隔振技術在水下航行器推進軸系振動控制中的應用

段 勇, 郭 君, 周凌波

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隔振技術在水下航行器推進軸系振動控制中的應用

段 勇1, 郭 君2, 周凌波1

(1. 中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

推進軸系通過支撐軸承向殼體傳遞的振動所引起的輻射噪聲是水下航行器尾部主要的噪聲源之一。文中針對水下航行器推進軸系的特點, 開展隔振技術在推進軸系振動控制中的應用研究, 設計了彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置, 同時降低發動機輸出端振動向尾軸的傳遞及軸系振動通過支撐軸承向航行器殼體的傳遞, 并開展了2種隔振裝置減振效果的陸上臺架驗證試驗。試驗結果表明, 彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置能有效降低推進軸系引起的殼體振動響應, 降幅達9~11 dB。

水下航行器; 推進軸系; 隔振技術; 彈性花鍵; 金屬橡膠

0 引言

水下聲場是目前水下目標探測最有效的物理場, 水下航行器的自導性能、隱身性能都與其聲學性能密切相關, 對其作戰效能影響重大。因此, 降低水下航行器航行時的噪聲對其綜合性能的提高有著重要意義[1]。推進軸系是水下航行器動力系統的重要組成部分[2-3], 其主要功能是將發動機的動力傳遞到推進器, 帶動推進器轉動從而產生推力推動水下航行器航行。水下航行器推進軸系在運轉過程中由于種種原因易產生各種振動, 推進軸系的振動將通過軸承等支撐結構直接傳遞到殼體, 引起殼體振動并產生輻射噪聲, 從而直接影響水下航行器的振動噪聲性能。為降低水下航行器的輻射噪聲水平, 提高其隱身性能, 有必要針對推進軸系開展振動控制技術研究。

由于推進軸系振動對艦船輻射噪聲的重要影響, 人們在艦船推進軸系振動及其控制技術方面開展了大量的研究工作, 謝基榕[4]通過采取安裝基座的措施來減小主推力軸承的縱向剛度, 從而降低艇體縱振固有頻率處的力傳遞效率以達到抑制艇體輻射噪聲的目的。楊志榮等[5]針對船舶推進軸系縱向振動問題, 通過設計一種嵌入式船舶推力軸承縱向橡膠減振器, 以隔離由于螺旋槳脈動推力激勵而引起的船舶軸系縱向振動。李良偉等[6]針對船舶推進軸系縱向振動問題, 提出通過加裝動力吸振器用于控制船舶軸系縱向振動, 并研究了動力吸振器的參數優化配置。段勇等[7]針對艦船縱向振動問題, 從推力軸承安裝方式和安裝位置出發, 提出了艉置推力軸承的減振降噪技術方案, 進行了艉置推力軸承減振效果的計算分析。從艦船推進軸系振動控制技術的研究現狀來看, 人們主要關注于推進軸系的縱向振動傳遞問題, 在縱向上采取隔振措施降低其振動傳遞, 而減少關注徑向振動的傳遞。

同時針對魚雷推進軸系振動問題, 也開展了一些研究工作, 肖漢林等[8]采用結構有限元軟件ANSYS和聲學邊界元軟件SYSNOSIE對魚雷電機一艉軸系統振動與聲學特性數值計算問題進行了研究, 建立了帶有電機和軸系裝置的魚雷部分艙段的FEM/BEM數學模型。辜長慶[9]指出, 魚雷螺旋槳和推進軸系振動會耦合到魚雷殼體上, 使魚雷殼體產生振動, 進行魚雷輻射振動噪聲控制一是需要降低激勵源, 減小螺旋槳激勵力; 二是降低振動傳遞, 在動力系統與殼體之間采取隔振裝置; 三是在殼體內表面上采取阻尼措施, 但是未涉及到隔振裝置的設計。

文中針對某水下航行器推進軸系振動控制的需求, 將振動控制中最為有效的隔振技術應用到推進軸系振動控制中, 提出推進軸系隔振技術方案, 給出隔振裝置設計方法, 并經試驗驗證了隔振效果。

1 水下航行器推進軸系結構特性

圖1為一種典型的水下航行器推進軸系示意圖, 其推進軸分為2段, 靠近發動機一端為花鍵軸, 花鍵軸前端通過聯軸器與發動機輸出軸相連, 花鍵軸后端通過花鍵與尾軸相連, 尾軸后端通過花鍵與推進器轉子相連。尾軸有2個軸承支撐, 其中尾軸前端通常采用滾珠軸承支撐在隔板上, 后端通過滑動軸承支撐在尾部殼體上[3]。

