船舶輔機雙層隔振教學系統開發設計

夏兆旺, 邵廣申, 周馬俊, 薛 程, 薛 斌

(江蘇科技大學能源與動力學院, 江蘇 鎮江 212003)

船舶輔機雙層隔振教學系統開發設計

夏兆旺, 邵廣申, 周馬俊, 薛 程, 薛 斌

(江蘇科技大學能源與動力學院, 江蘇 鎮江 212003)

利用Matlab GUI平臺開發了船舶輔機雙層隔振系統,計算分析了某型柴油機雙層隔振系統的振動特性。該系統用于輪機工程專業的專業綜合實訓教學環節。教學實踐結果表明:該教學系統界面簡介、操作簡便、交互性強,隔振系統仿真結果通過圖表的形式描述其隔振性能,在很大程度上提高了課堂教學效果,加深了學生理解分析能力。

船舶輔機； 隔振； 教學系統

隨著社會經濟的不斷發展,在出行方面人們在保證到達目的地的同時,對舒適性的要求越來越高。就船舶方面而言,振動噪聲水平是衡量其舒適性的一個重要指標,因此船舶的振動噪聲控制至關重要。船舶的振動噪聲主要是由主機[1-2]、輔機[2-4]和螺旋槳[5]運行引起。本文針對船舶輔機設備開發了輔機設備雙層隔振計算軟件,主要用于分析輔機設備的隔振特性,有助于提高輪機工程專業學生的綜合實訓效果,加深學生對船舶隔振設計的理解分析能力。

1 雙層隔振軟件的整體設計

目前,輔機的振動控制常采用被動隔振方式，有單層隔振[6-7]、雙層隔振[8-10]和浮筏隔振[11-12]3種形式。單層隔振,即在動力裝置與基座(基礎)之間安裝一層隔振器。單層隔振技術的應用比較廣泛,其技術要求和成本都比較低,在要求不高的場合能滿足隔振要求。為改進其不足,雙層隔振應運而生,即在設備和支撐基座之間增設一個中間質量體,該質量體上下側分別通過隔振器連接設備和基座。雙層隔振裝置在低頻區也能取得30～50 dB的振級落差(單層隔振只有10～20 dB),雙層隔振裝置如圖1所示。在單層和雙層隔振技術的基礎上,出現了浮筏隔振技術，它隔振效果好、結構緊湊,相比雙層隔振系統額外增加的質量也較少。浮筏隔振的基本思想是讓多個設備共用一個中間質量體——筏架,再將筏架安裝在基座上。但這也使系統的復雜程度增加,各個設備的振動將會互相影響,從而增加研究難度。本文主要是針對船舶輔機雙層隔振系統開發了一個仿真計算軟件,用于輔機雙層隔振系統設計的專業綜合實訓教學。

圖1 雙層隔振裝置簡圖

結合工程實際對雙層隔振系統進行計算軟件開發,一定要考慮到其所使用方法的科學性、能在軟件中搭建出合理的計算模型、能針對實際問題進行多角度的分析計算并能達到一定的設計要求。圖2為船舶輔機雙層隔振系統的總體框架,圖3則是雙層隔振軟件設計完成后的主界面。

圖2 雙層隔振系統總體框架

圖3 軟件主界面

2 雙層隔振軟件設計開發

2.1 軟件運行GUI界面設計

根據需求,要求每個模型均能實現可調參數下的幅頻特性響應曲線這一主要功能。因此模型主要分為參數輸入以及結果演示兩大部分,如圖4所示。其中,在參數設置面板輸入相應的參數，并運行仿真就可以得到輔機雙層隔振效果響應曲線。當輸入的參數數據格式錯誤或者是超過取值范圍時則會報錯提示。

圖4 模塊功能設計

根據以上功能設計,在Matlab GUI環境下構思出該模塊GUI界面如圖5所示，圖5左側是參數設置面板,右側為圖形生成區。要求界面布局合理美觀,各模塊風格盡量保持一致。

圖5 GUI界面

2.2 回調函數編程

根據需求在軟件的主界面內可以看到各個選單按鈕以及主界面的控件。根據設計好的界面,按照功能需求以及一些模型的經驗公式實現文本框、普通按鈕、列表框等不同圖形控件的回調函數的編程,保證前臺GUI界面的設計與仿真計算功能一致。

2.3 雙層隔振軟件主要功能

2.3.1 上下層隔振器選型

隔振器的選型首先是要保證整個系統的安全穩定,在這一前提下還要滿足隔振效果的要求,還要考慮到可能出現的損壞以及更換情況，即隔振器的通配性,最后是振幅不宜過大,不應為追求隔振效率而選用剛度過小的隔振器。

