隔振器阻尼對機艙動力設備振動影響研究

華春梅，王 宇

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

隔振器阻尼對機艙動力設備振動影響研究

華春梅，王 宇

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

以機艙動力設備的振動特性為研究對象，基于有限元方法，對船舶汽輪機發電機組及浮筏隔振系統進行研究。根據實際工況進行隔振器布置設計和工況設置，通過數值模擬研究阻尼改變對動力設備振動特性的影響，計算得出振動烈度曲線，揭示隔振器阻尼對汽輪發電機組振動特性的影響趨勢，為機艙動力設備減振分析提供了參考依據。

動力設備；船舶機艙；有限元；阻尼；振動

0 引言

當今社會對節能減排和減振降噪尤為重視，建設低碳社會已成為現今的生活主題。減少對能源的消耗，減小對環境的污染等方面的研究已提高到了一個新的水平。振動噪聲也是一種污染，現代社會對振動噪聲也越來越敏感。從船舶產品來講，振動噪聲會對船舶的舒適性、隱身性能和探測性能產生不利影響。振動在動力系統中是普遍存在的，而這其中結構噪聲沿著支撐基座的傳輸占主要部分，所以開展機艙動力設備支撐基座減振措施的研究，對減小振動的傳遞有著重要意義。

由于船舶機艙設備通常安裝于船舶狹小的艙室內，機組安裝時的工藝十分復雜，安裝精度不易保證，且船舶其他設備工作時產生的振動會通過基座、隔振器等向汽輪發電機組傳遞，這就對船舶機艙設備的振動特性產生較大影響；另一方面，船舶機艙動力設備通過隔振器、基座等與船體結構組成振動系統，設備與船體結構共同參與船舶的振動。因此，船舶機艙設備的實際振動往往表現為上述兩種振動的疊加。由于實船結構通常由船體板材、加強筋、扶強材、阻尼材料等組成，采用理論方法分析船舶機艙動力設備的振動問題很難得到滿意的結果，而由于實船測試往往受試驗條件限制，測試條件難以定量分析，測量點數量有限；且實船試驗費用較大，故實船測試多用于檢驗其振動是否滿足標準，該方法存在較大的弊端。

近年來隨著計算機技術及數值計算技術的迅速發展，轉子動力學、船舶結構動力學研究地不斷深入，船舶機艙設備耦合振動特性研究的手段已經具備，國內外眾多學者已借助有限元分析技術廣泛開展了全船范圍的船舶振動等研究，但對于船舶機艙設備中的大型設備——船舶汽輪發電機組的振動研究較少。船舶發電機組等機艙動力設備是船舶的主要動力源，也是船舶的主要振動源。各船舶相關研究部門針對其提出了很多隔振手段，現在普遍應用的是雙層隔振技術，通過對隔振阻尼、隔振質量以及基礎的強度、剛度的計算設計，使機組與基礎間的振動頻率相互遠離，從而達到減振降噪的目的。

1 機艙動力設備模型建立

機艙動力設備以汽輪發電機組振動最為劇烈，也最為典型。汽輪發電機組主要由汽輪機、發電機、轉速器以及整體浮筏架4大部分組成。

浮筏隔振系統是由多段槽型板架與若干鋼板板架交叉焊接而成的一個彈性體結構。由于浮筏隔振系統的抗彎、抗扭剛度比汽輪機與發電機要小，而且鋼板的厚度規格不統一，板材厚度與浮筏隔振系統三維尺寸數值之比很小，故對浮筏隔振系統結構按圖紙實際尺寸建立三維實體模型。首先根據尺寸定義關鍵點，然后連線、拉伸，最后經布爾運算，生成整體浮筏隔振系統模型。建立模型時，忽略了各鋼板倒角等細微結構差別，忽略了各鋼板連接處的焊縫影響。發電機、汽輪機以及減速器的實際結構復雜，但它們具有的共同特點是本身的剛度都比較大。參照相關文獻的建模方法，在進行機組建模時，不把其內部的實際復雜結構反映出來，發電機用與其實際結構外形相同的實心圓柱體來模擬，根據汽輪機本身結構有氣缸、曲軸箱等空腔結構以及剛度大的特點，把汽輪機模型建成中空的立方體實體。建模時保證汽輪機、發電機、齒輪箱等模型的質心位置和繞三個坐標軸方向的轉動慣量與實際相同。發電機質量13 453.81 kg，減速器質量1 757.85 kg，汽輪機質量為 6 064.48 kg，基座質量3 035.2 kg，浮筏質量44 377.2 kg。根據以上數據及模型尺寸，定義汽輪發電機組各個設備模型的密度。整體汽輪發電機組及浮筏結構的模型如圖1所示。

圖1 整體浮筏系統模型

2 隔振器設置

根據浮筏系統的實際情況，彈性安裝時，在汽輪發電機組與浮筏隔振系統之間共設置了30個彈簧。沿浮筏系統縱向（z軸方向）共分為6行，每行均勻布置5個彈簧。各個彈簧性質相同，剛度為K，阻尼為C，阻尼比為 ，其中正常工作時K=3 833 000， =0.065。

