柴油發(fā)電機組浮筏隔振裝置性能分析

李志遠(yuǎn)， 溫華兵， 吳俊杰， 李 兵， 王春勇

(1.江蘇科技大學(xué) 振動噪聲研究所， 江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.江蘇南極機械責(zé)任有限公司， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

船舶在航行過程中振動和噪聲的主要來源是主機、螺旋槳和其他大型機械設(shè)備。為了有效控制船舶在航行過程中的振動和噪聲，通常對機械設(shè)備進行隔振和隔聲處理，以降低機械設(shè)備傳遞至船體的振動并降低輻射噪聲[1]。當(dāng)船舶艙室中有數(shù)臺甚至數(shù)十臺動力設(shè)備時，可將多臺動力設(shè)備通過隔振器集中安裝在一個質(zhì)量較大的筏體上，再將筏體通過隔振器安裝在船體基座上，上、下層隔振器與中間筏體的組合稱為浮筏隔振裝置。浮筏隔振裝置不僅可以有效利用船舶的空間和負(fù)載，而且其筏體具有很大的機械阻抗，有利于提升隔振效果[2]。

國內(nèi)外研究人員對船用浮筏隔振裝置做了很多研究工作。文獻(xiàn)[3-8]通過多剛體動力學(xué)分析、有限元分析、阻抗綜合分析、四端參數(shù)法以及功率流分析等方法對浮筏隔振裝置進行計算分析。有限元分析可將筏體和基座作非剛體處理，從而很好地提高計算精度和計算結(jié)果的精確性。本文主要基于有限元分析方法對浮筏隔振系統(tǒng)進行模態(tài)分析、隔振性能分析以及抗沖擊校核。

1 雙臺柴油發(fā)電機組浮筏隔振裝置的設(shè)計及建模

1.1 雙臺柴油發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型

本文的隔振對象為兩臺相同型號的某船用柴油發(fā)電機組，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，外形尺寸3.2 m×1.1 m×1.5 m，質(zhì)量4 000 kg。為滿足該船航行及其相關(guān)工作需求，需將兩臺柴油發(fā)電機組同時安裝在浮筏隔振裝置上，使其振級落差和抗沖擊性能達(dá)到指標(biāo)要求。根據(jù)柴油發(fā)電機組外形尺寸和機腳隔振器安裝位置設(shè)計筏體，筏體是采用鋼板焊接的框架式結(jié)構(gòu)，具有較好的剛性，其質(zhì)量約為雙臺柴油發(fā)電機組總質(zhì)量的45%，約3 900 kg。隔振器采用雙層結(jié)構(gòu)：上層隔振器根據(jù)機腳形狀選擇自限位條形隔振器，可減小沖擊載荷下浮筏隔振系統(tǒng)的位移，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；下層采用圓錐形抗沖擊隔振器，通過螺栓緊固在船體彈性基座上，可提升系統(tǒng)的抗沖擊性能。

柴油發(fā)電機組的主要擾動力來自于柴油機的一次往復(fù)慣性力和二次往復(fù)慣性力[9]，其作用頻率分別為25 Hz和50 Hz。浮筏隔振裝置設(shè)計的一個重要要求是合理設(shè)計系統(tǒng)模態(tài)頻率，使其能夠有效隔離主要的機械振動，同時避開機組的擾動頻率，防止產(chǎn)生共振[10-12]。根據(jù)柴油發(fā)電機組各部分實際尺寸、質(zhì)量、重心及轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參數(shù)，對柴油機、飛輪、發(fā)電機和公共底座分別進行簡化建模，隔振器采用SPRING單元模擬。為達(dá)到項目指標(biāo)要求，根據(jù)機組的尺寸、質(zhì)量及發(fā)電機組的擾動力特性，每臺機組下方安裝10個自限位條形隔振器,筏體通過14個圓錐形抗沖擊隔振器安裝在基座上。上層隔振器固有頻率8 Hz，垂向動剛度為1 300 N/m，阻尼系數(shù)0.06；下層隔振器固有頻率6 Hz，垂向動剛度1 800 N/m，阻尼系數(shù)0.08。隔振器根據(jù)柴油發(fā)電機組質(zhì)量和重心位置進行布置，盡量保證每個隔振器在正常工作狀態(tài)下變形量均勻[13]。上層隔振器根據(jù)機腳安裝位置對稱布置在發(fā)電機組兩側(cè)，每側(cè)5個，兩臺機組共20個；下層隔振器共14個，布置在筏體下板四周，成近似正方形分布，保證每個隔振器受力均勻。圖1為雙臺柴油發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型。

