常致

(江蘇省交通運(yùn)輸廳航道局，江蘇南京210004)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，以人為本的思想深入人心，對(duì)船艇的工作環(huán)境也提出了較高要求。由于船艇主機(jī)都是選用的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，本身存在著引發(fā)振動(dòng)的激振力源，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)選用了進(jìn)口船用柴油機(jī)，振動(dòng)、噪音較小，但是其振動(dòng)是不可避免的。內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)不僅使機(jī)器自身的可靠性和壽命下降，而且噪聲污染也很嚴(yán)重。本船采用被動(dòng)隔振系統(tǒng)，通過彈性支座等減振系統(tǒng)，將柴油機(jī)的振動(dòng)源振動(dòng)進(jìn)行減振，確保船艇的噪音和振動(dòng)滿足船艇電子設(shè)備及人員辦公對(duì)環(huán)境的舒適要求。

1 柴油機(jī)主推進(jìn)系統(tǒng)裝置

27 m航政艇主要用于接待上級(jí)部門視察航道等工作，船上布置了大量的電子設(shè)備，對(duì)艙內(nèi)環(huán)境的振動(dòng)和噪音提出了較高的要求。本船軸系由柴油機(jī)、齒輪箱、推力聯(lián)軸器、艉軸和螺旋槳等主要部件組成，將柴油機(jī)與齒輪箱罩殼聯(lián)體安裝，在齒輪箱輸出軸和艉軸之間采用S-63-6-S推力聯(lián)軸器連接。該聯(lián)軸器可以承受較大的軸向推力和拉力，同時(shí)可以補(bǔ)償角度位移及徑向位移，中間沒有金屬部件直接接觸，具有優(yōu)異的隔振性能。

為了減少船舶的振動(dòng)和噪聲，對(duì)柴油機(jī)和齒輪箱進(jìn)行整體隔振，圖1為該船柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的示意圖。其主要部件的參數(shù)如下:

2 柴油機(jī)主推進(jìn)系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)

柴油機(jī)隔振系統(tǒng)固有頻率的選擇應(yīng)保證在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生強(qiáng)烈共振。從隔振原理出發(fā)，最低的營運(yùn)轉(zhuǎn)速應(yīng)落在隔振區(qū)域內(nèi)，即怠速時(shí)的擾動(dòng)頻率應(yīng)大于系統(tǒng)固有頻率的倍。該船舶柴油機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍大(750～1 900 r/min)，主推進(jìn)軸系中沒有推力軸承，而是帶了1個(gè)型號(hào)為S-63-6-S可承受推力的高彈聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器起到隔離扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和補(bǔ)償加工與安裝誤差引起的軸系不對(duì)中作用。

螺旋槳推力通過常規(guī)軸系傳遞到高彈聯(lián)軸器，然后通過高彈聯(lián)軸器再傳遞到柴油機(jī)和齒輪箱隔振系統(tǒng)，最后通過隔振器傳遞到船體。為了使隔振器產(chǎn)生良好的隔振效果，就必須使隔振系統(tǒng)的頻率盡可能低，即隔振器的剛度要小。但是，為了使螺旋槳推力能夠傳遞到船體，不影響柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又要求隔振器具有較高的剛度。

根據(jù)分析，初步確定采用半彈性支承(Semi-resilientmounting)的設(shè)計(jì)方案，以使一些危險(xiǎn)的共振點(diǎn)移到工作轉(zhuǎn)速上去。對(duì)主機(jī)組采用4點(diǎn)支承的整體隔振系統(tǒng)，在柴油機(jī)前端安裝2個(gè)彈性支承，在齒輪箱后端安裝2個(gè)彈性支承。柴油機(jī)采用濕式排氣，以減少柴油機(jī)振動(dòng)對(duì)船體的影響。彈性支座為橫向剛度大，垂向可大變形，安裝高度可調(diào)節(jié)的WVIS-ME隔振器，其示意圖如圖2所示。該彈性支座有利于設(shè)備的穩(wěn)定性，帶防油裝置，彈性支座橡膠層的內(nèi)外壁面均用一層鋼絲網(wǎng)包圍后，安裝在圓柱形鋼殼內(nèi)。彈性橡膠層與圓柱形鋼殼在垂直方向和水平方向有一定的間隙，以限制彈性橡膠層過大的變形，這有利于提高隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伏爾康彈性支座的不同橡膠硬度的參數(shù)見表1。本文的主要任務(wù)是在不改變原來隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的基礎(chǔ)上，對(duì)不同橡膠硬度隔振器的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，最終確定彈性支座的橡膠硬度。

圖1 柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的示意圖

圖2 WVIS-ME隔振器的示意圖

表1 不同橡膠硬度的隔振器參數(shù)

