集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)特性研究

蔡龍奇 劉 佳 黎昭文 董成林 陳 糾

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

船舶動(dòng)力裝置含有大量的泵類設(shè)備和靜設(shè)備，泵類旋轉(zhuǎn)機(jī)械是船舶動(dòng)力裝置的主要振動(dòng)源，這些振源設(shè)備振動(dòng)會(huì)通過設(shè)備支承結(jié)構(gòu)和管路向外傳遞。 浮筏隔振措施由于減振效果好、便于模塊化建造等典型特點(diǎn)成了目前船舶減隔振發(fā)展趨勢。

船舶動(dòng)力裝置具有靜設(shè)備集中質(zhì)量大、振源設(shè)備多、振動(dòng)特性多樣等典型特點(diǎn)，本文針對(duì)船舶動(dòng)力裝置集中質(zhì)量復(fù)雜浮筏隔振系統(tǒng)開展了參數(shù)敏感性研究工作，對(duì)比分析了不同筏架結(jié)構(gòu)重量、不同隔振器配置參數(shù)、不同振源分布形式、不同安裝基礎(chǔ)條件下條浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性， 獲得了各參數(shù)影響規(guī)律。

1 浮筏隔振技術(shù)簡介

隔振技術(shù)作為一種重要的機(jī)械噪聲控制措施，在國外已有幾十年的研究歷史和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 并在振動(dòng)控制方面取得了顯著成效。 從其發(fā)展歷程上看，主要經(jīng)歷了單層隔振、 雙層隔振和浮筏隔振等幾個(gè)發(fā)展階段[1]。 目前，浮筏隔振系統(tǒng)仍是隔振技術(shù)發(fā)展研究的重點(diǎn)[2]。

浮筏隔振系統(tǒng)筏架上安裝有多機(jī)組（因而具有多擾動(dòng)源），共用一個(gè)筏體結(jié)構(gòu)。 浮筏隔振效果可達(dá)中低頻段35 dB、高頻段50 dB 以上的隔振效果，此外筏體結(jié)構(gòu)能充分節(jié)省安裝空間。

2 集中質(zhì)量浮筏隔振組成及特點(diǎn)

船舶動(dòng)力裝置是一種典型的集中質(zhì)量復(fù)雜系統(tǒng)，主要由大質(zhì)量靜設(shè)備、泵類振源設(shè)備、管路及支吊架等組成，大質(zhì)量靜設(shè)備、泵類設(shè)備參數(shù)如表1 所示。 如表1 所示，復(fù)雜系統(tǒng)中含有大質(zhì)量靜設(shè)備、三型泵類設(shè)備，且泵運(yùn)行方式多樣、激勵(lì)特性不一致。

表1 浮筏隔振系統(tǒng)被支撐設(shè)備參數(shù)

浮筏隔振系統(tǒng)如圖1 所示，大質(zhì)量靜設(shè)備A 布置在筏架中部位置， 靜設(shè)備A 與筏架采用剛性連接，C泵筏架剛性連接，D 泵、E 泵與筏架彈性連接。 浮筏筏架通過大承載隔振器與安裝基礎(chǔ)連接。

圖1 集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)示意圖

集中質(zhì)量系統(tǒng)主要典型特點(diǎn)如下：

（1）靜設(shè)備重量遠(yuǎn)大于泵類振源設(shè)備；

（2）泵類振源設(shè)備類型和運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣，振源特性不一致，運(yùn)行方式不同；

（3）各振源設(shè)備與靜設(shè)備采用剛性管路連接。

3 集中質(zhì)量浮筏隔振參數(shù)敏感性分析

為獲得筏架結(jié)構(gòu)重量、 浮筏下部隔振器參數(shù)、振源分布位置及安裝基礎(chǔ)阻抗等參數(shù)對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的影響規(guī)律，開展了隔振系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析研究工作。 利用系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣H（ω）對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞規(guī)律進(jìn)行了分析。 線性定常系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)與載荷之間有如下關(guān)系：

式中，X 為響應(yīng)譜向量，F(xiàn) 為載荷譜向量，H（ω）即為頻響函數(shù)矩。

本分析中將F 定義為垂直方向單位載荷譜向量，通過譜分析獲得的系統(tǒng)響應(yīng)譜向量X 即與系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩H（ω）為同一數(shù)值，通過系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩H（ω）可對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)—響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

3.1 筏架結(jié)構(gòu)重量影響規(guī)律分析

浮筏隔振系統(tǒng)隔振器參數(shù)及安裝基礎(chǔ)等參數(shù)均保持不變， 通過調(diào)節(jié)筏架結(jié)構(gòu)密度來達(dá)到改變筏架結(jié)構(gòu)重量的目的，研究筏架重量對(duì)振動(dòng)特性的影響。對(duì)筏架結(jié)構(gòu)設(shè)置如表2 中所示的重量， 對(duì)4 臺(tái)C 型泵、1 臺(tái) D 型泵和 1 臺(tái) E 泵施加 10～315 Hz 頻率范圍內(nèi)的載荷譜， 得到下層隔振器下端與安裝基礎(chǔ)連接處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖2 所示， 振動(dòng)響應(yīng)線譜特征分析見圖3。

表2 筏架結(jié)構(gòu)重量及安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

圖2 不同筏架重量下安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

圖3 振動(dòng)加速度響應(yīng)頻譜特性曲線

由上述對(duì)比可知：

（1）含有大質(zhì)量靜設(shè)備的系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)時(shí)，筏架結(jié)構(gòu)與被隔振設(shè)備重量比遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)浮筏隔振設(shè)計(jì)中筏架重量比（需達(dá)0.5 以上），即可取得較好的減振效果；

