高溫高壓系統泵浮筏隔振方案及振動特性分析研究

劉立志　王禹　蔡龍奇　劉佳　趙悅

【摘 要】泵類設備是重要的振動噪聲源，單層隔振的減振效果有限，難以適應越來越嚴格的減振降噪要求。為進一步降低高溫高壓系統泵的振動傳遞，本文針對管路剛性連接的高溫高壓泵開展了浮筏隔振方案研究，將四臺泵彈性安裝在一個浮筏筏架上，并將筏架通過隔振器安裝在基座上，對筏架重量、隔振器參數、安裝基礎等進行了優化分析，確定了浮筏隔振系統的參數，并探究了管路連接剛度對振動傳遞特性的影響規律。

【關鍵詞】高溫高壓系統泵;浮筏隔振;功率流傳遞

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.015

0 引言

泵類設備是動力系統的重要振動噪聲源，降低泵類設備的振動傳遞包括振源控制及傳遞路徑隔振兩個方面，目前已從水力分析、電機設計、低振動制造裝配等方面進行了低振動泵設計工作，取得了一定的效果，但泵單層隔振系統減振效果有限，難以適應越來越嚴格的減振降噪要求。

浮筏隔振系統的減振效果優于單層隔振，我國浮筏裝置技術的研究始于上世紀八十年代，首臺船用浮筏裝置于1994年研制成功，首先在豪華游船上使用，隨后在艦船上推廣應用[1-3]。國內相關科研院所也對浮筏裝置技術開展了大量研究[4-5]。目前國內已掌握浮筏隔振設計方法，針對浮筏結構參數、隔振器參數、基礎剛度對浮筏減振效果的影響開展了相對深入的研究[6-7]。

國內前期減振降噪工作主要圍繞進出口采用彈性連接的設備開展，尚未深入研究設備進出口管道連接剛度對浮筏減振效果的影響。而高溫高壓系統泵進出口管路采用焊接連接，管路連接剛度對泵浮筏設計的影響不能忽略，需結合管路進出口連接剛度開展泵浮筏隔振技術研究，為后續浮筏隔振技術在高溫高壓系統泵類設備的應用奠定基礎。

為進一步降低高溫高壓系統泵振動傳遞，本文考慮管路連接剛度開展了浮筏隔振方案研究，以激勵點到安裝基礎的振動位移頻率-響應特性為優化目標，對筏架重量、隔振器參數、安裝基礎等進行了優化分析，確定了浮筏隔振系統參數?；谟邢拊治龇椒?，對有、無管路連接剛度條件下筏架的模態、減振效果進行對比分析，并且對振動特性、功率流傳遞特性進行對比分析，獲得了管路連接剛度對系統振動的影響規律。

1 高溫高壓系統泵浮筏隔振方案研究

1.1 高溫高壓系統泵浮筏隔振方案

高溫高壓系統泵質量為M，其額定轉速為1000r/min。綜合考慮泵重量、外形尺寸及布置空間限制等因素，開展了高溫高壓系統泵浮筏隔振方案論證，將四臺高溫高壓系統泵并列布置在一個公共筏架上，為降低重心高度，泵通過支承支架和上層隔振器安裝在筏架上，筏架通過下層隔振器固定在安裝基座上，泵進出口管路采用焊接方式連接。

基于有限元分析方法，建立的高溫高壓系統泵浮筏隔振系統有限元模型如圖1所示。高溫高壓系統泵、筏架結構均采用Solid45單元模擬，隔振器采用三向阻尼彈簧單元Combine14模擬，泵浮筏安裝基座采用Shell63單元并賦予厚度參數模擬。

根據系統典型運行工況，對兩臺泵施加激勵力，以泵激勵點到安裝基礎的振動位移頻響函數曲線為優化目標，對筏架重量、隔振器剛度阻尼參數以及安裝基座進行優化。

利用系統頻響函數矩[H（ω）]陣對系統振動傳遞規律進行分析。線性定常系統振動響應與載荷之間有如下關系：{x}=[H（ω）]{F}（1）

式中，{X}為響應譜向量，{F}為載荷譜向量，[H（ω）]即為頻響函數矩。

將{F}定義為垂直方向的單位載荷譜向量，通過譜分析獲得的系統響應譜向量{X}即與系統的頻響函數矩[H（ω）]為同一數值，通過系統的頻響函數矩[H（ω）]可對系統激勵頻率-響應特性進行分析。

