大型減搖鰭液壓機(jī)組隔振裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 云，金方銀，曾啟盛，程 媛，王宇青

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200000；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；3. 上海衡拓船舶設(shè)備有限公司，上海 200031）

0 引言

船在海上航行和作業(yè)時(shí)，由于風(fēng)浪的影響，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的搖擺，因此提出各種減搖裝置試圖減少船舶搖擺。減搖鰭作為減少船舶橫搖的主要裝置，得到了大量實(shí)船應(yīng)用，在航行遇到大風(fēng)浪時(shí)可有效減少船舶橫搖角度。減搖鰭裝置主要由鰭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)組、電控設(shè)備和鰭箱等構(gòu)成。

液壓機(jī)組作為減搖鰭的動(dòng)力與傳動(dòng)控制裝置，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。傳統(tǒng)減搖鰭的液壓機(jī)組采用單層隔振裝置的措施，即在底座下布置一層減振墊，減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。但是近些年隨著船舶的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備的振動(dòng)控制要求越來(lái)越嚴(yán)格。同時(shí)隨著減搖鰭鰭面積的增大，設(shè)備功率等級(jí)也不斷加大，設(shè)備的振動(dòng)與噪聲也不斷升高。

在研制大型減搖鰭，為了有效減少大型減搖鰭液壓機(jī)組的振動(dòng)，滿足聲隱聲控制要求，本文中設(shè)計(jì)了大型減搖鰭液壓機(jī)組的雙層隔振裝置，即首先在液壓機(jī)組的主要振動(dòng)源——泵組下設(shè)置一層隔振裝置，然后在設(shè)備的公共底座下再設(shè)置一層隔振裝置。公共底座設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)框架，并在框架內(nèi)澆灌混凝土。在設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

1 液壓機(jī)組隔振裝置設(shè)計(jì)

1.1 液壓機(jī)組概況與隔振要求

減搖鰭裝置液壓機(jī)組，主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)鰭、收放、復(fù)零、解鎖的驅(qū)動(dòng)與控制，為高度集成化的液壓動(dòng)力源。液壓機(jī)組，見(jiàn)圖1，主要由主泵、電機(jī)、輔泵、轉(zhuǎn)鰭閥組、收放閥組、油箱、冷卻器和應(yīng)急泵組等組成。

液壓機(jī)組中主要?jiǎng)恿Σ考?shù)如下：1）電機(jī)JY280S-4-H(B3)：功率75 kW、轉(zhuǎn)速1 480 r/min、質(zhì)量600 kg；2）柱塞泵：柱塞數(shù)9，質(zhì)量237 kg；3）葉片泵：葉片數(shù)10，質(zhì)量26 kg。

根據(jù)船舶的隱聲控制要求，減搖鰭液壓機(jī)組的振動(dòng)需滿足在彈性安裝條件下，額定工況時(shí)，機(jī)腳振動(dòng)加速度驗(yàn)收限值見(jiàn)表1，允許3個(gè)1/30CT中心頻率點(diǎn)超出限值，總振級(jí)不超過(guò)133 dB（ref，振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值：10-6m/s2，10 Hz～10 000 Hz）。

表1 機(jī)腳振動(dòng)加速度驗(yàn)收限值

減搖鰭液壓機(jī)組隔振效果要求：在20 Hz～200 Hz頻段內(nèi)不低于10 dB，在250 Hz～2.5 kHz頻段內(nèi)不低于15 dB，在3.15 kHz～10 kHz頻段內(nèi)不低于20 dB。

1.2 隔振裝置設(shè)計(jì)

隔振裝置的主要功能是為液壓機(jī)組提供統(tǒng)一彈性支撐和連接，滿足設(shè)備集中承載和管路布置的要求，能有效地衰減設(shè)備的振動(dòng)向船體安裝基座的傳遞。

液壓機(jī)組雙層隔振裝置見(jiàn)圖1，首先在泵組，其包括主泵、電機(jī)、輔泵和安裝支架等組件下設(shè)置過(guò)渡機(jī)架，其下設(shè)置6只BE-300型隔振器。液壓機(jī)組上主要設(shè)備連接到設(shè)備的公共底座——中間機(jī)架后，再連接6只6JX-900型隔振器。其組成與配置見(jiàn)圖1、表2和表3。泵組隔振布置保證BE-300型隔振器剛度中心與泵組質(zhì)量重心在水平面內(nèi)的坐標(biāo)重合，下層隔振布置保證6JX-900型隔振器的剛度中心與公共底座和設(shè)備的總重心在水平面內(nèi)的坐標(biāo)重合。

表2 隔振裝置組成參數(shù)

表3 隔振器性能參數(shù)

圖1 大型減搖鰭液壓機(jī)組及隔振裝置

中間機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮強(qiáng)度和剛性[1]，應(yīng)在設(shè)計(jì)要求的外形尺寸內(nèi)，使其質(zhì)量比、強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，在上、下層隔振器的各支承點(diǎn)處要有較高機(jī)械阻抗?；谝陨系目紤]，中間機(jī)架設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)框架，并在框架內(nèi)澆灌混凝土，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 液壓機(jī)組中間機(jī)架

1.3 設(shè)計(jì)分析

1）靜變形

經(jīng)計(jì)算，隔振裝置水平放置時(shí)，隔振器垂向靜變形見(jiàn)表4。數(shù)值正為垂向受拉，負(fù)為垂向受壓。

表4 隔振裝置隔振器靜變形

2）穩(wěn)定性

在有限元軟件中，冷卻器、油箱和泵組根據(jù)其重心簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，中間機(jī)架根據(jù)三維模型建立實(shí)體有限元模型。

