減小筏架變形的浮筏氣囊系統設計

秦文政，施 亮

(1.海軍工程大學振動與噪聲研究所，湖北武漢430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430033)

0 引 言

隨著浮筏氣囊隔振系統趨于大型化[1–2]，筏體結構剛度不可避免的降低，容易產生彈性變形。在外界擾動作用下，筏架彈性形態會發生較大變化，造成筏上設備之間、設備與外接管路之間產生較大的相對位移，嚴重時容易超出其許用位移，危及設備運行安全，如圖1所示。通過優化筏體結構、調整氣囊承載分布可以一定程度上抵消外界擾動的影響。目前，國內外學者已經在筏體結構優化設計[3–5]、筏架姿態平衡控制[6–8]、軸系對中控制[9–11]等方面開展了大量研究工作。

圖1 某大型浮筏氣囊隔振系統示意圖Fig.1 Diagram of a large floating raft air spring isolation device

然而，由于某些大型浮筏隔振系統軸系處未安裝氣囊隔振器，使得控制系統對該處筏架彈性變形的調節能力較差，為滿足高精度軸系對中要求，導致個別氣囊處于過承載狀態且氣囊承載分布均勻性較差，大大降低了控制系統對復雜工況的適應性。因此，為減小筏架變形、提高氣囊控制系統的調節能力，必須對浮筏設備分布和氣囊布置方案進行設計。

本文在某船舶浮筏隔振裝置模型的基礎上，提出一種基于位移參數識別的筏架彈性變形判別方法，并依據此方法研究了設備分布、氣囊支撐方式對筏架彈性變形和氣囊控制系統的影響，最后在試驗平臺上進行了部分驗證。研究成果可為浮筏設備分布和氣囊布置方案設計提供新的思路。

1 系統組成

在有限元軟件中建立某船舶大型浮筏隔振裝置模型，如圖2所示。筏體最大結構尺寸為10 m×6.5 m×2 m，筏架及設備總質量約360 t。在筏架上布置8個位移傳感器，其中1#～4#位于筏架四角，用于監測筏架剛體姿態并作為筏架彈性變形的參考基準，5#～8#位于筏架4條邊中部，用于監測筏架彈性變形。

圖2 浮筏氣囊隔振系統示意圖Fig.2 The sketch of floating raft air spring isolation device

為方便研究，假設筏架處于理想狀態位置時，各位移傳感器讀數為0。

2 筏架彈性變形判別方法

筏架彈性變形是相對而言的。外界擾動作用下筏架產生的實際位移包含剛體姿態位移和彈性變形位移，兩者相互耦合，難以完全分離[12]。因此，研究筏架彈性變形問題前，必須選擇一個合適的參考基準。

通常，氣囊控制系統將筏架四角高度作為筏架姿態平衡的控制參數，會優先將其位移控制在精度指標范圍內，所以將1#～4#傳感器位移作為筏架彈性變形的參考基準。為保證筏架彈性變形的判別準確性，可先對參考基準的有效性進行評估：

其中，x1～x4分別為筏架1#～4#位移傳感器讀數。Jx反映了筏架彈性變形參考基準是否有效。

定義有效性判別精度σ 。若Jx≤ σ，則可認為筏架四角位移在同一平面內，即筏架彈性變形參考基準是有效的；反之，若Jx>σ，則表明筏架四角某處彈性變形較大，此時不能將其直接作為彈性變形參考基準，需要選擇新的參考基準。σ的取值與系統特性和筏架姿態控制精度有關。

當Jx>σ時，筏架彈性變形參考基準可按以下方法重新選取：

1）結合筏架5#、6#位移傳感器參數，找出1#～4#位移傳感器中彈性變形最大的位置。計算公式如下：

其中：Jx1～Jx4分別反映了1#～4#位移傳感器處筏架彈性變形的大小，其值越小，表明該處筏架彈性變形越大；x5，x6分別為筏架5#、6#位移傳感器讀數。

通過比較Jx1～Jx4數值大小即可找到1#～4#位移傳感器中彈性變形最大的位置。

2）去除1#～4#位移傳感器中筏架彈性變形最大的位移參數后，可將其他3個位移參數所在平面作為新的筏架彈性變形參考基準，則各位移傳感器處的筏架彈性變形位移可用其實際位置到參考基準面的距離表示，如圖3所示。?x5可表示為：

