隔振器分布對浮筏隔振系統(tǒng)隔振性能的影響

胡澤超，何 琳，李 彥

(1. 海軍工程大學(xué) 振動噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

隔振器分布對浮筏隔振系統(tǒng)隔振性能的影響

胡澤超1,2，何 琳1,2，李 彥1,2

(1. 海軍工程大學(xué) 振動噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

目前，國內(nèi)外對于浮筏隔振系統(tǒng)各個(gè)方面的研究都已很多，通常采用的是動力學(xué)建模及理論分析的方法。但此法通常是將隔振器簡化為只有垂向剛度的彈簧和阻尼的單元，而忽略了隔振器的橫向剛度及阻尼對系統(tǒng)的影響，簡化模型與實(shí)際情況有一定差別，因此本文采用有限元法對浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。本文根據(jù)隔振器的選用及布置原則提出幾種合理的布置方案，利用 ansys 有限元軟件對提出的布置方案進(jìn)行仿真，采用振級落差的隔振指標(biāo)來評估浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果，為隔振器的布置方案設(shè)計(jì)提供一種思路。

隔振器；優(yōu)化分布；仿真分析；振級落差

0 引 言

目前，船舶機(jī)械振動隔離主要采用被動隔振裝置，主要包括單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振裝置。采用隔振裝置對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行彈性支承，可以減小傳遞到船體基座上的振動，是船舶減振降噪的重要措施[1]。浮筏隔振系統(tǒng)屬于多機(jī)組、多激勵源的多層隔振系統(tǒng)。浮筏隔振技術(shù)是艦船減振降噪的關(guān)鍵技術(shù)之一，能有效地抑制機(jī)械振動能量向船體的傳遞，對于提高艦船的生命力及船員工作環(huán)境的舒適度有著至關(guān)重要的作用[2]。對于多臺機(jī)組傳遞到基座的振動隔離，浮筏隔振裝置是最常用而有效的方法，然而在工程實(shí)際中，某些船舶柴油機(jī)和泵類設(shè)備等裝置在安裝了隔振器之后，隔振效果并不好[3]，造成這一后果的重要原因之一就是隔振器不合理的布置位置。本文從隔振器的布置位置入手，以船用泵類設(shè)備為被隔振對象，主要對浮筏下層隔振器的安裝位置進(jìn)行研究，提出4種布置方案并對其隔振效果予以分析，得出最優(yōu)的布置

方案。通過分析不同隔振器布置方案對隔振系統(tǒng)的模態(tài)頻率與隔振效果的影響，得出的結(jié)論能為隔振器的選用與布置提供一種參考。

1 隔振器的選用和布置原則

目前在被動隔振中隔振器常見的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對隔振器參數(shù)及其布置位置的研究。在浮筏隔振系統(tǒng)中，改變隔振裝置的布置方式，勢必會對整個(gè)隔振系統(tǒng)的隔振效果產(chǎn)生影響。完整的隔振器的設(shè)計(jì)應(yīng)包括選型和布置位置優(yōu)化等方面的設(shè)計(jì)，下面對隔振器的選用及布置原則進(jìn)行歸納與總結(jié)。

1.1 隔振器的選用原則

隔振器的選用應(yīng)該從尺寸、材料和隔振效率等方面入手。具體選用時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

1）根據(jù)機(jī)組載荷和激勵的特點(diǎn)，選用的隔振器應(yīng)該在承載力范圍之內(nèi)，且應(yīng)當(dāng)避開其正常工況下的主要激振頻率；

2）隔振器的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)給定的工作環(huán)境和安裝空間尺寸的要求；

3）外干擾√力的頻率 f 與隔振系統(tǒng)的共振頻率 f0應(yīng)滿足且在一定范圍內(nèi)頻率比越大隔振效果越好，但頻率比也不宜過大，過大會導(dǎo)致裝置的穩(wěn)定性差，容易引起機(jī)組及筏架搖晃，故一般選用頻率比在 2.5～4.5 之間[4]；

