非運轉設備對浮筏隔振效果影響研究

王新海，戴睿婕，商 超，漆瓊芳，譚海濤，陳林雄

(1.海軍裝備部駐葫蘆島地區軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

機電設備運轉產生的振動噪聲對艦船的輻射噪聲控制、儀器儀表工作和船員身心健康等造成不利影響。浮筏隔振是當前艦船針對設備振動最有效的控制措施，其振動控制特性也得到相關科技人員的廣泛研究[1–9]。

在浮筏隔振系統聲學性能的研究中，主要采用理論與數值仿真方法[1–6]、理論與試驗方法[7–9]等手段。而在理論、數值仿真及驗證試驗的研究中，往往僅考慮運轉設備，而忽視了彈性安裝的非運轉設備對運轉設備在浮筏隔振系統中的振動傳遞特性影響。這會降低浮筏隔振系統聲學性能的估算精度，是理論結果與工程結果之間誤差的一個重要原因。

本文首先針對運轉設備、非運轉設備、筏架、基座和上下層減振器等浮筏隔振系統組件，考慮其自身易于通過試驗獲取的導納和阻抗矩陣，分別建立了導納方程和阻抗方程，并組裝形成了含非運轉設備的浮筏隔振系統三向振動傳遞模型。然后，試驗驗證了在振動傳遞模型中考慮非運轉設備的必要性。最后，根據對比工況的試驗結果分析了非運轉設備對浮筏隔振系統振動傳遞特性的影響規律。

1 浮筏隔振系統動力學模型

典型浮筏隔振系統主要由被隔振設備、上層減振器、筏架（中間構架）、下層減振器和基座結構等組成，如圖1 所示。其中，針對特定的運行工況，設備分為運轉設備和非運轉設備。1）對結構件（設備、筏架和基座）建立導納方程，對減振元件（上下層減振器）建立阻抗方程；2）利用阻抗導納綜合法，構建浮筏隔振系統的多點三向振動傳遞物理模型；3）通過代入運轉設備的機腳振動速度給出含非運轉設備的浮筏隔振系統三向振動傳遞模型。其中，定義Z，Y，F和V分別為阻抗矩陣、導納矩陣、力向量和速度向量；定義s，S，f 和t 分別為表示運轉設備、非運轉設備、筏架和基座的上標；定義j，J 和x 分別為表示運轉設備減振器、非運轉設備減振器和下層減振器的下標。

圖1 含非運轉設備的典型浮筏隔振系統Fig.1 A typical floating raft isolation system with non-operating equipment

1.1 減振元件的阻抗方程

以運轉設備減振器為例，并將其簡化為如圖2 所示的力學模型。其中，為其設備安裝端的動態力與速度向量，而為其筏架安裝端的動態力與速度向量。

圖2 減振器簡化模型Fig.2 Simplified model of damper

類似推導可得，下層減振器和非運轉設備減振器的阻抗方程如下：

1.2 結構件的導納方程

1.3 含非運轉設備的浮筏隔振系統振動傳遞動力學模型

上述振動傳遞動力學模型中的結構件導納矩陣和減振元件阻抗矩陣均可直接試驗獲取，從而避免了模型搭建過程中的矩陣求逆，有利于提高該動力學模型的計算浮筏隔振系統振動傳遞特性的精度。

2 驗證試驗

2.1 試驗臺架方案

驗證試驗臺架包括兩型設備（電機、水泵）、水泵管路及其附件、兩層減振器、公共筏架和基座等，如圖3 所示。其計算模型采用右手螺旋坐標系，以水泵進口方向為X 向正向，以垂向上為Z 向正向。電機和水泵分別通過4 個減振器平置安裝在筏架上側，而筏架則通過4 個下層減振器彈性安裝在基座上，基座通過螺栓固定在實驗室剛性地基上。水泵管路通過軟管連接到遠端，從而隔離其對基座振動響應的干擾。