高溫高壓系統泵浮筏隔振系統上層隔振器仍沿用原單層隔振設計參數，結合《艦船動力設備隔振裝置通用規范》隔振器剛度匹配建議，提出上下層隔振器初步參數如表1所示。

1.2 筏架重量參數優化

浮筏隔振系統振源設備為四臺高溫高壓系統泵，總重量約為4M，在有限元模型分析中通過調節筏架的密度來達到改變筏架重量的目的，筏架結構及楊氏模量等參數保持不變。

對1#、4#泵施加10Hz～8000Hz頻段單位激勵力，得到不同筏架重量下下層隔振器下端與安裝基礎連接處的振動位移響應。為對比不同浮筏筏架重量下1#、4#泵重心點處到浮筏下層隔振器下安裝面處的位移傳遞函數，將不同重量作為參變量獲得下層隔振器下表面處的頻率—振動位移響應曲線，提取隔振器下的位移響應進行對比，具體如圖2所示。

當筏架重量為0.3倍振源重量時曲線中存在幅值明顯的振動位移峰值，筏架重量為0.4倍以上的振源重量時峰值明顯降低;綜合對比不同隔振器下表面振動位移響應曲線可知，筏架重量為0.5倍振源重量和0.6倍振源重量區間內振動位移響應較小。

結合實際的工程經驗，將浮筏筏架質量設計為0.55M。

1.3 下層隔振器剛度及阻尼參數優化

將表1中的下層隔振器剛度及阻尼參數用K和C進行表示，如表2所示，對浮筏隔振系統下層隔振器分別設定不同的剛度阻尼參數，對不同剛度阻尼參數下的浮筏隔振系統的傳遞特性進行分析。

為對比不同隔振器剛度阻尼參數下1#、4#泵重心點處到浮筏下層隔振器下安裝面處的位移傳遞函數，將不同剛度、阻尼參數作為參變量獲得下層隔振器下表面處的頻率—振動位移響應曲線，提取隔振器下的位移響應進行對比，具體如圖3所示。

由圖3可知，浮筏隔振系統上、下層隔振器剛度應合理匹配，上下層剛度不匹配的情況下無論增加或減小隔振器剛度值均會導致振動傳遞的增大。

1.4 浮筏安裝基座阻抗影響分析

高溫高壓系統泵的振動通過浮筏筏架和隔振器傳遞到安裝基座結構上，安裝基座的基礎阻抗對浮筏隔振系統的減振效果具有重要的影響。通過調節浮筏安裝基座面板的厚度來改變基礎阻抗參數，獲得基礎阻抗對浮筏減振效果的影響規律。不同基座面板厚度浮筏隔振器下振動位移響應曲線如圖4所示。

如圖4所示，浮筏隔振系統安裝基礎阻抗越大，由系統傳遞到基礎上的振動位移越小，這種現象在高頻段內更為明顯。在浮筏隔振系統基座設計中應通過增加肋板數量、增加板材厚度等措施增大安裝基座阻抗值，以加大下層隔振器與安裝基座之間的阻抗失配度。

2 浮筏隔振系統參數及模態分析

2.1 浮筏隔振系統參數

通過浮筏筏架重量優化、隔振器剛度及阻尼參數優化、安裝基座阻抗分析，綜合考慮工程可行性，提出了高溫高壓系統泵浮筏隔振系統主要技術參數如下：

（1）筏架重量為0.55M;

（2）浮筏隔振系統隔振器技術參數如表1所示;