4）隔振器的阻尼比在 0.04～0.2 之間為最佳[4]；

5）保證隔振系統(tǒng)總剛度和總阻尼不變的情況下，應(yīng)盡量選用承載能力、剛度和阻尼大的隔振器來減小基礎(chǔ)的振動響應(yīng)[5]。

1.2 隔振器的布置原則

目前還沒有對隔振器的分布原則的系統(tǒng)總結(jié)，根據(jù)國內(nèi)外近年來的科研成果來看，可總結(jié)如下：

1）隔振器的布置，一般應(yīng)該對稱于通過系統(tǒng)中心主慣性坐標(biāo)軸的二垂直平面，這樣可以避免系統(tǒng)自由度之間的耦合[6]；

2）根據(jù)被隔振物體的重心位置，應(yīng)當(dāng)盡量選用同型號的隔振器使各隔振器所承受的載荷一致，這樣便于計(jì)算、分析及維護(hù)；

3）浮筏隔振系統(tǒng)上下層隔振器應(yīng)采取不對齊的安裝方式來減小傳遞到基礎(chǔ)的寬頻振動[7]。

2 隔振器選型及布置方案

2.1 浮筏上層隔振器的選型

根據(jù)第1節(jié)中隔振器選用和布置原則對浮筏上層隔振器進(jìn)行選型。以2臺同型號的泵類設(shè)備為隔振對象，每臺泵類設(shè)備的重量為1700kg，且有一定的偏心距。選用隔振器時(shí)，隔振器的額定載荷應(yīng)保證有一定的余量，本文設(shè)計(jì)隔振器的總額定載荷約為泵重量的1.4～1.5 倍。由于每個(gè)泵類設(shè)備設(shè)計(jì)有4個(gè)基腳，因此選用的筏架上層隔振器的型號為 GJ-600D 型橡膠隔振器，GJ-600D 的參數(shù)如表1所示，安裝在泵的基腳處。

表1 GJ-600D 型隔振器主要性能參數(shù)Tab.1The main performance of the GJ-600D’s isolation

2.2 浮筏下層隔振器的選型

本文選用氣囊隔振器對浮筏下層隔振器進(jìn)行優(yōu)化布置。氣囊隔振器與普通橡膠隔振器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）固有頻率低，具有比橡膠隔振器更優(yōu)良的隔振性能；

2）無駐波效應(yīng)，高頻隔振性能更好；

3）尺寸小，承載能力較強(qiáng)；

4）載荷的可調(diào)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)。因此選用氣囊隔振器作為浮筏隔振系統(tǒng)下層隔振器可以有效地解決大型裝置設(shè)備隔振性能的問題。

JYQN 型氣囊隔振器的動剛度隨著載荷的變化而變化，在一定變形范圍內(nèi)可認(rèn)為是線性變化，而其固有頻率和阻尼比是一個(gè)常量。在系統(tǒng)總剛度和總阻尼不變的情況下，可以根據(jù)隔振器的固有頻率、阻尼比及承載情況計(jì)算出隔振器的動剛度和阻尼等參數(shù)。表 2為不同數(shù)目下氣囊隔振器的主要參數(shù)。

表2 JYQN 型氣囊隔振器的參數(shù)Tab.2The parameter of JYQN air spring with rubber

2.3 下層隔振器的布置方案

在選定隔振器型號的前提下，可以通過改變隔振器的數(shù)目和分布來改變隔振器對浮筏隔振系統(tǒng)的隔振性能。浮筏上層隔振系統(tǒng)隔振器一般布置在設(shè)備的基腳處，相對下層隔振器而言，位置比較固定。因此，本文僅對下層隔振器的布置位置進(jìn)行研究。根據(jù)隔振器的布置原則提出了幾種隔振器的合理分布形式如圖 1所示。為了方便后文的分析，在這里規(guī)定 x 軸為橫向，y軸為縱向。下面將通過這4種布置方案對隔振器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 浮筏下層隔振器的布置方案Fig.1 The isolator’s distribution on the lower layer floating raft

3 仿真分析

3.1 機(jī)組及筏架特性參數(shù)

以某船用2臺同型號泵類設(shè)備為隔振對象，建立浮筏隔振系統(tǒng)模型。其中，筏架和基座的主要性能參數(shù)為：筏架材料為 1Cr18Ni9Ti，質(zhì)量為1666kg。筏架的主要參數(shù)如表3所示。