圖 3筏架彈性變形位移表示方法Fig.3 Theexpression method of elastic deformation displacement of raft

以5#位移傳感器為例，該處筏架彈性變形位移

式中：x5為5#位移傳感器讀數；x1和x3分別為筏架彈性變形參考基準在1#和3#位移傳感器處的位移參數。

3 筏架變形影響因素分析

工程中，浮筏姿態平衡控制精度一般為±1 mm，若浮筏上有船舶主機，則要求主機與軸系對中精度在±0.5mm以內[13]，結合本文研究的浮筏系統特性，取σ為0.25 mm進行浮筏氣囊系統優化設計。

3.1 浮筏設備分布的影響

根據設備質量及振動時動態力大小，將浮筏設備分為以下3類：1）質量較大且振動動態力也較大的設備，如主機等；2）質量較小但振動動態力較大的設備，如主循環水泵等；3）質量和振動動態力都比較小的設備。

將氣囊均勻布置在筏架兩舷側并保持各氣囊處于額定壓力。保持浮筏總載荷不變，其中90%均勻分布于整個筏架表面，10%作為設備振動動態力。在浮筏氣囊隔振系統有限元模型中，計算動態力分別位于筏架中心、左舷、尾部和頂角這4種方案下筏架的彈性變形，結果如表1所示。

表1 不同設備分布下筏架變形位移（mm）Tab.1 The elastic deformation displacement of raft in different equipment distribution (mm)

由表1可知，當動態力位于筏架中心時，筏架變形位移最小。因此，從減小筏架變形的角度，設備在筏上分布的優先級依次為：筏架中心>筏架舷側>筏架首、尾>筏架頂角。

調整氣囊壓力，使各方案筏架處于理想狀態位置的±0.5 mm以內，各方案氣囊壓力調整幅度如圖4所示。

圖4 不同設備分布下氣囊壓力調整幅度Fig.4 The pressure adjustment range of air spring in different equipment distribution

由圖4可知，當動態力位于筏架頂角時，單個氣囊壓力調整幅度最大約40%。由于氣囊正常壓力調整幅度不應超出其額定壓力的±20%，所以從提高氣囊控制系統調節能力的角度，設備在筏上分布的優先級依次為：筏架中心>筏架舷側>筏架首、尾>筏架頂角。

綜上，為減小筏架變形，并提高氣囊控制系統的調節能力，主機等質量和振動動態力較大的設備應盡量安裝在筏架中心位置，主循環水泵等質量較小但振動動態力較大的設備優先選擇布置在筏架舷側，最后根據筏上空間和質量均勻分布原則確定其他設備的安裝位置。

3.2 氣囊數量的影響

在浮筏載荷均勻分布，各氣囊處于額定壓力的條件下，計算氣囊數量分別為20個、16個、12個和8個時筏架的彈性變形，其中各方案氣囊均勻布置在筏架兩舷側，筏架彈性變形計算結果如表2所示。

表2 不同氣囊數量下筏架變形位移（mm）Tab.2 Theelastic deformation displacement of raft in different number of air springs (mm)

由表2可以看出，隨著氣囊數量的減小，5#，6#傳感器處筏架變形位移呈先減小后增大的趨勢，7#，8#傳感器處筏架變形基本不變。此外，氣囊數量為20個、16個時，5#，6#傳感器處筏架呈向上凸起的彈性形態；而當氣囊數量為12個、8個時，該處筏架彈性形態變為向下凹陷。