（3）浮筏安裝基礎為45mm的板式支承結構。

2.2 浮筏隔振系統模態分析

（1）筏架結構固有頻率分析

浮筏筏架結構前兩階固有頻率為37.8 Hz、54.0 Hz，避開了泵的主要激勵頻率（16.7 Hz、49.5 Hz），且無局部振型出現，表明筏架結構設計合理。

（2）系統固有頻率分析

浮筏隔振系統有無管路連接狀態下的模態對比分析如表3所示。

由表3可知，施加管路連接剛度改變了浮筏隔振系統的固有頻率，使各階固有頻率值均有所提高。

3 浮筏隔振系統振動特性分析

3.1 浮筏減振效果分析

基于ansys諧響應分析模塊對系統在有、無管路連接狀態下的振動響應進行分析，對1#泵和4#泵的重心處同時施加豎直方向的激勵力進行掃頻，使得泵機腳振動加速度響應與出廠測試值相當，以模擬1#、4#泵同時運轉的工況。

高溫高壓系統泵額定運轉工況下浮筏隔振系統減振效果如表4所示。

由表4可知，無管路連接剛度下，高溫高壓系統泵浮筏減振效果達到36.9dB;有管路連接剛度時泵的浮筏減振效果相對于無管路連接剛度時高約3dB。初步分析是由于施加管路連接剛度后，增加了泵進出口處振動能量傳遞路徑，部分能量通過管路連接傳遞出去，施加管路連接剛度時泵的浮筏減振效果略好。

3.2 管路剛性連接系統功率流傳遞特性分析

為了驗證施加管路連接剛度增加了能量傳遞路徑的觀點，基于功率流傳遞分析，從能量傳遞角度對高溫高壓系統泵浮筏隔振系統開展了分析。

功率流分析方法的主要優點是它同時考慮到了結構上的力和速度兩個量值，因而也就考慮到了結構的阻抗特性。功率作為一種單一量值，可以清楚顯示出能量的傳遞路徑及大小。

將振動速度響應與節點內力帶入功率流表達式，得到各節點處的功率流曲線，為了方便表示，對功率流曲線進行簡單的歸一化處理，得到上層隔振器上端節點以及泵進出口管路功率流曲線，如圖5所示。

由圖5（A）和可知，有無管路連接剛度上層隔振器上端功率流基本保持不變;由圖5（B）可知，在有管路連接剛度情況下，泵進口處功率流增加，泵出口處功率流也有一定的增加。驗證了施加管路連接剛度增加了能量的傳遞路徑，使得部分振動能量從管路連接傳遞出去的觀點。

4 結論

本文以泵激勵點到安裝基礎的振動位移頻率-響應特性函數為優化目標，對筏架重量、上下層隔振器參數、安裝基礎參數等進行了優化，提出了合理可行的高溫高壓系統泵浮筏隔振方案。

針對高溫高壓系統泵浮筏隔振方案開展了固有頻率分析、減振效果分析，分析表明浮筏減振效果≥35dB，減振效果良好;針對高溫高壓系統泵管路剛性連接的典型特點，基于功率流分析方法開展了管路連接剛度對于浮筏隔振系統振動傳遞影響規律的研究，分析結果表明高能連接管路是振動的重要傳遞通道，在減隔振系統設計中需考慮管路連接剛度的影響。

本文工作可為高溫高壓系統泵類設備的減隔振設計提供參考和借鑒。

【參考文獻】

[1]沈密群，嚴濟寬.艦船浮筏裝置工程實例[J].噪聲與振動控制，1994，（1）：21～23.

[2]沈密群，嚴濟寬.艦船浮筏裝置工程實例（續一）[J].噪聲與振動控制，1994，（3）：45～48.

[3]沈密群，嚴濟寬.艦船浮筏裝置工程實例（續二）[J].噪聲與振動控制，1994，（5）：45～48.

[4]張峰，許樹浩等.桁架式浮筏研究概況[J].船舶力學， 2010，5（40）：567～572.

[5]牛軍川，宋孔杰等.平置板式主動浮筏系統的隔振研究[J].機械工程學報，2004（5）：67～71.

[6]俞徵，沈榮贏，嚴濟寬.多層隔振系統的參數優化研究[J].噪聲與振動控制，1995（5）：15～19.

[7]張維英，馮燕茹，張軍等.浮筏隔振系統性能優化設計研究[J].船舶工程，2012（5）：20～23.