隔振裝置的傾斜穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表5。隔振器水平向變形取絕對(duì)值；垂向變形數(shù)值正為受拉，負(fù)為受壓。傾斜最大角度時(shí)，隔振器變形均在允 許范圍內(nèi)。

表5 隔振裝置傾斜計(jì)算結(jié)果

隔振裝置的搖擺穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表6。隔振器水平向變形取絕對(duì)值；垂向變形數(shù)值正為受拉，負(fù)為受壓。搖擺最大角度時(shí)，隔振器變形均在允許變形范圍內(nèi)。

表6 隔振裝置搖擺靜變形

3）系統(tǒng)固有頻率及振型計(jì)算

采用Abaqus對(duì)減搖鰭液壓機(jī)組隔振裝置的模態(tài)及中間機(jī)架的彈性模態(tài)進(jìn)行計(jì)算[2-4]，各階模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表7。

表7 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為24.7 Hz。經(jīng)計(jì)算，隔振裝置各階模態(tài)最小避開(kāi)度為13.9%（第10階，21.23 Hz），此階振型為下層垂向+上層垂向。滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)要求。

隔振裝置中間機(jī)架彈性模態(tài)，見(jiàn)圖3。電機(jī)拖動(dòng)柱塞泵與葉片泵運(yùn)轉(zhuǎn)，泵組上柱塞泵為9個(gè)運(yùn)動(dòng)柱塞，對(duì)應(yīng)的工作頻率為222.3 Hz；葉片泵為10個(gè)活動(dòng)葉片，對(duì)應(yīng)的工作頻率為246.7 Hz。經(jīng)計(jì)算，模態(tài)最小避開(kāi)度為13.8%（第4階，280.72 Hz）。滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)要求。

圖3 雙層隔振裝置中間機(jī)架彈性模態(tài)計(jì)算結(jié)果

2 液壓機(jī)組振動(dòng)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分別布置在液壓機(jī)組的機(jī)腳和下層隔振器下基礎(chǔ)上兩個(gè)測(cè)試部位。機(jī)腳上的測(cè)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，下層隔振器下基礎(chǔ)上的測(cè)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，見(jiàn)圖4。測(cè)試系統(tǒng)有效頻率響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋10 Hz～10 kHz的1/3倍頻程。在100%額定負(fù)載工況時(shí)，測(cè)量液壓機(jī)組的振動(dòng)加速度與隔振效果。

圖4 加速度與隔振效果測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試額定工況為：生搖周期12.9 s，轉(zhuǎn)鰭角度±20°，轉(zhuǎn)鰭壓力11.9 MPa，補(bǔ)油壓力2 MPa，伺服壓力10 MPa。

額定工況下，液壓機(jī)組的機(jī)腳，測(cè)試點(diǎn)編號(hào)1#～6#的平均振動(dòng)加速度的測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖5。測(cè)試結(jié)果顯示，在頻率為250 Hz時(shí)，振動(dòng)加速度超過(guò)限值。在其他頻率上，振動(dòng)加速度均小于驗(yàn)收限值。設(shè)計(jì)要求中允許3個(gè)頻率點(diǎn)超出限值，故本設(shè)備的振動(dòng)加速度滿足設(shè)計(jì)要求，判定合格。測(cè)試結(jié)果顯示，額定工況下機(jī)腳的總振級(jí)為127.2 dB，小于要求的133 dB，故合格。

圖5 機(jī)腳振動(dòng)加速度測(cè)試曲線

隔振裝置的隔振效果見(jiàn)表8，可見(jiàn)該裝置的隔振效果滿足要求。

表8 隔振效果測(cè)試結(jié)果（額定工況）

3 結(jié)論

本文中針對(duì)大型減搖鰭液壓機(jī)組開(kāi)展減振設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。為了有效減少減搖鰭液壓機(jī)組的振動(dòng)，滿足船舶的聲隱聲控制要求，設(shè)計(jì)了大功率液壓機(jī)組雙層隔振裝置。首先在液壓機(jī)組的主要振動(dòng)源——泵組下設(shè)置一層隔振裝置，然后在設(shè)備的公共底座下再設(shè)置一層隔振裝置。公共底座設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)框架，并在框架內(nèi)澆灌混凝土。

設(shè)計(jì)分析中對(duì)該隔振裝置進(jìn)行了靜態(tài)分析、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)固有頻率與振型計(jì)算。電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為24.7 Hz，經(jīng)計(jì)算隔振裝置各階模態(tài)最小避開(kāi)度為13.9%（第10階，21.23 Hz）。液壓機(jī)組中柱塞泵內(nèi)包含9個(gè)柱塞，電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的工作頻率為222.3 Hz；葉片泵內(nèi)內(nèi)包含10個(gè)葉片，電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的工作頻率為2 4 6.7 H z。

經(jīng)計(jì)算隔振裝置中間機(jī)架彈性模態(tài)，模態(tài)最小避開(kāi)度為13.8%（第4階，280.72 Hz）。滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)要求。

最后，對(duì)該液壓機(jī)組的振動(dòng)情況進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該型液壓機(jī)組隔振裝置有效減少了液壓機(jī)組的振動(dòng)，其機(jī)腳振動(dòng)加速度、隔振效果均滿足設(shè)計(jì)要求。