水下航行器推進軸系在運轉過程中受到各種激勵力的作用, 主要包括: 1) 發動機在工作時產生的激勵力, 該激勵力通過發動機輸出端聯軸器傳遞到花鍵軸上, 進一步通過花鍵聯軸器傳遞給尾軸; 2) 推進器轉子在尾部非均勻流場中運轉產生的非定常激勵力, 該激勵力直接傳遞給尾軸和尾部殼體; 3) 推進軸系由于動不平衡和不對中產生的激勵力。這些形式的激勵力最終都通過尾軸的2個支撐軸承傳遞到尾段殼體上, 引起殼體振動并向外輻射噪聲。

2 水下航行器推進軸系隔振方案

為減小推進軸系的振動沿軸系或支撐軸承向其殼體的傳遞, 降低殼體振動和輻射噪聲, 可以對推進軸系采用隔振、阻尼減振、動力吸振以及振動主動控制等控制方法[10]。但由于水下航行器的內部空間狹小, 對其結構的改動余量也非常有限, 因此在諸多振動控制方法中選擇最為簡單且有效的控制技術——隔振技術來降低軸系振動向水下航行器殼體的傳遞, 從而降低輻射噪聲。根據圖1所示的水下航行器推進軸系的結構特點, 可以采取彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠環形隔振2種方案。

2.1 彈性花鍵聯軸器

推進軸系由花鍵軸和尾軸2段軸構成, 2段軸之間采用花鍵連接, 該連接方式容易使發動機的振動通過花鍵傳遞給尾軸, 從而進一步通過支撐軸承傳遞到殼體。為了降低2段軸之間的振動傳遞, 可將2段軸之間采用隔振技術, 將花鍵改成彈性花鍵聯軸器。

圖2為采用彈性花鍵套將尾軸和花鍵軸連接起來的新的連接方案。彈性花鍵聯軸器由金屬外圈、橡膠層和花鍵內圈3部分組成, 橡膠層硫化在內外圈之間, 金屬外圈通過螺紋與前端花鍵軸連接, 花鍵內圈通過花鍵與尾軸相連接。通過該彈性花鍵聯軸器, 將花鍵軸和尾軸之間的振動進行隔離, 從而起到隔振的作用。

2.2 金屬橡膠環形隔振裝置

推進軸系有2個支撐軸承, 推進軸系的振動通過這2個支撐軸承傳遞到殼體, 因此可在軸承部位采取隔振方案, 隔離軸承振動向殼體的傳遞。由于傳統的船用橡膠隔振器在水下航行器推進軸系中無法直接應用, 因此需針對水下航行器軸系及其支撐結構的特點, 設計符合安裝要求和隔振性能要求的環形隔振裝置。

金屬橡膠是一種新型的阻尼減振材料, 由金屬絲經過螺旋成型, 拉長, 纏繞后模壓成型, 其內部成網狀, 類似于橡膠高分子結構那樣的空間網狀結構, 因此得名金屬橡膠。由于金屬橡膠具有像橡膠材料一樣的彈性, 因此可作為隔振材料, 同時在受到振動位移, 金屬橡膠中的金屬絲之間的干摩擦作用可耗散大量能量, 亦可作為減振材料使用。金屬橡膠具有隔振、阻尼效果好, 耐高、低溫, 耐腐蝕, 耐老化等優點, 已經在航空航天、機械、交通運輸及軍事領域得到大量應用[11-12]。鑒于水下航行器推進軸系較為惡劣的工作環境, 選用金屬橡膠材料作為隔振元件無疑是一種較好的選擇。

圖3為對推進軸系采用金屬橡膠隔振環進行隔振處理的安裝結構示意圖, 在軸系前端的滾珠軸承外圍設置金屬橡膠隔振裝置, 在尾端滑動軸承外圍同樣設置一個金屬橡膠隔振裝置。