（2）如圖2 示，隨著筏架結(jié)構(gòu)重量的增加，下層隔振器振級(jí)略有降低，但筏架結(jié)構(gòu)重量增加對(duì)減振效果的提升貢獻(xiàn)很少；

（3）由圖3 中可知，特征線譜主要由隔振系統(tǒng)固有頻率、筏架結(jié)構(gòu)固有頻率引起，在筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可考慮采取敷設(shè)阻尼等措施降低特征線譜峰值響應(yīng)。

3.2 浮筏下層隔振器參數(shù)影響規(guī)律分析

筏架結(jié)構(gòu)重量及安裝基礎(chǔ)等參數(shù)均保持不變，通過調(diào)節(jié)浮筏下層隔振器參數(shù)獲得隔振器參數(shù)對(duì)隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性影響規(guī)律。對(duì)隔振系統(tǒng)設(shè)置如表3中所示的隔振器參數(shù)，對(duì)4 臺(tái)C 型泵、1 臺(tái)D 型泵和1 臺(tái)E 泵施加10～315Hz 頻率范圍內(nèi)的載荷譜，得到下層隔振器下端與安裝基礎(chǔ)連接處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖5 所示。

表3 隔振器參數(shù)及安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

圖4 不同隔振器參數(shù)下安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

如圖4 所示，下層隔振器剛度越低，傳遞到安裝基礎(chǔ)上的振動(dòng)加速度響應(yīng)越小。但隔振器剛度過低易導(dǎo)致集成支承隔振系統(tǒng)穩(wěn)定性差、抗沖擊能力差，需綜合考慮減振及抗沖擊需求選擇合理參數(shù)的隔振器。

3.3 筏架上振源分布位置影響規(guī)律研究

筏架結(jié)構(gòu)重量、隔振器參數(shù)、安裝基礎(chǔ)等參數(shù)均保持不變，通過調(diào)節(jié)D 型泵安裝位置（在筏架中心位置、在筏架邊角位置）獲得不同振源分布對(duì)隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性影響規(guī)律。 對(duì)4 臺(tái)C 型泵、1 臺(tái)D 型泵和1 臺(tái)E 泵施加10～315 Hz 頻率范圍內(nèi)的載荷譜，得到下層隔振器下端與安裝基礎(chǔ)連接處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖5 所示，表4 為振源分布位置及安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)。其中1 號(hào)隔振器為遠(yuǎn)離靜設(shè)備A 的隔振器，8號(hào)隔振器為靜設(shè)備A 附近隔振器。

表4 振源分布位置及安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

圖5 不同振源分布下安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

如圖5 所示，在不同安裝位置激勵(lì)下浮筏不同位置，隔振器響應(yīng)基本一致，表明在較小質(zhì)量的振源設(shè)備安裝位置對(duì)于大質(zhì)量浮筏系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)影響較小，在大質(zhì)量復(fù)雜系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)需求布置小質(zhì)量振源設(shè)備。

3.4 安裝基座結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律分析

筏架結(jié)構(gòu)重量、隔振器參數(shù)等均保持不變，通過調(diào)節(jié)安裝基礎(chǔ)面板厚度獲得安裝基礎(chǔ)阻抗參數(shù)改變對(duì)集成支承隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性影響規(guī)律。 對(duì)隔振系統(tǒng)設(shè)置如表5 所示的安裝基礎(chǔ)面板厚度參數(shù)，對(duì)4 臺(tái) C 型泵、1 臺(tái) D 型泵和 1 臺(tái) E 泵施加 10～315 Hz頻率范圍內(nèi)的載荷譜，得到隔振器參數(shù)下層隔振器下端與安裝基礎(chǔ)連接處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖6所示。

表5 安裝基礎(chǔ)阻抗參數(shù)及安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

圖6 不同面板厚度下安裝基礎(chǔ)振動(dòng)響應(yīng)

如圖6 所示，安裝基礎(chǔ)阻抗越大，傳遞到安裝基礎(chǔ)上的振動(dòng)加速度響應(yīng)越小， 隔振系統(tǒng)減振效果越好， 但集成支承隔振系統(tǒng)對(duì)于安裝基礎(chǔ)阻抗的參數(shù)敏感性低于隔振器剛度參數(shù)。 在浮筏隔振系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)安裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度， 增加安裝基礎(chǔ)阻抗。

4 結(jié)論

本文針對(duì)大質(zhì)量復(fù)雜隔振系統(tǒng)開展了隔振參數(shù)敏感性分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）筏架結(jié)構(gòu)重量、隔振器剛度、安裝基礎(chǔ)阻抗等參數(shù)均對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性有一定的影響，且隔振系統(tǒng)對(duì)于隔振器剛度參數(shù)最為敏感，對(duì)于安裝基礎(chǔ)阻抗參數(shù)敏感性次之，對(duì)于筏架結(jié)構(gòu)重量參數(shù)敏感性最低；

（2）對(duì)于靜設(shè)備重量較大的系統(tǒng)，筏架結(jié)構(gòu)與被支承設(shè)備重量比在0.1 以下時(shí)也可獲得良好的減振效果，這與常規(guī)浮筏隔振系統(tǒng)重量比需大于0.5 的設(shè)計(jì)原則存在顯著不同， 故對(duì)于大集中質(zhì)量復(fù)雜系統(tǒng)筏架設(shè)計(jì)可在保證剛度、 強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低筏架結(jié)構(gòu)重量；

（3）小質(zhì)量泵類設(shè)備布置位置對(duì)于集中質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)影響十分有限，在隔振設(shè)計(jì)中可重點(diǎn)考慮安裝、維修因素布置小質(zhì)量泵類設(shè)備。

上述結(jié)論可為集中質(zhì)量動(dòng)力裝置浮筏隔振工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。