船用大功率密度主機隔振的穩定性設計

王小軍 張樂

摘 要：本文提出了在傾斜/搖擺條件下艦船隔振系統的簡化計算方法，建立了主機隔振系統的有限元分析模型，分析了隔振器固有頻率、動/靜剛度比、橫/垂剛度比等參數對主機穩定性的影響規律，并對主機的初始隔振方案進行了優化設計，得出的結論可為艦船用大功率密度主機隔振系統的設計提供參考。

關鍵詞：主機隔振;穩定性設計;大功率密度

中圖分類號：U664.14文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0064-03

Research on Stability Design of Vibration Isolation for Marine High Power Density Main Engine

WANG Xiaojun1ZHANG Le2

（1. Military Representative Bureau of the PLA Naval Equipment Department in Xi'an，Xi'an Shaanxi 710054;2. Military Representative Office in Huludao， Military Representative Bureau of the PLA Navy Equipment Department in Shenyang，Huludao Liaoning 125003）

Abstract： In this paper， a simplified calculation method for the vibration isolation system of the ship under tilt/sway conditions was proposed， the finite element analysis model of the main engine vibration isolation system was established， then， the influence of parameters such as natural frequency， ratio of dynamic stiffness to static stiffness and ratio of lateral stiffness to vertical stiffness of the vibration isolator were analyzed， finally， the initial vibration isolation scheme of the main engine was optimized， the conclusions could be used to provide reference for the design of the high-power density main engine vibration isolation system.

Keywords： main engine vibration isolation;stability design;high power density

隨著低噪聲艦用動力設備的發展，新型艦用主機將具有功率大、質量輕、轉速低等特點[1]。一方面，大功率、低轉速導致主機的輸出力矩大，另一方面，新型主機朝輕型化發展，會導致低頻隔振系統的剛度降低，由此產生了軸系對中的新問題。此外，艦船在惡劣海況下航行時，隔振裝置會產生變形，導致主機產生較大變形，使其輸出端與推進軸系產生相對位移，影響槳軸系統的安全運行[2]。為避免主機在運行工況下產生此類安全性問題，人們需要在主機隔振系統的設計階段對其穩定性進行設計與校核[3]，主要是計算分析主機系統在艦船橫向/縱向傾斜工況下的位移特性。

本文針對20 MW級大功率密度主機設計了隔振方案，在艦船傾斜/搖擺條件下計算了主機輸出端法蘭的位移特性，通過分析隔振裝置的固有頻率、動/靜剛度比、橫/垂剛度比等參數的影響規律，形成了主機的優化設計方案，該方案能夠保證主機的運行安全，滿足艦船使用要求。

1 艦船傾斜/搖擺條件下的簡化計算方法

艦船在惡劣海況下航行時可能會產生較大的傾斜/搖擺角位移，使原有結構的靜態力/動態力平衡受到破壞。通常采取保守方法計算艦船傾斜/搖擺下的位移特性，即取最大的傾斜角度作為系統靜態響應的計算輸入。根據《艦船總體與管理》（GJB 4000—2000）的相關要求，艦船在水面上航行時，橫搖最大限定值為±45°，縱搖最大限定值為±10°。下面以橫傾為例，說明艦船傾斜/搖擺條件下的簡化計算方法。

如圖1（a）所示，艦船橫傾時重力加速度以及水線的方向保持不變，僅船體結構的垂向繞船體軸向偏移了角度∠[X′OX]。計算時，可將流體對船體的浮力等效為圖1（b）中的形式，即當橫傾作用時，假設船體靜止不動，重力和水線發生了相應的傾斜，其靜力學參數可等效為重力加速度繞船體坐標系[XOY]的分解（[X]軸為船體垂向，[Y]軸為橫向，根據右手螺旋法確定的[Z]軸為船體的縱向）。

假設橫傾角度∠[X′OX=α]，橫傾后的坐標系變為[X′OX]，設[g]為重力加速度，則主機相對于軸線的垂向加速度[aX]和橫向加速度[aY]可表示為：

最終，建立主機的穩定性分析模型，將分解后的垂向和橫向加速度作為模型輸入，對隔振系統的穩定性進行校核。

2 主機隔振系統設計方案

某艦用主機新型主機額定功率為20 MW，重量為60 t，額定轉速為180 r/min。由于隔振器安裝平面距離主機重心的垂向距離較大，為增強主機隔振系統傾斜/搖擺狀態下的穩定性，可采用隔振器斜置的安裝方式適當提高隔振器的布置高度。因此，針對某20 MW級主機，設計了采用12個額定載荷為8 t的隔振器斜置支撐的布置方案，斜置角度為30°，如圖2所示。

3 隔振系統穩定性分析

初始方案下，隔振器的固有頻率為4 Hz，動/靜剛度比為2.0，橫垂剛度比為3.0。根據隔振器初始參數及其變化范圍，設置多組對比方案進行隔振系統的穩定性分析，掌握各參數對主機傾斜/搖擺條件下的影響規律，以此優化隔振方案。