3 水下航行器推進軸系隔振裝置設計

3.1 彈性花鍵聯軸器設計

由于花鍵聯軸器主要是傳遞發動機輸出的扭矩, 因此在設計花鍵聯軸器時需注意其必須滿足扭轉強度要求。為提高彈性花鍵聯軸器的扭轉強度, 聯軸器的內圈和外圈并非完全的圓柱體, 而是在內圈的外表面和外圈的內表面沿軸向設置了一定數目的凸臺, 通過凸臺來增加其扭轉強度, 以利于其傳遞扭矩, 彈性花鍵聯軸器的基本結構如圖4所示。彈性花鍵套的基本外形尺寸根據軸系的安裝要求確定, 其中內、外圈凸臺的尺寸及數目則需要通過強度分析來確定。

根據發動機的最大輸出扭矩對彈性花鍵聯軸器進行強度校核, 在有限元軟件中建立彈性花鍵聯軸器的計算模型, 通過在其內圈上施加扭矩, 計算彈性花鍵聯軸器各部分的應力, 判定其是否滿足扭轉強度要求, 不滿足要求則修改設計參數, 直到滿足強度要求為止。計算結果如圖5所示。

3.2 金屬橡膠環形隔振裝置設計

根據水下航行器推進軸系支撐軸承的安裝要求, 進行金屬橡膠隔振裝置的結構設計。圖6為前軸承和尾軸承兩處金屬橡膠隔振裝置的結構示意圖, 其中前軸承金屬橡膠隔振裝置由襯環內圈、金屬橡膠隔振環、襯環外圈和擋板組成, 襯環內圈過盈裝配到球軸承外圈上, 襯環外圈通過螺絲固定到隔板檔, 金屬橡膠環放置于襯環外圈和內圈之間, 起減、隔振作用; 尾軸承金屬橡膠隔振裝置由擋圈、尾蓋和金屬橡膠環組成, 尾蓋通過螺絲固定到殼體上, 金屬橡膠環安裝在滑動軸承和尾蓋之間, 起減、隔振作用。金屬橡膠隔振裝置的結構尺寸根據內部空間及安裝配合要求確定。

由于在隔振裝置中, 隔振元件的剛度參數對系統隔振性能有重要影響, 因此在結構設計后, 需對其中的隔振元件——金屬橡膠環提出徑向剛度要求[13], 然后根據該剛度要求制作相應的金屬橡膠環。

根據推進軸系結構布置, 可計算2個支撐軸承處承受的靜載荷分別為5 kg和11 kg, 分別將該質量作為隔振系統的質量對隔振系統進行設計。由靜載荷和固有頻率即可計算出隔振系統的剛度

根據該水下航行器振動噪聲最低考核頻段的要求, 可計算出隔振系統的固有頻率要求最高為

4 軸系振動控制效果驗證試驗

為了測試所提出的水下航行器軸系振動控制技術方案的減振效果, 在專門的試驗臺架上進行了彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠環形隔振裝置減振效果的測試。

4.1 試驗系統組成及試驗方法

試驗臺架主要包括驅動電機、驅動端齒輪箱、裝配好的水下航行器尾艙段(包括推進軸系和尾段殼體)、聯軸器、制動端齒輪箱、模擬負載裝置、電機控制系統、負載裝置控制系統, 加速度傳感器及數據采集系統, 如圖10所示。所設計的彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置試驗樣機如圖11和圖12所示。圖中的驅動電機可以驅動軸系旋轉, 電機控制系統可調節電機的轉速, 使其按照給定的轉速穩定運轉; 其中的模擬負載裝置可以模擬螺旋槳給軸系施加扭矩負載, 并可調節施加扭矩負載的大小。

1—電機; 2—膜片聯軸器; 3—驅動端齒輪箱; 4—彈性聯軸器; 5—裝配好的尾艙段; 6—彈性聯軸器; 7—制動端齒輪箱; 8—膜片聯軸器; 9—模擬負載。

試驗中在航行器艉艙段殼體上沿長度方向從艏到艉等距選取6個截面(編號為1~6), 每個截面布置2個呈90間隔的徑向加速度測點(分別編號為A和B), 共計A1~A6、B1~B6共12個徑向加速度測點, 測試軸系傳遞到殼體上的加速度響應。

根據試驗時安裝隔振裝置的不同, 試驗分為4個工況, 如表1所示。對于每個試驗工況, 根據水下航行器速制的不同, 均設置2種轉速, 即低轉速(1150 r/min)工況和高轉速(1500 r/min)工況。通過實測各工況下, 水下航行器尾艙段各測點的加速度功率譜, 計算得到各測點以及所有測點平均值的1/3倍頻程帶級和加速度總級。通過1/3倍頻程帶級和振動加速度總級的比較, 得到水下航行器軸系隔振裝置的減振效果。