3 隔振系統(tǒng)的固有頻率

為了計(jì)算柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的固有頻率，在大型有限元計(jì)算軟件ANSYS中，建立了隔振系統(tǒng)的有限元模型。對(duì)柴油機(jī)和齒輪箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，根據(jù)其形狀尺寸、質(zhì)量和重心位置，分別簡化為形狀相似的幾何實(shí)體，采用Solid進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在每個(gè)隔振器支承位置，采用3個(gè)Spring單元，分別模擬不同方向的剛度，將隔振器另1個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有自由度約束。在推力聯(lián)軸器位置也采用1個(gè)Spring單元，用于模擬推力聯(lián)軸器軸向的剛度，同時(shí)將隔振器另1個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有自由度約束。圖3為建立的有限元模型，一共有1 293個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 618個(gè)單元。對(duì)于不同橡膠硬度的隔振器，柴油機(jī)隔振系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的有限元模型

為了驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在柴油機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用橡膠錘在不同方向敲擊柴油機(jī)機(jī)體，并在柴油機(jī)機(jī)角安裝加速度傳感器，以得到敲擊方向的加速度響應(yīng)。通過不同方向的敲擊試驗(yàn)，可以得到柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)橡膠硬度為60時(shí)，固有頻率的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。

表2 柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的固有頻率 Hz

表3 柴油機(jī)隔振系統(tǒng)的固有頻率對(duì)比

4 隔振系統(tǒng)的振動(dòng)特性試驗(yàn)

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用B＆K4384加速度傳感器同時(shí)測試隔振器上、下的加速度信號(hào)，經(jīng)過B＆K2635電荷放大器放大后，再用DP信號(hào)采集系統(tǒng)采集振動(dòng)信號(hào)，通過頻譜分析后，得到隔振系統(tǒng)的振動(dòng)水平。試驗(yàn)時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)隔振系統(tǒng)4個(gè)隔振器位置進(jìn)行測試，通過取隔振器上下的振動(dòng)平均值后得到隔振效果。

當(dāng)橡膠硬度為60時(shí)，圖4為不同頻率下隔振系統(tǒng)的隔振量。在60 Hz附近，隔振系統(tǒng)沒有隔振效果，這主要是由于柴油機(jī)激勵(lì)與隔振系統(tǒng)的橫搖、縱搖固有頻率發(fā)生共振所引起的。在50 Hz以下低頻和80 Hz以上的高頻處，隔振系統(tǒng)均具有良好的隔振效果，總隔振量達(dá)到15 dB左右。

圖4 不同頻率下隔振系統(tǒng)的隔振量

測試結(jié)果表明，在齒輪箱脫排(軸系不運(yùn)轉(zhuǎn))時(shí)，柴油機(jī)的振動(dòng)比合排(軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn))時(shí)要高2～3 dB，這說明盡管安裝了推力聯(lián)軸器和萬向軸，但是柴油機(jī)和軸系之間振動(dòng)的相互作用是在所難免的。

在柴油機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分別測試了轉(zhuǎn)速為750、1 000、1 200、1 500、1 900 r/min的振動(dòng)。圖5為柴油機(jī)自身的振動(dòng)加速度測試結(jié)果對(duì)比。由圖可見，轉(zhuǎn)速越高，柴油機(jī)的振動(dòng)越大;轉(zhuǎn)速增加1倍，柴油機(jī)的振動(dòng)增加5 dB左右。對(duì)于橡膠硬度分別為45、50和60的伏爾康彈性支座，在不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)振動(dòng)加速度的平均值分別為132.95、134.28、133.46 dB，三者之間基本一致。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的振動(dòng)加速度對(duì)比

圖6為不同橡膠硬度隔振器的隔振量測試結(jié)果對(duì)比。對(duì)于橡膠硬度分別為45、50和60的隔振器，在不同轉(zhuǎn)速下，隔振效果的平均值分別為11.39、13.50、14.92 dB。由此可見，選用橡膠硬度為60的WVIS-MD彈性支座為最佳隔振方案。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的隔振量對(duì)比

5 結(jié)論

對(duì)于中小型船舶主推進(jìn)柴油機(jī)的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以將柴油機(jī)和齒輪箱連接為一體進(jìn)行隔振，但軸系中必須安裝萬向聯(lián)軸器和推力聯(lián)軸器，以減少螺旋槳推力對(duì)柴油機(jī)的激勵(lì)，以及柴油機(jī)的振動(dòng)通過軸系傳遞到船體。試驗(yàn)表明，柴油機(jī)和軸系之間振動(dòng)的相互作用會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的振動(dòng)增加2～3 dB。

對(duì)于主推進(jìn)柴油機(jī)的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，難以做到在所有穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避開柴油機(jī)的主要激勵(lì)源，此時(shí)可以采用半彈性支承的設(shè)計(jì)方案?？紤]到橡膠彈性支座具有一定的阻尼，即使在共振轉(zhuǎn)速，振動(dòng)會(huì)由于阻尼的原因而得到一定程度的抑制。

試驗(yàn)結(jié)果表明，選用橡膠硬度為60的WVISMD隔振器為最佳隔振方案。本船型建造了5艘，經(jīng)實(shí)船測試，上層駕駛室、貴賓室區(qū)域噪音在70 dB以下，機(jī)艙在110 dB以下，各種電子設(shè)備運(yùn)行正常，完全滿足接待的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。