3.1 主機隔振系統有限元分析模型

由于隔振器斜置30°支撐，隔振器共需要承載69.3 t。利用Abaqus軟件建立了主機隔振系統的有限元模型，模型中將主機、輸出端法蘭、隔振器簡化為點質量，用Cartesian來描述隔振器的三向剛度，主機與其輸出端法蘭之間采用MPC Beam剛性連接，用Bushing單元模擬輸出端法蘭連接的彈性聯軸器的剛度（軸向2 kN/mm，徑向25 kN/mm），聯軸器的許用位移為軸向10 mm、徑向8 mm。主機與隔振器之間采用coupling六自由度連續分布式耦合約束，隔振器可根據各自承載狀態獨立變形。

3.2 艦船橫傾條件下主機的位移特性

為簡化計算過程，僅計算艦船橫傾45°條件下隔振系統的橫向位移特性，以主機輸出端法蘭的位移為指標，分析不同隔振參數對其的影響規律。本文在滿足主機輸出端彈性聯軸器許用位移限制條件的前提下，盡可能使系統的隔振效果最佳，基于該原則設計隔振器的參數。

3.2.1 固有頻率對系統位移特性的影響。在艦船橫傾的條件下，隔振裝置固有頻率的影響主要體現在剛度特性上。隔振器固有頻率越高，系統的穩定性越好，隔振效果越差。設計隔振裝置固有頻率參數時，在滿足彈性聯軸器許用位移的條件下，應越小越好。如圖3所示，筆者分別計算了隔振器固有頻率[f]在2～6 Hz范圍內聯軸器的位移特性。計算結果表明，主機輸出端法蘭的徑向位移隨隔振器固有頻率的增加而減小，當固有頻率超過4 Hz時，法蘭的徑向位移小于8 mm，滿足彈性聯軸器的使用要求。

3.2.2 動/靜剛度比對系統位移特性的影響。隔振裝置的動/靜剛度比決定了隔振系統的靜剛度，隔振器的靜剛度越大，系統的穩定性越好，隔振效果越差。設計隔振裝置動/靜剛度比參數時，在滿足彈性聯軸器許用位移的條件下，應越小越好。如圖4所示，筆者分別計算了隔振器動/靜剛度比[α]在1～3范圍內聯軸器的位移特性。計算結果表明，主機輸出端法蘭的徑向位移隨隔振器動/靜剛度比的增加而增加，當隔振器的動/靜剛度比小于2時，法蘭的徑向位移小于8 mm，滿足彈性聯軸器的使用要求。

3.2.3 橫/垂剛度比對系統位移特性的影響。隔振裝置的橫/垂剛度比決定了隔振系統的橫向剛度，橫向剛度越大，系統的穩定性越好，隔振效果越差。設計時，在滿足彈性聯軸器許用位移的條件下，橫/垂剛度比越小越好。如圖5所示，筆者分別計算了隔振器橫/垂剛度比[β]在1～5范圍內聯軸器的位移特性。計算結果表明，主機輸出端法蘭的徑向位移隨隔振器橫/垂剛度比的增加而增加，當隔振器的橫/垂剛度比小于3時，法蘭的徑向位移小于8 mm，滿足彈性聯軸器的使用要求。

3.3 優化結果

在艦船橫傾45°條件下，初始方案主機輸出端法蘭的徑向位移是8.1 mm，超過了彈性聯軸器的許用位移8.0 mm。根據優化結果，為保證隔振系統具有優良的隔振性能，優化后的系統隔振參數應為固有頻率[f]=4 Hz，動/靜剛度比[α]=3，橫/垂剛度比[β]=2。對于該方案來說，在橫傾45°條件下，輸出端法蘭的徑向位移為7.79 mm，滿足彈性聯軸器的使用要求。

4 結論

本文針對大功率密度主機進行了隔振系統主要參數的設計，提出了在傾斜/搖擺條件下艦船隔振系統的簡化計算方法，建立了主機隔振系統的有限元分析模型，分析了隔振器固有頻率、動/靜剛度比、橫/垂剛度比等參數對主機穩定性的影響規律。計算結果表明，主機傾斜條件下的穩定性與隔振器固有頻率呈負相關，而與隔振器的動/靜剛度比和橫/垂剛度比呈正相關。最后對隔振系統的初始設計方案進行了優化，設計方法可為艦船用主機隔振系統的設計提供參考。

參考文獻：

[1]興乾，帥長庚，徐偉.大功率密度艦船推進電機的隔振系統設計[J].海軍工程大學學報，2019（1）：31-35.

[2]胡澤超，徐偉，何琳.主機氣囊隔振系統抗沖擊設計[J].海軍工程大學學報，2019（1）：51-56.

[3]何江洋.潛艇推力軸承整體隔振技術理論與實驗研究[D].武漢：海軍工程大學，2017.