泵類設(shè)備減隔振及特征線譜控制技術(shù)研究

黎昭文 劉 佳 蔡龍奇 劉立志 王 禹 李耀武 王嘉瑞 王昌朔

（1、核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610213 2、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都610213）

旋轉(zhuǎn)的泵類設(shè)備是船舶動(dòng)力系統(tǒng)中主要的機(jī)械振動(dòng)噪聲源。長(zhǎng)期的振動(dòng)可能引發(fā)設(shè)備失效,且振動(dòng)噪聲可通過設(shè)備機(jī)腳以及相連的管路向外傳遞,形成輻射噪聲。因此,為改善艙室噪音環(huán)境并減少振動(dòng)傳遞,針對(duì)泵類設(shè)備的減振降噪設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。傳統(tǒng)的單層隔振措施雖然理論成熟并運(yùn)用廣泛,但在中高頻區(qū)由于隔振器內(nèi)部的駐波效應(yīng)而影響實(shí)際隔振效果[1]。本文以屏蔽泵為例開展了減隔振及特征線譜控制技術(shù)研究,通過浮筏隔振和動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)研究,基于有限元方法進(jìn)行了固有頻率及減振效果分析,形成了適用于泵類設(shè)備的減隔振及特征線譜控制方案。

1 浮筏隔振技術(shù)研究

雙層隔振系統(tǒng)在減振降噪和抗沖擊方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單層隔振系統(tǒng),利用兩層彈性元件的剛度和附加質(zhì)量可有效地控制并衰減彈性波的傳播,從而取得良好的高頻隔振效果[2]。

1.1 浮筏隔振原理

浮筏隔振系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是具有多機(jī)組、多擾源特性的多層隔振系統(tǒng),簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。將多個(gè)振源設(shè)備安裝在同一個(gè)公共支承筏架上,再與安裝基座彈性連接,減少聲短路以提升隔振效果。

圖1 浮筏隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

通過對(duì)系統(tǒng)功率流傳遞特性分析[3],發(fā)現(xiàn)隔振器阻尼對(duì)系統(tǒng)的功率流傳遞譜影響較小,一定范圍內(nèi)減小隔振器剛度和增大筏架質(zhì)量可提升隔振效果,但需要結(jié)合系統(tǒng)特性綜合考慮,且最優(yōu)布置方式為對(duì)稱布局。

1.2 浮筏隔振方案

以船舶動(dòng)力系統(tǒng)中某持續(xù)運(yùn)行的立式屏蔽泵作為研究對(duì)象,該泵重約1300kg。綜合考慮系統(tǒng)的典型特性,通過選型方案論證,選擇將該屏蔽泵的備用泵集中布置于筏架結(jié)構(gòu)上,單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)利用備用泵的質(zhì)量效應(yīng),可有效降低振源設(shè)備的振動(dòng)傳遞。由于該泵垂向尺寸較大,為適應(yīng)浮筏結(jié)構(gòu),采用中部支承的方式布置于筏架上,降低設(shè)備重心以提高抗沖擊性能。浮筏隔振方案示意圖如圖2 所示。

圖2 浮筏隔振方案示意圖

表1 浮筏隔振器參數(shù)表

2 特征線譜控制研究

通過分析研究形成了浮筏隔振方案,雖然浮筏隔振系統(tǒng)具有良好的高頻隔振效果,但在低頻段的性能欠佳[4]。根據(jù)屏蔽泵實(shí)測(cè)振動(dòng)傳遞特性,發(fā)現(xiàn)在機(jī)腳位置存在較為明顯的50Hz 線譜,分析為屏蔽泵相應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)軸頻引起。因此,考慮采用安裝動(dòng)力吸振器這一常用的特征線譜控制手段,以降低特征線譜的傳遞,改善系統(tǒng)振動(dòng)環(huán)境。

結(jié)合單速運(yùn)行的屏蔽泵系統(tǒng)特性及控制要求,綜合對(duì)比被動(dòng)式、半主動(dòng)式和主動(dòng)式動(dòng)力吸振器,選擇采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用成熟度較高的被動(dòng)式動(dòng)力吸振器。而在常見的質(zhì)量彈簧式、懸臂梁式被動(dòng)式動(dòng)力吸振器中,選擇穩(wěn)定性好、安裝簡(jiǎn)便且具有一定吸振帶寬的質(zhì)量彈簧式動(dòng)力吸振器[5]。