圖3 試驗臺架示意圖Fig.3 Schematic diagram of test bench

電機和水泵各自4 個減振器的安裝方式一致，水泵的額定流量為22.5 t/h,試驗臺架的其他參數如表1所示。

表1 試驗臺架參數Tab.1 Conditions of test

試驗工況如表2 所示。

表2 試驗工況Tab.2 Conditions of test

2.2 試驗結果分析

工況1 和工況2 為是否安裝非運轉設備（電機）對運轉設備（水泵）隔振效果影響的對比工況。水泵機腳和基座的振動響應試驗結果如圖4～圖9 所示。

圖4 水泵機腳振動響應（X 向）Fig.4 The vibration response of pump seat (X direction)

圖5 水泵機腳振動響應（Y 向）Fig.5 The vibration response of pump seat(Y direction)

圖6 水泵機腳振動響應（Z 向）Fig.6 The vibration response of pump seat(Z direction)

圖7 基座振動響應（X 向）Fig.7 The vibration response of base structures(X direction)

圖8 基座振動響應（Y 向）Fig.8 The vibration response of base structures(Y direction)

圖9 基座振動響應（Z 向）Fig.9 The vibration response of base structures(Z direction)

從圖4～圖6 可以看出，是否安裝電機對水泵機腳三向振動的影響很小（差值約0.2 dB），可以忽略。

從圖7～圖9 可以看出，試驗臺架增裝電機后，基座XYZ 三向振動分別降低了3.7 dB，0 dB 和5.2 dB。說明對于本試驗臺架安裝的隔振裝置來說，彈性安裝的電機及其下安裝的減振器耗散了水泵經由筏架傳遞到基座X 向和Z 向的振動能量，特別是在16～40 Hz，50～80 Hz 和400～500 Hz 頻段，即增裝電機后基座的前3 階響應峰均得到了有效控制，且其他頻段響應無明顯增大現象。

圖10 和圖11 分別為基座的響應時頻圖。可以看出：1）試驗臺架增裝電機后，基座Y 向振動響應整體變化不明顯，在14～19 Hz 頻段出現響應谷，與圖8的趨勢一致；2）基座Z 向在除13～15 Hz 頻段外，振動響應整體降低，與圖9 的趨勢一致。這說明增裝非運轉設備可改變浮筏隔振系統原有的整體模態，且配置得當時可有效消耗運轉設備的振動能量，提升隔振系統的聲學性能。

圖10 基座響應時頻圖（Y 向）Fig.10 Time-frequency image for vibration response of base structure (Y direction)

圖11 基座響應時頻圖（Z 向）Fig.11 Time-frequency image for vibration response of base structure (Z direction)

圖12～圖14 為電機正常運行和被動激勵時的機腳三向振動響應對比。可以看出，電機被動激勵時的三向振動響應明顯低于其正常運轉的響應。這說明在配置得當的情況下，彈性安裝的非運轉設備（電機）既能有效消耗水泵的振動能量，又不會對自身造成損害。

圖12 電機機腳振動響應（X 向）Fig.12 The vibration response of motor seat (X direction)

圖13 電機機腳振動響應（Y 向）Fig.13 The vibration response of motor seat (Y direction)

圖14 電機機腳振動響應（Z 向）Fig.14 The vibration response of motor seat (Z direction)

3 結 語

本文建立了含非運轉設備的浮筏隔振系統三向振動傳遞模型，并通過試驗驗證了在振動傳遞模型中考慮彈性安裝非運轉設備的必要性。得出如下結論：

1）非運轉設備對浮筏運轉設備機腳振動的影響可忽略；

2）增裝非運轉設備可改變浮筏隔振系統原有的整體模態，對應的模態頻率應避開各設備的運轉頻率；

3）將非運轉設備與運轉設備進行整體匹配隔振設計可提升隔振系統的聲學性能；

4）當非運轉設備的安裝頻率處于浮筏運轉設備的共振頻段內時，需校核其振動響應是否超過自身限值。