新型主機組隔振系統的應用

汪 濤

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮江212003)

0 引言

往復式內燃機本身存在著引發振動的激振力源，故其振動是不可避免的。內燃機的振動不僅使機器自身的可靠性和壽命下降，而且噪聲污染也很嚴重。隨著科技的進步、生活的改善，人們對舒適環境的要求逐年在提高，這就對建造低噪聲、小振動船舶的呼聲越來越大。為了降低船舶艙室內的空氣輻射噪聲，對機艙內主要振動源采用彈性安裝的方法進行振動隔離是最為有效的措施。

眾所周知，推進系統的振源主要來源于兩處，一處是柴油機自身的振動，還有一處來自于螺旋槳的激振。很多試驗表明，柴油機和軸系之間振動的相互作用會導致柴油機的振動增加5～8 dB。只有減少螺旋槳推力對柴油機的激振，以及減少柴油機的振動通過軸系傳遞到船體，才能起到一定的效果。本文介紹一種新型隔振系統，這種系統就能弱化振動并且有效地隔離兩者，較傳統的隔振系統有著明顯的優勢。

1 柴油機主推進系統裝置

早期推進系統和新型推進系統的軸系均由柴油機、齒輪箱、推力補償聯軸器、艉軸和螺旋槳等主要部件組成。兩者不同之處在于早期推進系統齒輪箱輸出軸和艉軸之間采用S-63-6-S推力聯軸器，該聯軸器可以承受較大的軸向推力和拉力，同時可以補償角度位移及徑向位移;而新型推進系統中齒輪箱輸出軸和艉軸之間采用Propflex-T 90 N-63-6推力補償聯軸器，該聯軸器可以承受較大的軸向推力和拉力，同時可以補償角度位移及徑向位移，集成自帶固定安裝板和推力軸承。傳統推進系統和新型推進系統示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 傳統推進系統示意圖

圖2 新型推進系統示意圖

比較圖1和圖2，發現2個推進系統中的主機和齒輪箱的參數十分近似，同時柴油機和齒輪箱都采用同樣的整體隔振和4點安裝，因此可以認為2個推進系統的振源非常相近，對于后面對比隔振系統有一定的意義。本文主要對比圖1和圖2中的件1和件4的各參數。

2 推力聯軸器參數的對比

2種推力聯軸器參數的對比見表1。

表1 2種聯軸器各參數對比表

從表1發現，S-63-6-S聯軸器的額定扭矩雖比Propflex-T 90 N-63-6聯軸器的額定扭矩高出約20%，但是其軸向剛度卻是后者的11.8倍，很明顯后者的橡膠比前者的要硬很多。一般情況，橡膠越軟其阻尼就越大，所能吸收的能量就越多。但是在受到同等力的情況下，后者的變形量比前者大很多，從而形成很大的軸向變形，使得軸系產生大幅度的軸向竄動。為避免這一情況的發生，必須對聯軸器的結構和安裝進行改進。

S-63-6-S結構圖如圖3所示。S-63-6-S聯軸器直接連接于軸系和齒輪箱輸出軸之間，其尺寸偏小，結構緊湊。當螺旋槳的推力沿軸系傳遞過來時，會對中部區域的橡膠件產生壓縮力，通過橡膠的變形傳遞軸向力到齒輪箱上，再傳遞到船體結構上。另外，由軸系旋轉產生的徑向變形由于此處沒有約束并且整個聯軸器跟隨軸系一起旋轉，在實際工況中會無形加大齒輪箱軸承和軸系軸承的徑向力。雖說此聯軸器中間區域的橡膠件起到了一定作用，減少了振動的振幅，但是并沒有真正地將主機的振源和螺旋槳的振源有效隔離，也就無法避免共振的發生。

圖3 S-63-6-S結構圖(單位:mm)

Propflex-T 90 N-63-6結構圖如圖4所示。圖中Propflex-T 90 N-63-6聯軸器因其內部集成了推力軸承，尺寸相比S-63-6-S聯軸器的要大。推力軸承外部設有安裝板，直接安裝于船體上。這種結構形式的主要好處在于螺旋槳的推力沿軸系傳遞過來，不直接作用于齒輪箱上，而是傳遞到船體結構上，有效地將軸向力在此處與主機組分開。另外，由軸系旋轉產生的徑向變形在推力軸承處則有了有效的約束。這種形式將主機的振源和螺旋槳的振源有效隔離，避免了共振的可能。

圖4 Propflex-T 90 N-63-6結構圖(單位:mm)

對比上述2種系統軸向力的傳遞過程，還發現有Propflex-T 90 N-63-6聯軸器的系統中的齒輪箱不承受推力，齒輪箱只是傳遞扭矩。在設計過程中只需要考慮齒輪箱的傳遞能力是否滿足，可以忽略其承受的額定推力，這樣可選擇鋁制外殼的輕型齒輪箱。重量的減輕對于有排水量要求的船舶來說尤為重要，這也是2個系統中齒輪箱型號不同的原因。

3 隔振墊參數的對比

2種隔振系統中件4隔振墊的各參數見表2。

表2 隔振墊各參數對比表

通過表2對比之后發現，T12 45型隔振墊橫向剛度為0.6，也就是說此隔振墊不能承受沿軸線方向持續傳遞來的力。圖2中，由于軸向力在Propflex-T 90 N-63-6聯軸器處直接傳遞給船體，而整個機組不再承受軸向力，因此T12 45型隔振墊用在此處是非常合適的。傳統的隔振系統由于機組仍舊需要承受軸向力，使得在隔振墊的選取上必須選擇有軸向剛度的隔振墊，因此只能選用橡膠硬度很大的隔振墊。對比2個隔振墊在垂向剛度上的參數，明顯T12 45型隔振墊的硬度更小，其阻尼更大，所能吸收的能量就更多，隔振的效果也明顯優于Propfiex-T 90 N-63-6型隔振墊。

在D7A T柴油機穩定轉速 范圍內，分別測試了750、1 000、1 200、1 500、1 900 、2 500 r/min這6個轉速下的振動，其測試圖如圖5所示。從圖5中發現，轉速越高，柴油機的振動越大;轉速增加1倍，柴油機的振動增加5～8 dB左右。對于WVIS-ME60-0隔振器，在不同轉速下隔振效果的理論平均值為14.92 dB，而T12 45型隔振墊在不同轉速下隔振效果的理論平均值為65 dB，是前者的4.5倍。

圖5 不同轉速下D7A T柴油機的振動

4 實船噪音測試的對比

為了保證數據的準確性，依據國家標準使用同樣的方法對2種隔振系統進行測試，并使用同樣的噪音儀測量。由于距離對噪音的影響比較強，所以只取靠近振源附近的機艙內的噪音數據進行對比。機艙噪音對比表見表3。

表3 機艙噪音對比表

從表3發現，新型隔振系統在不同的轉速下機艙內的噪音明顯小于早期隔振系統。

5 結語

本文通過理論分析、布置形式、外形結構以及實船測試證明，新型隔振系統比早期隔振系統的隔振效果明顯。新型隔振系統能明顯減少螺旋槳推力對柴油機的激振，以及柴油機的振動通過軸系傳遞到船體的優勢，有效充分隔離了柴油機自身的振動和螺旋槳的激振。同時，也為設計過程中擴大了設備可選范圍。

［1］ 嚴濟寬.機械振動隔離技術［M］.上海:上海科學技術文獻出版社，1985.

［2］ 陳之炎.船舶推進軸系振動［M］.上海:上海交通大學出版社，1987.