表1 試驗工況

振動加速度1/3倍頻程帶級可通過自功率譜計算得到

某一頻段內的振動加速度總級可同樣計算

4.2 試驗結果

通過對振動加速度沿長度方向的分布情況的比較, 發現中部測點的加速度總級較大, 因此, 首先選取中部的2個測點(A3, A4)來比較4種試驗工況下的加速度響應。圖13和圖14分別給出了低轉速和高轉速時, A3和A4 2個測點在不同試驗工況下的振動加速度1/3 Oct帶級(注: 圖中的頻率根據實驗轉速進行了歸一化處理)。從圖中可以看出, 單獨采用彈性花鍵聯軸器, 在中低頻段有一定的減振效果, 但是在高頻段反而放大了殼體振動, 致使總振動并未降低; 單獨采用金屬橡膠隔振裝置, 則在中高頻段有較好的減振效果, 可有效降低殼體振動5~9 dB, 轉速越高, 減振效果越明顯; 而聯合采用彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置, 則取得了非常好的減振效果, 在單獨采用金屬橡膠隔振裝置的基礎上進一步降低殼體振動3~5 dB, 總的減振效果達到10~13 dB。

將所有測點的加速度進行平均處理, 可以得到各工況下的殼體振動總體評價, 圖15給出了平均后4種工況的振動加速度1/3 Oct帶級比較, 圖中所反映的規律與A3和A4測點基本相同, 即單獨采用彈性花鍵聯軸器, 在中低頻段有一定的減振效果, 但是在高頻段反而放大了殼體振動, 致使振動加速度總級并未降低; 單獨采用金屬橡膠隔振裝置, 可有效降低殼體振動4 dB(低速工況)和8 dB(高速工況); 聯合采用彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置則能大幅降低殼體振動, 降幅分別達到9 dB(低速工況)和11 dB(高速工況)。

從試驗結果可知, 2種隔振方案聯合起來的隔振效果優于采用單一隔振方案, 主要原因是由于彈性花鍵的隔振效果主要在中低頻, 而金屬橡膠隔振裝置的隔振效果集中在中高頻, 2種隔振方案具有頻域互補性, 因此組合起來隔振效果更優。但是對于彈性花鍵聯軸器在中低頻段的有一定的隔振效果, 而在高頻段反而放大了殼體振動的原因則需要進一步研究, 由于轉子系統與普通的機械隔振系統有較大的不同, 產生該現象的原因應該與轉子系統動力學上的復雜性有關。

5 結束語

針對水下航行器推進軸系的結構特點, 提出了彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠環形隔振裝置的軸系振動控制技術方案, 其中采用彈性花鍵聯軸器替代原軸系中的花鍵聯軸節, 隔離2段軸之間的振動傳遞, 同時在軸系2個支撐軸承處安裝金屬橡膠環形隔振裝置, 隔離軸系振動向殼體的傳遞, 從而減小水下航行器的殼體振動, 降低艉部的輻射噪聲。

通過試驗臺架, 進行了2種控制措施的減振效果的驗證試驗, 試驗結果表明:

1) 單獨采用彈性花鍵聯軸器, 在中低頻段有一定的減振效果, 但是在高頻段反而放大了殼體振動, 致使振動總級并未降低;

2) 單獨采用金屬橡膠隔振裝置, 則能有較好的減振效果, 可有效降低殼體振動4~8 dB, 軸系轉速越高, 減振效果越明顯;

3) 聯合采用彈性花鍵聯軸器和金屬橡膠隔振裝置, 則取得了非常好的減振效果, 在單獨采用金屬橡膠隔振裝置的基礎上進一步降低殼體振動3~5 dB, 總的減振效果達到9~11 dB。

[1] 劉凱, 朱石堅, 丁少春. 魚雷減振降噪技術應用與發展[J]. 魚雷技術, 2008, 16(6): 24-27.

Liu Kai, Zhu Shi-jian, Ding Shao-chun. Application and Development of Vibration and Noise Suppression Technology for Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(6): 24-27.

[2] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[3] 尹韶平. 魚雷減振降噪技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2016.

[4] 謝基榕. 螺旋槳、軸系激勵艇體結構引起水下輻射噪聲研究[D]. 無錫: 中國船舶科學研究中心, 2003.