圖1 雙臺柴油發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型

1.2 筏體結(jié)構(gòu)和浮筏隔振系統(tǒng)模態(tài)計算

為了驗證筏體結(jié)構(gòu)和浮筏隔振裝置的設(shè)計是否合理，分別進行筏體的模態(tài)計算和浮筏隔振系統(tǒng)的模態(tài)計算。首先計算筏體的前30階模態(tài)。表1為筏體的前6階模態(tài)固有頻率，圖2為筏體幾個主要模態(tài)振型圖。由表1可知：筏體的主要模態(tài)固有頻率有效地避開了柴油發(fā)電機組主要擾動力頻率25 Hz、50 Hz和75 Hz，筏體的模態(tài)中有較多的扭轉(zhuǎn)且具有較好的剛度。

表1 筏體前6階模態(tài)振型及固有頻率

圖2 筏體主要模態(tài)振型圖

使用有限元軟件計算出浮筏隔振系統(tǒng)的前60階模態(tài)。表2為浮筏隔振系統(tǒng)前6階模態(tài)固有頻率，圖3為浮筏隔振系統(tǒng)幾個主要模態(tài)振型圖。根據(jù)計算結(jié)果，浮筏隔振系統(tǒng)的前18階固有頻率位于較小的頻段范圍(2.7～20.1 Hz)，其中前3階垂向振動固有頻率分別為5.0 Hz、9.1 Hz和15.9 Hz，系統(tǒng)第19階模態(tài)固有頻率69.6 Hz，都避開了機組主要的擾動力頻率。

因此，筏體和浮筏隔振裝置的設(shè)計是合理的。

表2 浮筏隔振系統(tǒng)前6階模態(tài)振型及固有頻率

圖3 系統(tǒng)主要模態(tài)振型圖

2 浮筏隔振系統(tǒng)隔振性能分析

諧響應(yīng)分析可以計算浮筏隔振系統(tǒng)不同頻率下的隔振效果，還可分析系統(tǒng)主要參數(shù)對隔振性能的影響。在機組重心上方施加一垂直向下的擾動力，將計算得出的機腳加速度和基座輸出加速度相減即可得到系統(tǒng)振級落差。

建立有限元模型，按照浮筏隔振裝置原設(shè)計參數(shù)進行計算并對輸入載荷和邊界約束等條件進行修正。通過有限元計算，得出原設(shè)計參數(shù)下仿真計算的基座加速度響應(yīng)曲線如圖4所示。按照浮筏隔振裝置設(shè)計參數(shù)進行計算，柴油發(fā)電機組經(jīng)過浮筏隔振裝置傳遞到基座的平均振級落差大于45 dB,隔振效果良好。

圖4 原設(shè)計參數(shù)仿真計算結(jié)果

為使浮筏隔振裝置達(dá)到最好的隔振效果，通過改變幾個主要參數(shù)計算分析系統(tǒng)的隔振效果。

(1) 目前橡膠隔振器最低固有頻率一般為5.5 Hz，此時橡膠隔振器較軟，額定載荷下靜變形量較大。分別降低上層隔振器和下層隔振器剛度，對隔振效果進行數(shù)值仿真計算。圖5a)給出上層隔振器剛度降低和下層隔振器剛度降低時基座的加速度響應(yīng)曲線，圖5b)給出上層隔振器剛度降低和下層隔振器剛度降低時系統(tǒng)的振級落差。降低上層隔振器和下層隔振器剛度均使系統(tǒng)固有頻率前移，隔振效果在整個頻段均有較為明顯的提升；降低上層隔振器剛度提升的隔振效果略好于降低下層隔振器剛度。

