船用高壓空壓機組抗沖擊技術(shù)研究

張志恒，陳德祥，金麗瓊，葉鵬，邢志勝，毛京兵，張成彥

(合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽 合肥 230031)

0 引言

空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）是現(xiàn)代船舶工業(yè)中的重要設(shè)備，在服役期間不可避免會遭遇到各種沖擊，為防止這類沖擊對空壓機等設(shè)備的破壞作用，必須采用專門的技術(shù)對其進行抑制。針對該問題，通常在船用空壓機和甲板之間設(shè)計有單層隔振裝置或雙層隔振裝置（或浮筏隔振裝置），一方面能最大限度地隔離空壓機的振動沿機座向船體的傳遞，從而抑制船艙工作室噪聲和水下輻射噪聲，以達到提高船舶隱身性和舒適性的功能[1]；一方面能有效抑制外界干擾（如惡劣海況等）通過機座對船舶空壓機設(shè)備的沖擊[2–3]，以提高空壓機的使用壽命。

為了保證隔振抗沖擊的效果，如何合理地選擇隔振裝置，達到既能提高隔振效果又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性要求一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問題[4]。葉珍霞等[5]介紹了國外艦船設(shè)備抗沖擊研究的現(xiàn)狀，并對目前國內(nèi)抗沖擊研究中存在的不足提出了一些建設(shè)性的意見，可為艦船設(shè)備隔振系統(tǒng)非線性抗沖擊研究提供參考。陳海龍等[6]根據(jù)艦船動力機組各組成設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，分別采用DDAM 方法和時域加載法在頻域和時域上對其進行抗沖擊計算分析。計算結(jié)果表明，不同設(shè)備對沖擊載荷的響應(yīng)與設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，且與沖擊加載方向有很大關(guān)系。王國治等[7]利用Ansys 軟件建立了空壓機組浮筏裝置在陸上臺架以及裝船后的動力學(xué)分析模型，計算得到了隔振系統(tǒng)的各階模態(tài)，分析了系統(tǒng)的振動傳遞特性以及對于沖擊的響應(yīng)特性，探討了提高船舶設(shè)備隔振與抗沖擊性能的途徑。尹群[8]在水面艦船沖擊環(huán)境和結(jié)構(gòu)抗沖擊性能理論及有限元數(shù)值仿真研究的基礎(chǔ)上，進行了艦船結(jié)構(gòu)及設(shè)備抗沖擊模型試驗研究。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以CZS 型船用電動高壓空壓機為研究對象，采用Ansys 建立高壓空壓機的三維有限元模型，邊界條件或計算輸入按《船用設(shè)備抗沖擊計算方法與要求》，對抗沖擊裝置沖擊過程進行動力學(xué)仿真計算，并進行了試驗驗證，為船用高壓空壓機系統(tǒng)的動態(tài)特性分析、優(yōu)化設(shè)計以及抗沖擊設(shè)計等方面提供較為可靠的工具和理論依據(jù)。

1 高壓空壓機組系統(tǒng)抗沖擊模型

CZS 空壓機組包括CZS 空壓機和雙層抗沖擊隔振裝置，空壓機主機、電機、水泵等部件剛性安裝在機架上，形成空壓機組。雙層抗沖擊隔振裝置上部與空壓機組彈性聯(lián)接，下部和船甲板剛性聯(lián)接。空壓機組通過4 個抗沖擊組合隔振器彈性安裝在中間筏體上，組成上層彈性隔振裝置。下層隔振裝置通過6 個抗沖組合隔振器彈性安裝在基座上，組成雙層抗沖擊隔振裝置，并與空壓機一起組成空壓機組抗沖擊隔振系統(tǒng)。隔振裝置中的隔振器在橫向、縱向和垂向3 個方向上均具有限位作用，用于保護隔振器并限制機組的位移。中間筏體采用高分子聚合物澆注而成，具有高阻尼特性，可有效減小機組振動和受到?jīng)_擊時優(yōu)勢頻率的幅值。基于上述分析，采用Ansys 軟件建立高壓空壓機組系統(tǒng)抗沖擊有限元模型如圖1 所示。模型參數(shù)如表1 所示，模型中高壓空壓機和中間筏體采用質(zhì)量單元模擬，這樣可以保證空壓機和筏體的重心、轉(zhuǎn)動慣量和重心位置。建模過程中，為真實反映隔振器力學(xué)模型，將每個隔振器簡化為三向非線性彈簧和阻尼單元，為方便分析，將高壓空壓機隔振裝置與船體基座剛性連接，下層隔振器的下端剛性固定。

表1 空壓機組的重量和重心Tab.1 The weight and center of gravity of air compressor unit

圖1 高壓空壓機組系統(tǒng)抗沖擊有限元計算模型Fig.1 The finite element model of air compressor unit about Anti-shock