本文研究的是彈性安裝時隔振器剛度對汽輪發電機組振動特性的影響，因此以后的工況設置將圍繞圖2所示的30個彈簧的剛度變化來進行。

圖2 隔振器布置圖

在建立模型時，考慮到汽輪發電機組與浮筏的相互作用對動力響應的影響，采用彈簧-阻尼單元進行模擬；結構上部的聯軸器對機組振動的固有頻率影響很小，建立機組有限元模型時，汽輪機與發電機之間的彈性聯軸節可以不予考慮。

3 工況設置

對于彈性安裝時，隔振器結構的阻尼值也有可能對浮筏系統的減振性能產生影響，以下將根據相關資料對彈簧阻尼大小對汽輪發電機組振動特性影響進行分析。

根據相關資料，隔振器的型號為BSH-3500，該型號隔振器在垂向額定載荷下的阻尼比，根據這一信息，設置有關隔振器阻尼的工況，進行隔振器阻尼比對汽輪發電機組振動特性的研究。

以隔振器阻尼變化為主，隔振器剛度全部設置為K，K=3 833 000 N/m。具體工況如下表1所示。

表1 工況表

表1中共設置了4個工況，隔振器阻尼比從0.05依次變化到0.08。考慮到隔振器材料的限制，隔振器阻尼比的最大值設定為0.08，隔振器的材料是既定的，因此阻尼只能小范圍的波動，安裝工藝等無法對隔振器的材料產生大的影響。為了研究阻尼對汽輪發電機組振動特性的影響，統一將隔振器剛度設定為K=3 833 000 N/m。考慮到汽輪發電機組各個設備的工作頻率分別為25 Hz、50 Hz、108 Hz，因此提取計算數據時只需提取各個工況考察點在25 Hz、50 Hz、108 Hz這三個頻點處的振動烈度數據即可。以下將根據各個工況，通過ANSYS仿真模擬計算汽輪發電機組的振動特性。

4 阻尼對動力設備振動特性影響研究

在ANSYS中根據工況設置改變隔振器阻尼比，分別進行計算，如表2與表3所示，為阻尼比改變的各個工況仿真計算的振動結果表。通過以上數據生成對比圖，如圖3、圖4、圖5所示，觀察分析隔振器阻尼對機艙動力典型設備——汽輪發電機組振動特性的影響。

表2 振動烈度

表3 振動烈度

圖3、圖4所示分別為25 Hz、50 Hz時，各個工況下不同阻尼比對應的汽輪發電機組振動烈度的對比。隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發電機組的振動烈度存在逐漸減小的趨勢。但是，隔振器阻尼比從0.08減小到0.05的過程中，汽輪發電機組的振動烈度的變化值是非常小的。總體上，在25 Hz、50 Hz時，隔振器阻尼對汽輪發電機組振動特性的影響比較小。

圖3 25 Hz振動烈度對比圖

圖4 50 Hz振動烈度對比圖

圖5 108 Hz振動烈度對比圖

圖5所示為108 Hz時，各個工況下不同阻尼比對應的汽輪發電機組振動烈度的對比。同其他頻率相似，隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發電機組的振動烈度存在逐漸減小的趨勢，但是，在隔振器阻尼比減小過程中，汽輪發電機組的振動烈度的變化非常小。

綜合以上各個工況下，不同頻率時汽輪發電機組設備的振動烈度曲線，可知隨著隔振器阻尼比的減小，汽輪發電機組的振動烈度也不斷減小，但是變化不是很大，將振動烈度換算成速度級的話，根據公式：

5 結論

經過以上計算分析發現，隨著隔振器阻尼比的減小，船舶機艙動力設備——汽輪發電機組振動烈度有減弱的趨勢。但是，隨著隔振器阻尼比減小，汽輪發電機組振動烈度的變化不是非常明顯，當隔振器阻尼比減小到0.05時，與隔振器阻尼比為0.08時，汽輪發電機組的振動速度級僅僅減小了不到1 dB。而實際上，隔振器的阻尼比也就是說，隔振器阻尼對汽輪發電機組振動特性的影響，由于隔振器材料屬性的限制，將其保持在可能的最小值即可。

隔振器阻尼對機艙動力設備的減振性能影響只是其中一個因素，由于隔振器材料的局限性，隔振器的阻尼不能大范圍地調整。如果研究機艙動力設備振動特性，還需進一步討論隔振器剛度對汽輪發電機組振動特性的影響。

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[3]陳斌,李嘉全,邵長星,等.浮筏多通道協調振動的主動控制實驗研究[J].實驗力學,2008(3)：248-254.

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［責任編輯：劉 月］

The Influence of Vibration Isolator Damping on Cabin Power Equipment's Vibration

HUA Chunmei,WANG Yu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Taking the vibration characteristics of cabin power equipment as the research object,the author conducts a research of ship's steam turbine generating set and buoyant raft vibration isolation system based on the finite element method.The author carries out the vibration isolator layout design and working condition setting according to the real working condition,studies the influence of damping change on power equipment's vibration characteristics according to numerical simulation,calculates the vibration intensity curve,reveals the influence trend of vibration isolator damping on steam turbine generating set's vibration characteristics,and provides reference for cabin power equipment vibration reducing analysis.

power equipment;cabin;finite element;damping;vibration

U661.73

A

2095-5928（2014）05-55-05

2014-05-15

遼寧省教育廳科研項目（L2013513）；渤海船舶職業學院科研項目（2013122817）

華春梅（1969-），女，黑龍江肇東人，高級講師，碩士，研究方向：電氣工程。