圖5 上下層隔振器剛度降低時的隔振效果

(2) 筏體的結(jié)構(gòu)和板厚等因素影響筏體的剛度，適當(dāng)增加筏體板厚來增大筏體的質(zhì)量和剛度。圖6a)給出板厚增加時基座的加速度響應(yīng)曲線，圖6b)給出板厚增加時系統(tǒng)的振級落差。適當(dāng)增加板厚使筏體的固有頻率提高，在頻率100～250 Hz范圍內(nèi)，由于筏體振動模態(tài)的存在，系統(tǒng)的隔振效果略有起伏，但在整個頻段范圍內(nèi)，板厚的增加使筏體質(zhì)量和剛度增加，提升了浮筏隔振裝置的隔振效果。

圖6 板厚增加時的隔振效果

(3) 在隔振器下方筏體上下板位置澆筑高分子橡膠材料并進行有限元數(shù)值仿真計算。圖7a)給出澆筑高分子橡膠材料時基座的加速度響應(yīng)曲線，圖7b)給出澆筑高分子橡膠材料時系統(tǒng)的振級落差。澆筑高分子橡膠材料增加了筏體阻尼，在低頻段使振動尖峰值降低；在600～1 000 Hz頻段范圍內(nèi)，隔振效果約有3～4 dB的提升。在隔振器下方筏體上下板位置澆筑高分子橡膠材料有效削減低頻段的振動尖峰值，同時較好地提升中高頻段的隔振效果。因此，采用重量輕、加工工藝簡單的高分子橡膠材料可有效提升浮筏隔振裝置對高頻振動的隔振效果。

圖7 澆筑高分子橡膠材料時的隔振效果

3 浮筏隔振系統(tǒng)抗沖擊校核計算

水下爆炸可能會對船舶的動力和電力設(shè)備造成巨大的打擊，使某些動力電力設(shè)備不能繼續(xù)正常工作，甚至造成沉船，因此水下非接觸式爆炸沖擊對隔振系統(tǒng)的威脅很大[14]。柴油發(fā)電機組浮筏隔振裝置在滿足隔振技術(shù)指標(biāo)的前提下，一般要進行抗沖擊校核和試驗?；贐V 043-1985抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，確定對整個浮筏隔振系統(tǒng)施加橫向284g、縱向284g、垂向320g的瞬態(tài)沖擊，沖擊波形為雙三角波，作用時間為6 ms。在此沖擊條件下，對浮筏隔振裝置進行抗沖擊校核計算分析，按照設(shè)備加速度和位移響應(yīng)最大值進行分析。

根據(jù)計算結(jié)果，柴油發(fā)電機組的垂向加速度響應(yīng)曲線如圖8a)所示，其最大加速度為9.25g，小于12.5g，并且沖擊加速度衰減較快，滿足抗沖擊加速度指標(biāo)要求。同時，柴油發(fā)電機組相對基礎(chǔ)的位移響應(yīng)如圖8b)所示，其最大位移為40.39 mm，滿足抗沖擊位移指標(biāo)要求。

圖8 柴油發(fā)電機組的垂向沖擊響應(yīng)

4 結(jié) 論

本文基于有限元分析法建模，對某船用雙臺柴油發(fā)電機組浮筏隔振裝置的隔振性能和抗沖擊性能進行計算分析。通過調(diào)整上層隔振器、下層隔振器、筏體和基座的參數(shù)，分別計算了其隔振性能，得出以下結(jié)論：

(1) 降低上層隔振器或下層隔振器剛度均使浮筏隔振裝置隔振效果大幅上升；改變上層隔振器剛度引起隔振效果的變化略明顯于改變下層隔振器剛度。因此，在保證機組穩(wěn)定性的前提下，可適當(dāng)降低上層和下層隔振器剛度來提升隔振效果。

(2) 增加筏體板厚使筏體質(zhì)量增大，同時固有頻率和剛度也相應(yīng)增大，整體隔振效果提升。在工程實際中，筏體質(zhì)量一般為機組總質(zhì)量的20%～50%，在質(zhì)量要求范圍內(nèi)，可適當(dāng)增加筏體板厚從而增加筏體質(zhì)量以提升隔振效果。

(3) 在隔振器下方筏體上下板位置澆筑高分子橡膠材料，在低頻段可削減振動尖峰值，在中高頻段有較好的隔振效果。

(4) 浮筏隔振裝置在沖擊激勵下的加速度和位移響應(yīng)均符合要求，具有較好的抗沖擊性能。