表3 筏架主要材料特性參數(shù)Tab.3 The main performance of the raft

基座的材料為 Q235，質(zhì)量為1907g。在基座的底板橫向?qū)ΨQ安裝有16個(gè)M50螺釘對基座進(jìn)行約束。隔振器的固有頻率應(yīng)低于泵的激振頻率，實(shí)驗(yàn)測得泵在主要工況轉(zhuǎn)速下的激振頻率如表4所示。

表4 泵在正常工況 2 650 rmp 下的主要激勵頻率Tab.4 The main pumping frequency at2650 rmp

3.2 模態(tài)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試及計(jì)算所得到的參數(shù)，在 workbench 中用 bushing 單元將隔振器簡化為具有三向阻尼和三向剛度的單元，根據(jù)重心的位置可用 mass point 將泵類設(shè)備簡化為具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的質(zhì)點(diǎn)，由此可以建立如圖2所示的仿真模型，通過 Ansys 有限元仿真，可以得到4種不同布置方案下浮筏隔振系統(tǒng)的前20 階模態(tài)（其中前18階為系統(tǒng)的剛體模態(tài)），如表 5所示。

通過對前 20 階模態(tài)振型的分析可以得出：

圖2 浮筏隔振系統(tǒng)的仿真模型Fig.2 The simulation of the floating raft system

表5 隔振系統(tǒng)前 20 階模態(tài)Tab.5 The first 20s modal frequency of the vibration isolation system

1）通過觀察模態(tài)振型得出，浮筏下層隔振器不同的布置方法對機(jī)組模態(tài)影響甚微。

2）浮筏下層隔振器的布置方案對筏架的模態(tài)有一定的影響，系統(tǒng)的前3階模態(tài)分別為筏架的橫搖、縱搖和垂向平動，筏架的模態(tài)頻率由氣囊隔振器的剛度特性及其作用位置共同決定。

3）第2種方案第19階模態(tài) 70.352 Hz 接近機(jī)組正常工況下的主要激勵頻率70Hz，在機(jī)組正常工作時(shí)可能會激起筏架扭轉(zhuǎn)方向共振，而 1，3 和4三種方案的設(shè)計(jì)都能有效地避開機(jī)組正常工作時(shí)所產(chǎn)生的激振頻率。

4）第1和第2兩種方案所選用隔振器的數(shù)目和型號均相同，僅在布置位置上有所區(qū)別，而第2種布置方案中出現(xiàn)了 2.206 Hz 的一階模態(tài)頻率，明顯低于方案 1，說明方案2對筏架橫搖的約束能力不足，易引起筏架的橫搖，應(yīng)盡量避免，因此在浮筏下層隔振器的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在筏架的邊角處布置隔振器，從而對機(jī)組的振動進(jìn)行有效隔離。

5）第 1，第3和第4三種方案布置方式在數(shù)目上有所區(qū)別，可見隔振器的數(shù)目對浮筏的前18階剛體模態(tài)影響不大且都避開了機(jī)組主要的激振頻率，因此在考慮到經(jīng)濟(jì)性、安裝空間等因素時(shí)，在滿足承載力要求的情況下可以考慮使用較少的隔振器進(jìn)行隔振。

綜上所述，在浮筏下層隔振器選型及方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選擇合適剛度的隔振器來避開機(jī)組正常工況下的主要激振頻率，并且應(yīng)當(dāng)采用筏架下層隔振器邊角布置的方法對機(jī)組的振動進(jìn)行有效的隔離。方案 1、方案3和方案4滿足要求。

3.3 隔振效果分析

在隔振設(shè)計(jì)時(shí)，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是圍繞隔振效率產(chǎn)生的。目前常用的隔振效果評價(jià)指標(biāo)有力傳遞率、插入損失、振級落差、功率流等[8]。其中振級落差的測量在工程實(shí)際中比較容易實(shí)現(xiàn)，也是實(shí)踐中用的最多的，因此本文使用振級落差這一評價(jià)指標(biāo)來對不同數(shù)目和布置位置的隔振器的隔振效果進(jìn)行評估。

振級落差分為速度振級落差和加速度振級落差，加速度振級落差公式如下：

式中：a1為設(shè)備上的振動加速度；a2為基座上的振動加速度。

分別對4種方案的隔振效果進(jìn)行評估。在 Ansys workbench 中分別對2臺泵的質(zhì)心處施加單位簡諧激勵力（1 N），頻率為 10～800 Hz 范圍的 1/3 倍頻程，分別讀取泵的基腳及隔振裝置安裝基座處加速度響應(yīng)，從而得到該隔振系統(tǒng)的隔振效果曲線如圖3所示。分段隔振效果如表6所示。