上層隔振器的選型，根據圖3主界面上上層質量m1選擇合適的隔振器類型,可以同時選擇一種或是兩種型號,例如質量m1=60 kg時, 可以選擇BE25-100000型號,個數為4個。

下層隔振器型號的選取則是要參照下層剛度值。上層總動剛度、中間質量以及下層剛度都可以通過計算得出,參照上述結果依據選型大于等于計算剛度的原則,因而下層選用4個BE40-161000的隔振器。

2.3.2 隔振系統固有頻率計算

在單自由度振動系統中,固有角頻率ω0表達式如下:

(1)

式中,k為物體剛度,m為物體質量。

針對本文的雙層兩自由度隔振系統,建立其動力學模型,得到頻率方程,計算其二階固有頻率。在軟件界面中選擇固有頻率按鈕,軟件自動計算出雙層隔振系統一階和二階固有頻率。

2.3.3 隔振系統隔振效率

通常情況下,用隔振效率來評價隔振效果。隔振效率η如下:

η=(1-T)×100%

(2)

式中T為傳遞力。

3 柴油機雙層隔振系統仿真分析

柴油機發電機基本參數如下:額定轉速為1 500r/min；質量為330 kg。隔振設計時要求隔振效率大于80%,即力傳遞率小于20%。

根據隔振器種類的不同,可以有不同的方案,本文通過雙層隔振軟件對選用的兩種方案加以比較:

方案一:BE系列隔振器。上層質量根據載荷要求確定,即隔振器支撐載荷要大于設備質量,因此選用6個BE60型隔振器,則得到上層總剛度為1.452 MN/m,中間質量確定為280 kg,下層隔振器選用4個BE160型隔振器(承重640 kg,滿足需要),下層剛度為2.576 MN/m。力傳遞率ε1為

(3)

式中，F0為激勵力，FT為傳遞給基礎的力，ζ為阻尼比。

此時振動力傳遞率ε1=19.83%。

設計規范要求質量比與剛度比的比值為0.8～1.2。上述設計的質量比為1.8485,剛度比為1.7741,得到質量比與剛度比的比值為0.9598,符合設計規范要求。

方案二:KA系列隔振器。上層隔振器仍按支撐載荷選取,選用4個KA100型橡膠隔振器,上層總剛度為0.68 MN/m,中間質量為100 kg,下層使用6個KA100型隔振器,剛度為1.02 MN/m。仿真后得力傳遞率ε2=7.77%。

上述設計的質量比為1.3030,剛度比為1.5,從而得到質量比與剛度比的比值為1.1,符合設計規范要求。

圖6為兩種方案幅頻響應特性曲線,從圖中可以看出，KA型的剛度較小,隔振效果也較好。圖7是兩種方案的隔振器形變量的比較,從圖中可以看出兩種方案下層隔振器的變形接近,上層BE隔振器的變形量略大,雖然BE型方案的剛度較大,但兩種方案的中間質量不同,固有頻率不同,不應直接相比,應以仿真結果為準。綜上所述,KA型方案總體優于BE型方案。

圖6 不同方案的幅頻響應曲線

圖7 不同方案隔振器形變量曲線

4 結語

利用Matlab軟件平臺,本文開發了船舶輔機雙層隔振教學系統。程序計算效率高,所有輸入輸出數據都可以手工輸入或文件讀寫,可移植性強,數據操作管理快捷方便；采用GUI界面設計,界面簡單美觀,方便設計人員使用；軟件適用性強,運行環境要求低,穩定性強,有利于提升輪機工程專業綜合實訓效果。

References)

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Development and design of double-layer vibration isolation teaching system for marine auxiliary engine

Xia Zhaowang, Shao Guangshen, Zhou Majun, Xue Cheng, Xue Bin

(School of Energy and Power, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The teaching platform of the double-layer vibration isolation system for the marine auxiliary engine is developed by using the Matlab GUI platform, and the vibration characteristics of a diesel engine double-layer vibration isolation system are calculated and analyzed. This system is applied to the professional comprehensive training for the Marine Engineering specialty. The teaching practice shows that the interface of this teaching system is simple, easy to operate and interactive. The vibration isolation performance is described in the form of chart by the simulation results of the vibration isolation system, which greatly improves the effect of classroom teaching and improves the students’ understanding and analysis ability.

marine auxiliary engine; vibration isolation; teaching system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.020

2017-06-21

教育部產學合作協同育人項目(201701074004)

夏兆旺(1981—),男,安徽鳳陽,博士,副教授,主要從事振動與噪聲控制方向的研究.

E-mail：dlxzw@163.com

U661.44;G484

A

1002-4956(2017)12-0081-04