2.1 動(dòng)力吸振基本理論

振源設(shè)備安裝動(dòng)力吸振器后可以簡(jiǎn)化為雙自由度系統(tǒng),如圖3 所示。定義振源質(zhì)量為m1,隔振器的剛度為k1,阻尼為c1；定義動(dòng)力吸振器的吸振質(zhì)量、剛度和阻尼分別為定義為m2、k2和c2。

圖3 吸振系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

主系統(tǒng)在受到激勵(lì)力F 作用下,運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中,x 為安裝動(dòng)力吸振器前主質(zhì)量的振動(dòng)響應(yīng),則吸振效果可表示為：

在主系統(tǒng)（振源）上安裝動(dòng)力吸振器后振動(dòng)響應(yīng)會(huì)降低,且在動(dòng)力吸振器的固有頻率處,主系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的降低量最大。結(jié)合上述結(jié)論,可以針對(duì)振源振動(dòng)響應(yīng)中振動(dòng)幅值較高的目標(biāo)頻率,通過設(shè)置合理的參數(shù),使動(dòng)力吸振器的固有頻率與振動(dòng)響應(yīng)中的目標(biāo)頻率相等,便可有效降低該頻率的振動(dòng)幅值。

2.2 動(dòng)力吸振器參數(shù)研究

為對(duì)屏蔽泵特征線譜進(jìn)行控制,需根據(jù)系統(tǒng)特性進(jìn)行動(dòng)力吸振器參數(shù)研究,為簡(jiǎn)化計(jì)算,取屏蔽泵1/4 的重量作為主系統(tǒng)的質(zhì)量m1=325kg,隔振器的剛度k1=2.78e6N/m,阻尼c1=3.6e3N/ms-1；動(dòng)力吸振器的吸振質(zhì)量、剛度和阻尼分別為定義為m2、k2和c2。

基于2.1 節(jié)理論公式,建立目標(biāo)設(shè)備吸振系統(tǒng)的振動(dòng)方程,圖4 為工作頻率設(shè)置為50Hz,吸振器吸振效果與吸振質(zhì)量及阻尼比的關(guān)系曲線。

圖4 吸振效果與吸振質(zhì)量及阻尼比的關(guān)系

由規(guī)律可知,當(dāng)吸振質(zhì)量增大時(shí)吸振效果編號(hào),但是較小的阻尼比,會(huì)導(dǎo)致吸振質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)位移會(huì)很大,有效吸振帶寬變窄；因此,為了使動(dòng)力吸振器的吸振頻帶具有一定帶寬,且能保證一定的控制效果,應(yīng)該在保證一定的吸振質(zhì)量的情況下,增加相當(dāng)?shù)淖枘帷?/p>

綜合考慮以特征線譜控制效果≥3dB 作為考核指標(biāo),且由于動(dòng)力吸振器的質(zhì)量不宜超過設(shè)備質(zhì)量的5%[6],確定動(dòng)力吸振器吸振質(zhì)量為15kg,阻尼比為ζ=0.02。

2.3 特征線譜控制方案

動(dòng)力吸振器包括底板、頂板、吸振質(zhì)量塊、直線軸承、彈簧及彈簧座、導(dǎo)向軸、側(cè)板等。導(dǎo)向軸連接底板、頂板及側(cè)板形成固定單元,吸振質(zhì)量塊通過直線軸承可沿導(dǎo)向軸上下運(yùn)動(dòng),具有導(dǎo)向及動(dòng)力吸振器傾斜時(shí)徑向承載的作用。動(dòng)力吸振器與屏蔽泵連接支架和筏架下底板均采用螺栓連接,共布置14 個(gè)動(dòng)力吸振器在隔振器安裝螺栓處以達(dá)到最好的吸振效果。屏蔽泵浮筏隔振及特征線譜控制總體方案如圖5 所示。