由此可知，在浮筏載荷和氣囊承載都均勻的前提下，氣囊數量過多或過少都會增大筏架變形，甚至會改變筏架局部彈性形態。

3.3 氣囊位置分布的影響

某些浮筏隔振系統軸系處筏架沒有氣囊隔振器支撐，表現出明顯的向下凹陷的彈性變形。為解決上述問題，考慮在軸系處增加氣囊隔振器，氣囊布置方案如下：

方案1采用12個氣囊，將其均勻布置在筏架兩舷側，作為對照方案；

方案2采用14個氣囊，其中12個均勻布置在筏架兩舷側，剩余2個分別布置在筏架首、尾部（靠近7#、8#位移傳感器）；

方案3采用14個氣囊，氣囊布置位置與方案2相同，但筏架首、尾2個氣囊不承載浮筏重量，僅用于調整筏架姿態。

在浮筏載荷均勻分布，各承載浮筏重量的氣囊處于額定壓力的條件下，計算上述各方案筏架的彈性變形，結果如表3所示。

表3 氣囊位置分布下筏架變形位移（mm）Tab.3 The elastic deformation displacement of raft in different air spring arrangement (mm)

從表3可知，方案2中5#，6#傳感器處筏架彈性變形位移較大，這表明當浮筏載荷和氣囊承載分布均勻時，在筏架首、尾部增加用于承載浮筏重量的氣囊隔振器不利于減小筏架兩舷側中部的彈性變形。

從氣囊控制系統對軸系處筏架姿態的調節能力來比較上述各方案的優劣。調整浮筏載荷使筏架偏載，其中95%的載荷均勻分布于整個筏架表面，5%的載荷分布于筏架尾部，通過調整氣囊壓力將筏架控制在理想狀態位置的±0.5mm以內，各方案氣囊壓力調整幅度如圖5所示。

圖5 不同方案下氣囊壓力調整幅度Fig. 5 The pressure adjustment rangeof air spring in different schemes

由圖5可知，方案2氣囊壓力調整幅度明顯小于方案1，這表明在筏架首、尾部增加氣囊隔振器可以提高控制系統對軸系處筏架姿態的調節能力。此外，還可看出方案3主要通過調整筏架尾部氣囊即可將筏架控制在理想狀態位置的±0.5mm以內，由于方案3中筏架首、尾部氣囊初始壓力為0，所以從提高控制系統對復雜工況適應性的角度，方案3優于方案2。

綜上，在筏架首、尾部增加僅用于調整筏架姿態的氣囊隔振器可以大大提高控制系統的調節能力。

4 試驗驗證

建立某船舶浮筏氣囊隔振裝置2∶1縮比試驗平臺。其中，筏架尺寸為5.5m×3.5m×0.2m，沿筏架兩舷側均勻布置20個氣囊隔振器，另布置8個位移傳感器，位置分布與圖2相同，通過1套液壓伺服加載裝置調整浮筏載荷，液壓缸布置在筏架四角位置。

根據試驗平臺特點，開展氣囊數量對筏架變形的影響試驗，試驗方案與3.2節保持一致。各方案位移傳感器試驗數據如圖6所示，筏架變形位移見表4。

圖6 氣囊數量對筏架變形的影響Fig.6 The influenceof air spring quantity on raft elastic deformation

表4 各方案筏架變形位移試驗值（mm）Tab.4 Experimental values of elastic deformation displacement of raft in each scheme (mm)

由圖6和表4可知，隨著氣囊數量的減小，筏架變形位移呈先減小后增大的趨勢，這與3.2節的結論相同。然而，試驗時筏架彈性形態并未隨氣囊數量而改變，原因是液壓加載裝置布置在筏架四角，試驗平臺載荷并非均勻加載到筏架上。

試驗結果驗證了3.2節的研究內容，反映了本文理論模型及研究方法的正確性。

5 結語

為減小筏架變形，提高控制系統的調節能力，本文以某大型浮筏氣囊系統為研究對象，提出一種基于位移參數識別的筏架彈性變形判別方法，并對浮筏設備分布和氣囊布置方案進行設計，最后在試驗平臺上進行了部分驗證，得出如下結論：

1）振動動態力較大的設備應優先安裝在筏架中心或者舷側，然后根據筏上空間和質量均勻分布原則安裝其他振動動態力較小的設備。

2）浮筏載荷和氣囊承載都均勻的前提下，氣囊數量過多或過少都會增大筏架彈性變形，甚至會改變筏架局部彈性形態。因此，工程中應根據浮筏特點選擇合適的氣囊數量。

3）在筏架首、尾部增加僅用于調整筏架姿態的氣囊隔振器可以大大提高控制系統的調節能力。