2 高壓空壓機組抗沖擊計算分析

2.1 沖擊環(huán)境與沖擊載荷描述

按照規(guī)定，CZS 高壓空壓機組屬于A 級、甲類、I 類安裝設(shè)備，屬于抗沖擊能力要求最高、試驗考核最為嚴酷的船用設(shè)備。為了保證空壓機組具有足夠的抗沖擊能力，必須對機組的零部件特別是運動件[9]進行抗性沖擊能力設(shè)計和考核。本文CZS 高壓空壓機組系統(tǒng)總質(zhì)量小于5 t，對于設(shè)備質(zhì)量小于5 t的隔離系統(tǒng)，《某型船抗沖擊要求》規(guī)定采用表2 所給參數(shù)對隔離系統(tǒng)抗沖擊譜值進行模擬。按《某型船抗沖擊要求》將表2的隔離系統(tǒng)抗沖擊譜值轉(zhuǎn)換為等效的時域加速度曲線，垂向和橫向（縱向）加速度曲線分別如圖2所示[10]。

表2 抗沖擊譜值Tab.2 Shock spectrum value

圖2 空壓機組沖擊環(huán)境Fig.2 Environmental shock of air compressor unit

2.2 抗沖擊能力計算

以圖2 加速度曲線作為有限元模型圖1的沖擊激勵，可計算出隔振系統(tǒng)受沖擊激勵后的計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 隔離系統(tǒng)沖擊計算結(jié)果Fig.3 The calculation result of air compressor unit about anti-shock

在垂向沖擊環(huán)境情況下，對空壓機組（包含雙層隔振裝置）進行抗沖擊性能計算，垂向沖擊響應(yīng)最大值如表3 所示。

表3 垂向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.3 The response value of vertical shock

在橫向沖擊環(huán)境情況下，對空壓機組（包含雙層隔振裝置）進行抗沖擊性能計算，橫向沖擊響應(yīng)最大值如表4 所示。

表4 橫向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.4 The response value of transverse shock

在縱向沖擊環(huán)境情況下，對空壓機組（包含雙層隔振裝置）進行抗沖擊性能計算，縱向沖擊響應(yīng)最大值如表5 所示。

表5 縱向沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.5 The response value of axial shock

機組受沖擊后殘余加速度與機組所能承受沖擊載荷比較如表6 所示。

表6 機組受沖擊后殘余加速度與機組所能承受沖擊載荷比較Tab.6 The comparison of residual acceleration and shock load of unit after impact

從表6 可以看出：

1）通過雙層隔振裝置的安裝，在給定的沖擊環(huán)境下，空壓機組3 個方向的最大殘余加速度均小于機組所能安全承受的沖擊加速度，滿足給定的空壓機組的抗沖擊要求；

2）要求空壓機組與外部的聯(lián)接應(yīng)有撓性，空壓機組外接管路的補償能力應(yīng)分別滿足垂向不小于45 mm、橫向不小于32 mm、縱向不小于32 mm的要求。

3 試驗結(jié)果

由于在我國現(xiàn)有的抗沖擊試驗臺中，不能完全滿足CZS 型船用高壓空壓機組（帶抗沖擊裝置）的實際現(xiàn)場安裝條件，所以本試驗只對不帶抗沖擊裝置的高壓空壓機組進行沖擊試驗。按照GJB150.18-86 要求，進行沖擊考核的樣機應(yīng)按水平安裝和30°傾斜安裝2 種方式進行沖擊試驗，試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 CZS 空壓機沖擊試驗前后的基本性能檢驗記錄Tab.7 The performance of air compressor before and after shock test

試驗結(jié)果證明：該機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，抗沖擊能力滿足GJB150.18-86 規(guī)定要求。

4 結(jié)語

1）該空壓機主機（特別是運動件）結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，附件連接可靠，滿足船用要求。

2）機組采用雙層抗沖擊隔振裝置，可以使機組的抗沖擊能力大大提高。該裝置采用上下層不同緩沖隔振元件，該結(jié)構(gòu)屬國內(nèi)船用空壓機組首創(chuàng)。

3）采用該抗沖擊隔振裝置既可以使空壓機組的各振動指標(biāo)滿足規(guī)定要求，同時也能滿足抗沖擊《頂層設(shè)計要求》。

4）將空壓機和抗沖擊隔振裝置作為一個隔離系統(tǒng)研究，建立有限元計算模型對系統(tǒng)進行抗沖擊計算考核的方法是正確的，計算數(shù)據(jù)是可靠的，可以作為其他艦船設(shè)備（尤其噸位大或無法在實驗室模擬實際使用情況考核的設(shè)備）抗沖擊能力考核的參考。

5）試驗和設(shè)備長期使用情況都證明了該機的抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的，可以作為其他船舶設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考。