3 有限元分析

針對(duì)形成的浮筏隔振及特征線譜控制總體方案,基于有限元分析軟件ANSYS,建立屏蔽泵浮筏隔振及特征線譜控制系統(tǒng)有限元模型,如圖6 所示。有限元模型中,屏蔽泵、筏架結(jié)構(gòu)、安裝基座均采用三維實(shí)體單元SOLID185 模擬,分別用3 個(gè)方向的彈簧阻尼單元COMBINE14 模擬上、下層隔振器三個(gè)方向的剛度和阻尼,動(dòng)力吸振器采用“Combine14 彈簧阻尼單元+Mass21 質(zhì)量單元”模擬。

圖5 浮筏隔振及特征線譜控制總體方案

圖6 浮筏隔振及特征線譜控制有限元模型

3.1 模態(tài)分析

采用ANSYS 模態(tài)分析模塊對(duì)浮筏筏架結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行計(jì)算,筏架結(jié)構(gòu)前4 階固有頻率如表2 所示?？芍ぜ芙Y(jié)構(gòu)第1階固有頻率為244.3Hz,筏架結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率避開了屏蔽泵主要激勵(lì)頻率（50Hz）,且無(wú)局部振型出現(xiàn),表明筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

表2 筏架結(jié)構(gòu)固有頻率

采用同樣的方法對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)（不安裝動(dòng)力吸振器）固有頻率進(jìn)行計(jì)算,系統(tǒng)前12 階固有頻率如表3 所示。可知浮筏隔振系統(tǒng)模態(tài)頻率避開了屏蔽泵主要激勵(lì)頻率（50Hz）,且無(wú)局部振型出現(xiàn),表明浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

表3 浮筏隔振系統(tǒng)固有頻率

同理對(duì)浮筏隔振及特征線譜控制系統(tǒng)（安裝動(dòng)力吸振器）固有頻率進(jìn)行計(jì)算,系統(tǒng)前9 階模態(tài)與浮筏隔振系統(tǒng)前9 階模態(tài)基本一致,第10 階至23 階模態(tài)表現(xiàn)為14 個(gè)動(dòng)力吸振器的模態(tài),不同模態(tài)頻率之間的區(qū)別在于各動(dòng)力吸振器之間的相位不同。

3.2 浮筏隔振效果分析

基于浮筏隔振系統(tǒng)（不安裝動(dòng)力吸振器）有限元模型,在屏蔽泵A 上施加簡(jiǎn)諧激勵(lì)力,采用ANSYS 諧響應(yīng)分析模塊開展浮筏隔振系統(tǒng)隔振效果分析工作,提取上層隔振器上部安裝點(diǎn)和下部隔振器下部安裝點(diǎn)位置的振動(dòng)響應(yīng),獲得浮筏隔振系統(tǒng)振級(jí)落差曲線如圖7 所示,分析結(jié)果表明,浮筏隔振系統(tǒng)隔振效果約為59.3dB（10Hz～8kHz）。

圖7 浮筏隔振系統(tǒng)振級(jí)落差曲線

3.3 特征線譜控制效果分析

分別在浮筏隔振系統(tǒng)（不安裝動(dòng)力吸振器）和浮筏隔振及特征線譜控制系統(tǒng)（安裝動(dòng)力吸振器）的屏蔽泵A 上施加50Hz 單頻激勵(lì)力,考察運(yùn)行泵連接支架上4 個(gè)動(dòng)力吸振器安裝位置和筏架上6 個(gè)動(dòng)力吸振器安裝位置附近各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)及吸振效果如表4 所示。

表4 動(dòng)力吸振器安裝位置各點(diǎn)吸振效果

經(jīng)分析,安裝動(dòng)力吸振器后10 個(gè)點(diǎn)的整體平均吸振效果約為4.2dB,滿足考核指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)中振動(dòng)較大且特征線譜明顯的泵類設(shè)備,開展了基于浮筏隔振和動(dòng)力吸振的減隔振及特征線譜控制技術(shù)研究,通過浮筏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力吸振器參數(shù)研究、減隔振及吸振效果分析等工作,形成了泵類設(shè)備減隔振及特征線譜控制技術(shù)方案。分析結(jié)果表明,該方案可有效降低泵類設(shè)備振動(dòng)及特征線譜傳遞。本文的研究工作可為泵類設(shè)備的減隔振及特征線譜控制提供參考,在實(shí)際工程問題中,可根據(jù)設(shè)備及管路布置對(duì)筏架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力吸振器參數(shù)等進(jìn)行適應(yīng)性修改,以滿足相應(yīng)的控制要求。