[5] 楊志榮, 秦春云, 饒柱石, 等. 船舶推力軸承縱向橡膠減振器設計[J]. 噪聲與振動控制, 2013, 33(6): 211-215.

Yang Zhi-rong, Qin Chun-yun, Rao Zhu-shi, et al. Design of Vibration Isolator in Ship￠s Thrust Bearing[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 33(6): 211-215.

[6] Li Liang-wei, Zhao Yao, Li Tian-yun, et al. Parameters Optimization of the Dynamic Absorber to Control the Axial Vibration of Marine Shafting System[J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16(3): 307-319.

[7] 段勇, 祁立波, 沈明學. 艉置推力軸承試驗模型聲振特性分析[C]//第十五屆船舶水下噪聲學術討論會. 鄭州: 第十五屆船舶水下噪聲學術討論會論文集, 2015: 206-215.

[8] 肖漢林, 于俊衛, 張瑞斌, 等. 魚雷電機-艉軸系統振動與聲輻射特性分析[J]. 魚雷技術, 2005, 13(4): 33-36.

Xiao Han-lin, Yu Jun-wei, Zhang Rui-bin, et al. Research on Vibration and Acoustic Radiation Characteristic of Torpedo Electric Motor and Stern Shaft System[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(4): 33-36.

[9] 辜長慶. 魚雷輻射噪聲控制[J]. 艦船科學技術, 1992, 14(3): 22-26.

[10] 盛美萍, 王敏慶, 孫進才. 噪聲與振動控制技術基礎[M]. 北京: 科學出版社, 2007.

[11] 白鴻柏, 路純紅, 曹鳳利, 等. 金屬橡膠材料及工程應用[M]. 北京: 科學出版社, 2014.

[12] 薛春霞, 樊文欣. 金屬橡膠隔振系統的研究進展[J]. 華北工學院學報, 2003, 24(3): 192-195.

Xue Chun-xia, Fan Wen-xin. Advance on Studying Metal Rubber Isolator System[J]. Journal of North China Institute of Technology, 2003, 24(3): 192-195.

[13] 郭寶亭, 朱梓根. 金屬橡膠阻尼器在轉子系統中的應用[J]. 航空動力學報, 2003, 18(5): 662-668.

Guo Bao-ting, Zhu Zi-gen. Application of Metal-Rubber Damper to the Rotor System[J]. Journal of Aerospace Power, 2003, 18(5): 662-668.

[14] 馬艷紅, 郭寶亭, 朱梓根. 金屬橡膠材料靜態特性的研究[J]. 航空動力學報, 2004, 19(3): 326-330.

Ma Yan-hong, Guo Bao-ting, Zhu Zi-gen. Static Characteristics of Metal-rubber[J]. Journal of Aerospace Power, 2004, 19(3): 326-330.

(責任編輯: 許 妍)

Application of Vibration Isolation Technology to Vibration Control of Undersea Vehicle Propulsion Shafting

DUAN Yong1, GUO Jun2, ZHOU Ling-bo1

(1. National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710077, China)

The radiated noise caused by shell vibration from propulsion shafting via supporting bearings is the main noise source of undersea vehicle tail. According to the characteristics of undersea vehicle￠s propulsion shafting, the application of vibration isolation technology to vibration control of the propulsion shafting was investigated in this study. An elastic spline coupling and a metal-rubber vibration isolation device were designed, which could simultaneously reduce the vibration transmission from engine output part to tail shaft or from propulsion shafting through supporting bearings to undersea vehicle shell. Test was performed on the land test bed to verify the effect of the vibration isolation technology, and the results showed that the elastic spline coupling and metal-rubber vibration isolation device can effectively reduce the shell￠s vibration response to the propulsion shafting with the decrease of 9 to 11dB.

undersea vehicle; propulsion shafting; vibration isolation technology; elastic spline; metal-rubber

TJ630.1; TB53

A

2096-3920(2018)01-0070-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.012

段勇, 郭君, 周凌波. 隔振技術在水下航行器推進軸系振動控制中的應用[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(1): 70-77.

2017-05-04;

2017-07-13.

江蘇省自然科學基金-青年基金(BK20160201).

段 勇(1981-), 男, 博士, 高級工程師, 研究方向為艦船及水中兵器推進軸系振動控制技術.