圖4 不同接觸面積下的機(jī)腳處加速度分布

3 試驗研究

3.1 試驗步驟

試驗件的實物如圖5所示，材料為Q235鋼。該試驗件的設(shè)計與ABAQUS仿真計算的結(jié)構(gòu)相同。

在本試驗中，測試系統(tǒng)由測試臺架、加速度傳感器、適調(diào)器、數(shù)據(jù)采集儀及計算機(jī)構(gòu)成。安裝于柴油機(jī)及基座上的4個傳感器分別采集不同工況下系統(tǒng)的振動響應(yīng)，然后通過適調(diào)器放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

圖5 試驗件圖樣

本次測試共設(shè)4個測點(diǎn)，其中：測點(diǎn)1位于柴油機(jī)機(jī)體上；測點(diǎn)2、3分別位于柴油機(jī)機(jī)腳與基座連接處(機(jī)腳處)，對角布置；測點(diǎn)4位于基座下方的地面上(大型基礎(chǔ)表面)，如圖6所示。

本次試驗為柴油機(jī)穩(wěn)定工作下的振動測試，由于試驗均為平穩(wěn)動態(tài)過程，為準(zhǔn)確測試振動輸入與振動響應(yīng)，須對傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確選型并在試驗前對試驗數(shù)據(jù)采集方法和試驗后對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理方式為

圖6 測點(diǎn)布置

(1) 根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對于測量加速度時間歷程的測量系統(tǒng)必須具有1 kHz恒定頻率特性(0～20 Hz±1 dB和20～1 kHz±0.5 dB最大偏差)，同時從1 kHz起測量系統(tǒng)頻率特性應(yīng)按照40 dB/倍頻程衰減。因此對所有測試通道均針對不同傳感器類型，對采集信號按照1 kHz進(jìn)行低通濾波處理。

(2) 考慮到柴油機(jī)的振動特性，選取低靈敏度的ICP型力傳感器；考慮到力傳感器直接連接激振器和管件，采用數(shù)字濾波。

(3) 由于所測量的信號為連續(xù)平穩(wěn)信號，測量響應(yīng)所采用的均為IPEP型加速度傳感器，根據(jù)其響應(yīng)幅值選取靈敏度在100 mV/g附近。

(4) 由于測量頻段為1 000 Hz以下頻段，考慮到測試中可能出現(xiàn)高頻信號，對傳感器靈敏度產(chǎn)生影響，在傳感器下方均安裝機(jī)械濾波器。具體如表6所示。

表6 傳感器選型及參數(shù)

本次試驗是在柴油機(jī)輕載連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行條件下對測點(diǎn)的振動響應(yīng)進(jìn)行測量，主要研究墊片的厚度和墊片接觸面積對振動傳遞特性的影響，具體工況如表7所示。需要說明的是，試驗中對于墊片厚度控制較為容易，但對于固定墊片與調(diào)整墊片間的接觸面積只能依靠經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員進(jìn)行操作。此外，各基座處的墊片接觸面積與理論設(shè)計存在一定偏差，但在合理的范圍內(nèi)。

表7 試驗工況設(shè)計

3.2 試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

對各測點(diǎn)在20～1 000 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行能量積分，將頻譜轉(zhuǎn)化為等效加速度。由于主要考慮柴油機(jī)機(jī)腳與基座連接處的加速度響應(yīng)，同時柴油機(jī)運(yùn)行時存在一定的不均衡性，振動特性會有所差異，因此測試中選取柴油機(jī)互為對角的2個基座安裝點(diǎn)(測點(diǎn)2和測點(diǎn)3)。此外，以測點(diǎn)1作為激勵源強(qiáng)度的測量點(diǎn)，進(jìn)而可觀察不同轉(zhuǎn)速下激勵源強(qiáng)度變化情況。

通過對測點(diǎn)1采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同工況下激勵源強(qiáng)，如表8所示。

表8 不同轉(zhuǎn)速下激勵源強(qiáng)度(測點(diǎn)1)比較

通過表8可得出：柴油機(jī)在不連接負(fù)載的情況下相對較穩(wěn)定，即激勵源強(qiáng)自身受固定墊片厚度及墊片接觸面積的影響較小。

通過對測點(diǎn)2和測點(diǎn)3采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：轉(zhuǎn)速為700 r/min時，各工況條件下機(jī)腳處加速度如表9所示；轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時，各工況條件機(jī)腳處加速度如表10所示。

表9 700 r/min下不同工況加速度平均值

表10 1 300 r/min下不同工況加速度平均值

對比表9和表10發(fā)現(xiàn)：在墊片接觸面積一定的條件下，機(jī)腳處加速度平均值隨墊片厚度的增大而減??；在墊片厚度一定的情況下，機(jī)腳處加速度隨接觸面積的增大而增大。這與有限元數(shù)值計算所得規(guī)律相吻合。

由于有限元計算和試驗的激勵源強(qiáng)度不同，對試驗結(jié)果按源強(qiáng)比進(jìn)行了有效修正。將修正后的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7和圖8所示。

圖7 墊片厚度對振動加速度影響的比較

圖8 接觸面積對振動加速度影響的比較

從圖8、圖9可以看出：試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果變化趨勢基本一致，由于轉(zhuǎn)速差異存在一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)，從而驗證了該方法的有效性。

4 結(jié) 語

(1) 通過有限元仿真可知：機(jī)腳處響應(yīng)加速度隨墊片厚度增加而減小，但當(dāng)墊片增加到一定厚度后，這種變化趨勢將減小。

(2) 當(dāng)固定墊片和調(diào)整墊片的接觸面積在一定范圍內(nèi)變化時，機(jī)腳處響應(yīng)加速度隨墊片接觸面積增大而增大，而最大應(yīng)力隨接觸面積增大而減小。接觸面積的減小會減小功率流傳遞，進(jìn)而降低加速度響應(yīng)，但同時會導(dǎo)致應(yīng)力峰值增大，對墊片變形產(chǎn)生不利影響。因此，權(quán)衡考慮強(qiáng)度及振動響應(yīng)，建議將接觸面積控制在50%～70%范圍內(nèi)。

(3) 試驗結(jié)果驗證了仿真計算的有效性，可為類似設(shè)備減振安裝提供參考意見。