集中質量復雜系統浮筏隔振設計研究

蔡龍奇 王 禹 劉 佳 黃 捷 劉立志

0 引言

船舶動力裝置含有大量的泵類設備和靜設備，泵類旋轉機械是船舶動力裝置的主要振動噪聲源，這些振源設備振動會通過設備支承結構和管路向外傳遞。隨著船舶動力裝置對振動噪聲要求的不斷提高，傳統的單層隔振、雙層隔振等隔振措施已越來越難以滿足日益嚴苛的減振降噪要求，浮筏支承隔振措施由于減振效果好、便于模塊化建造等典型特點成為目前船舶隔振發展趨勢。

船舶動力裝置具有靜設備集中質量大、振源設備多、振動特性多樣等典型特點，給浮筏隔振設計帶來了一定的困難。本文針對集中質量復雜浮筏隔振系統開展了浮筏隔振方案研究工作，提出了集成質量系統浮筏隔振設計原則，結合隔振系統靜力學特性分析、隔振系統固有頻率分析、減振效果分析等，形成了合理可行的集中質量系統集成浮筏隔振方案。

本文工作可為船舶動力裝置浮筏支承隔振的工程設計提供支撐。

1 浮筏隔振技術簡介

隔振技術作為一種重要的機械噪聲控制措施，在國外已有幾十年的研究歷史和應用經驗，并在振動控制方面取得了顯著成效。從其發展歷程上看，主要經歷了單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振等幾個發展階段[1]。目前，浮筏隔振系統仍是隔振技術發展研究的重點[2]。

浮筏隔振系統如圖1 所示，筏架上安裝有多機組（因而具有多擾動源），共用一個筏體結構。浮筏隔振效果可達中低頻段35dB、高頻段50dB 以上的隔振效果，此外筏體結構能充分節省安裝空間。

圖1 浮筏隔振系統示意圖

2 集中質量系統組成及特點

2.1 系統組成

船舶動力裝置是一種典型的集中質量復雜系統，主要由大質量靜設備、泵類振源設備、管路及支吊架等組成，靜設備、泵類設備參數如表1 所示。如表1 所示，動力裝置中含有一型大質量靜設備、三型泵類設備，且泵運行方式多樣、激勵特性不一致，且A 靜設備、C 葉片泵由于設備特性只能與筏架剛性連接。

表1 浮筏隔振系統被支承設備參數

2.2 系統典型特點

船舶動力裝置復雜系統主要典型特點如下：

（1）靜設備重量、體積遠大于泵類旋轉設備，筏架結構設計和隔振器配置需考慮集中質量和載荷分配等因素。

（2）振源設備類型和運轉方式多樣，各泵類設備振源特性不一致，運行方式不同，在浮筏隔振設計時需考慮不同振源特性。

（3）為保證抗沖擊安全性，需在隔振設計的同時考慮限制浮筏隔振裝置的沖擊位移。

3 集中質量浮筏隔振系統設計原則及方案

3.1 浮筏隔振設計原則

綜合考慮支承隔振功能、復雜系統典型特點等，提出集中質量浮筏隔振主要設計原則如下：

（1）筏架結構遵循體積小、重量輕等原則，嚴格控制重量尺寸。

（2）考慮到系統集中質量較大，應開展筏架結構與大質量靜設備A 的集成設計，增加筏架結構與集中質量的連接剛度，避免局部剛度弱的問題。

（3）結合振源設備激勵頻率的多樣性，筏架結構固有頻率、浮筏隔振系統固有頻率應避開主要激勵頻率。

（4）應選用大承載、低固有頻率隔振器，且通過隔振器的合理布置使隔振器盡量受力均勻。

（5）浮筏隔振裝置應具備必要的限位功能。

3.2 浮筏隔振設計方案

圖2 集中質量浮筏隔振系統示意圖

集中質量浮筏隔振系統如圖2 所示。動力裝置設備通過集成筏架結構組成一個整體承載及減振平臺，筏架結構通過氣囊隔振器安裝在基礎結構上，降低系統振動向基礎的傳遞。筏架結構為系統設備提供承載平臺，同時可根據布置需求為系統管路及支吊架等提供支承。

為提高連接剛度，將A 型靜設備與筏架結構采用集成設計理念，筏架結構與A 型靜設備結構焊接連接，并設置加強筋板有效提高連接剛度。

如圖1 所示，筏架下部隔振器布置根據受力平衡的原則開展。筏架下部氣囊隔振器內部集成設置有限位結構，保證系統集成支承隔振裝置位移在一定范圍內。氣囊隔振裝置中含有位移傳感器，可實現對筏架結構姿態的實時監測，當筏架結構姿態傾斜時氣囊自動通過氣壓調整來確保系統的姿態平衡。

4 集中質量浮筏隔振系統減振效果分析

4.1 靜力學及固有頻率分析

采用Solid185 單元對集成支承隔振結構進行模擬，將靜設備、泵類設備等效為集中質量點采用3Dmass21 模擬，采用彈簧單元模擬氣囊隔振器靜剛度參數，對隔振器下部進行位移約束，在模型上施加重力加速度對隔振器靜力載荷特性進行分析，分析結果如表2 所示。如表2 所示，各氣囊隔振器載荷較為均勻，隔振器布置合理。

表2 浮筏下層隔振器載荷分配表

此外，基于ANSYS 模態分析模塊開展了集中質量浮筏隔振系統模態分析，分析結果表明集成浮筏隔振系統固有頻率避開了被支承設備主要激勵頻率，浮筏隔振系統設計合理。

4.2 減振效果分析

為獲得浮筏隔振系統全頻段（10Hz～8000Hz）減振效果，分別利用有限元分析軟件LMS Virtual.lab 和統計能量分析軟件VA One 對浮筏隔振系統低頻段（10Hz～315Hz）、中高頻段（315Hz～8000Hz）減振效果進行了分析。利用泵類設備實測機腳振動加速度級，通過振源識別方法得到泵類設備激勵力作為振動分析的輸入。

4.2.1 低頻段減振效果分析

獲得各振動傳遞路徑上振動加速度級分析結果如圖3 所示。如圖3 所示，筏架結構上剛性安裝設備低頻段（10Hz～315Hz）減振效果為23.5 dB，彈性安裝設備低頻段（10Hz～315Hz）減振效果為37.0dB。

圖3 浮筏隔振系統振動響應（低頻段）

4.2.2 中高頻段減振效果分析

如圖4 所示，筏架結構上剛性安裝設備中高頻（315Hz～8000Hz）減振效果為27.1dB，彈性安裝設備中高頻（315Hz～8000Hz）減振效果為52.2dB。

4.3 不同安裝位置隔振器振動響應分析

筏架下部不同安裝位置隔振器振動加速度響應如圖5 所示。如圖所示，不同安裝位置隔振器振動響應有一定的差異，但振動響應曲線整體趨勢基本一致。說明已采取的優化設備及隔振器布置措施使隔振器受力均勻，有效控制了各隔振器振動響應不均勻度。

圖4 浮筏隔振系統振動響應（中高頻段）

圖5 不同安裝位置隔振器振動響應

5 結論

本文針對集中質量復雜浮筏隔振系統開展了浮筏隔振方案研究工作，提出了集成質量系統浮筏隔振設計原則，結合隔振系統靜力學特性分析、隔振系統固有頻率分析、減振效果分析等，形成了合理可行的集中質量系統集成浮筏隔振方案。

分析結果表明，采用浮筏隔振后動力裝置減振效果明顯優于單層隔振。本文工作可為動力裝置集中質量系統浮筏隔振設計提供技術支撐。