圖3 三分之一倍頻程隔振效果曲線Fig.3 The effect of vibration isolation on the 1/3 Oct vibration level

表6 分頻段隔振效果Tab.6 The effect of vibration isolation in different frequency range

由圖3和表6可以得出以下結(jié)論：方案2的隔振效果最差，方案4的隔振效果最好。4 種方案在10～100 Hz 低頻范圍內(nèi)的隔振效果相差不大，但是在100～800 Hz 頻段范圍內(nèi)，隔振器的數(shù)量對浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果影響較大。方案2在激振頻率為20Hz時(shí)的隔振效果不佳，主要是由于4個(gè)隔振器居中布置的方法在氣囊變形相同位移下對筏架產(chǎn)生的力矩較小，因而對筏架的橫搖控制能力較弱。4 種方案的隔振效果均在315Hz 處大幅下降，主要是因?yàn)樵谶@個(gè)激振頻率處，基座產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致隔振裝置隔振效果不佳。

綜上所述：仿真結(jié)果表明，方案1和方案2的低頻隔振效果較差，其中方案2的布置會導(dǎo)致引起系統(tǒng)橫搖的一階模態(tài)降低，且對橫搖的約束能力不足，因此不宜采取類似的少數(shù)隔振器居中布置的方案；方案3 在低頻和中高頻也有著較好的隔振效果，在 10～100 Hz 頻率范圍內(nèi)隔振效果與方案4相差無幾，在100～800 Hz 頻率范圍也僅差 2.3 dB；根據(jù)隔振效果的對比，方案4的隔振效果最佳。若考慮隔振器的成本和安裝空間等多方面的限制條件，且在使用較少的隔振器就能滿足隔振要求的前提下，方案3亦可作為隔振器方案設(shè)計(jì)的參考，且方案3與方案4的振級落差相近，選用6個(gè)隔振器已能達(dá)到較好的隔振效果。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)隔振器的選用和布置原則，以泵類設(shè)備為研究對象，提出了浮筏下層氣囊隔振器的幾種布置方案，并通過有限元仿真對浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析及隔振效果分析。分析結(jié)果表明，下層隔振器的布置方案對上層泵類設(shè)備的模態(tài)頻率沒有影響，僅對筏架的模態(tài)頻率有一定的影響。而通過4種布置方案隔振效果的對比發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2在 10～800 Hz 頻率范圍內(nèi)隔振效果較差，其中方案2這種少數(shù)隔振器居中布置的方案降低了引起筏架橫搖的一階固有頻率，在沖擊搖擺等惡劣工作條件下必然會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)；方案3和方案4在 10～800 Hz 頻率范圍內(nèi)都有著較好的隔振性能，在浮筏下層隔振器的設(shè)計(jì)時(shí)可以作為參考。

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The influence of the isolator’s distribution on floating raft isolation system’s performance

HU Ze-chao1,2, HE Lin1,2, LI Yan1,2
(1. Institute of Noise and Vibration, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Science and Technology on Ship Vibration and Noise Laboratory, Wuhan 430033, China)

At present, the research of floating raft isolation system have many aspects at home and abroad, the dynamics modeling and theoretical analysis method was usually used. But these method was just to simplify the vibration isolator to the unit of vertical stiffness and damping, ignoring the influence of lateral stiffness and damping on system, lead to bad calculation results which has large difference with the actual results. So in this article , the finite element method (FEM) simulation analysis on the floating raft isolation system is carried out. According to the selection and distribution principle of vibration isolator, several reasonable distribution has been put forward. In order to get the modal frequency of the system, the Ansys software for simulation has been used. Finally, the vibration isolation index of acceleration-vibration level difference to evaluate vibration isolation effect on floating raft isolation system has been introduced, providing some ideas for distribution design of vibration isolator.

vibration isolator；optimal distribution；simulated analysis；vibration level difference

TU 112.59+6

A

1672– 7619(2016)11 –0048–05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.009

2016–03–02；

2016–04–18

海裝“十二五”探索轉(zhuǎn)化應(yīng)用資助項(xiàng)目

胡澤超(1991 – )，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎駝优c噪聲控制。