船用主汽輪機組隔振器技術(shù)狀態(tài)評估

2018-06-11 05:45成若義豐少偉丁少春

中國修船 2018年3期

成若義，豐少偉，丁少春

(海軍工程大學(xué)，湖北武漢　430033)

主汽輪機組是船舶動力系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是船舶機械噪聲的主要來源，為了降低輻射噪聲，提高設(shè)備運行的安全性，通常在機組底座采用隔振安裝。本文研究的船用主汽輪機組，為降低振動向船體的傳遞以及外部環(huán)境振動沖擊對機組的影響，采用了單層隔振裝置，錐形隔振器(支撐)和柱形隔振器(止推)為減振抗沖元件。其采用的隔振器為橡膠材料，橡膠作為一種高分子材料不可避免地會逐漸老化，導(dǎo)致橡膠隔振器性能改變、強度降低。橡膠隔振器的使用壽命主要受到溫度、氧化、臭氧、油脂以及載荷的影響，在使用條件下的疲勞和老化直至失效需要幾年時間,實際壽命與使用強度和環(huán)境相關(guān)性很大。[1]

我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定的橡膠隔振器建議使用壽命為10年。但由于主汽輪機組隔振器更換耗費時間長，工程量大，技術(shù)風(fēng)險高，更換成本也高。是否有必要在10年期滿就對隔振器進行更換就成為一個大家普遍關(guān)心的問題。因此，十分有必要開展主汽輪機組的隔振器技術(shù)狀態(tài)評估工作，判斷隔振器能否滿足繼續(xù)使用的要求，進而為隔振器是否進行維修更換提供技術(shù)依據(jù)。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前,國外船級社已開始實施一套船舶狀態(tài)評估程序,對申請船舶狀態(tài)評估的船舶實施狀態(tài)評估檢驗,如德國勞氏船級社,日本船級社等。[2]

國內(nèi)在火電廠、化工廠、航空工業(yè)等領(lǐng)域已有相當(dāng)完整的技術(shù)標準和評價體系,且在狀態(tài)評估理論、評估方法和評估專家系統(tǒng)的研發(fā)等方面都有較為深入的研究。而在船舶設(shè)備與船體狀態(tài)檢測與評定的研究就相對較弱,目前還沒有形成完整評估標準與評估方法。[3]

中國船級社的《鋼制船舶建造規(guī)范》與《船舶入級規(guī)范》對新造船舶船體及機電設(shè)備作了規(guī)定,但對營運中的船舶船體與船舶機電設(shè)備運行狀態(tài)的評價并未制定出指導(dǎo)性文件,并未形成完整的船舶狀態(tài)技術(shù)標準和評價體系。而對于艦船裝備技術(shù)狀態(tài)評估的研究方法，目前主要有D-S證據(jù)理論[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、遺傳算法[6]、支持向量機[7]以及基于指標融合和隱馬爾可夫模型的艦船裝備技術(shù)狀態(tài)評估[8]等方法，這些方法在我國艦艇裝備的維修保障中主要還是處于理論研究階段，真正推廣應(yīng)用的較少。在我國早期的裝備技術(shù)狀態(tài)評估中，大多依靠專家經(jīng)驗對數(shù)據(jù)進行直觀判斷或者直接對裝備進行打分評估，以判斷裝備的技術(shù)狀態(tài)，評估結(jié)果依據(jù)專家的水平高低存在很大的主觀性和隨意性。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，通過對數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)評估裝備技術(shù)狀態(tài)的方法成為研究的熱點。[9]而對于在航艦船橡膠隔振器的技術(shù)狀態(tài)評估，由于當(dāng)前沒有技術(shù)條件對隔振器的技術(shù)參數(shù)進行實時監(jiān)測，也就沒有相應(yīng)的標準和評估體系對使用中的隔振器進行技術(shù)狀態(tài)評估。

2　系統(tǒng)組成

主汽輪機組隔振系統(tǒng)為單層隔振形式，圖1為主機隔振系統(tǒng)示意圖。主機隔振系統(tǒng)主要由主汽輪機組、主減速齒輪裝置、公共底座、錐形隔振器、柱形隔振器、金屬波紋管等組成。

主汽輪機組、主減速齒輪裝置剛性安裝在公共底座上，公共底座通過錐形隔振器和柱形隔振器彈性地安裝在船體基座上。主減速齒輪裝置通過隔音聯(lián)軸器與軸系連接向螺旋槳輸出動力。機組管路采用波紋管等撓性接管與外部管道彈性連接。

圖1　主機隔振系統(tǒng)示意圖

3　隔振器技術(shù)狀態(tài)評估判據(jù)

船用橡膠隔振器是動力機電設(shè)備的彈性支撐，其功能是降低振動和沖擊的傳遞，應(yīng)具有與設(shè)備相匹配的、合適的性能(剛度)；隔振器承受機組的靜態(tài)、動態(tài)和瞬態(tài)載荷，應(yīng)具備足夠的強度。當(dāng)橡膠隔振器的性能(剛度)超出規(guī)定值或強度不足時，不能發(fā)揮應(yīng)有的功能，即認為隔振器失效。

國外和我國標準規(guī)范對橡膠隔振器的技術(shù)要求均有明確的規(guī)定，具體如下。

3.1俄羅斯橡膠隔振器失效判據(jù)

俄羅斯《橡膠隔振器手冊》給出的隔振器失效判據(jù)：①剛度變化達到50%；②靜態(tài)強度比初始狀態(tài)下降達到1/3；③在振動方向上的蠕變達到橡膠層厚度的10%。

3.2我國標準規(guī)范對隔振器的相關(guān)技術(shù)要求

CB 1359—2002《艦船用橡膠隔振器規(guī)范》等標準對隔振器質(zhì)量作了以下明確規(guī)定：①橡膠表面質(zhì)量。橡膠表面應(yīng)光滑，無裂紋、砂眼、氣泡等缺陷；②靜態(tài)特性。靜態(tài)性能偏差范圍應(yīng)不大于±20%；③動態(tài)特性。主承載方向的固有頻率變化范圍應(yīng)不大于15%。[10]

3.3橡膠隔振器技術(shù)狀態(tài)評估判據(jù)

綜合俄羅斯和我國相關(guān)標準規(guī)范的要求，確定橡膠隔振器技術(shù)狀態(tài)評估判據(jù)，當(dāng)隔振器出現(xiàn)以下現(xiàn)象時判定隔振器失效：①橡膠表面出現(xiàn)裂紋；②隔振器靜、動剛度變化達到50%；③靜態(tài)強度比初始狀態(tài)下降達到1/3；④在振動方向上的蠕變達到橡膠層厚度的10%。

如果船舶機組的錐形隔振器和柱形隔振器處于安裝狀態(tài)，不能拆卸進行檢測，不具備上述橡膠隔振器技術(shù)狀態(tài)評估判據(jù)中③和④的條件。那么，已安裝隔振器技術(shù)狀態(tài)評估應(yīng)用的判據(jù)，當(dāng)隔振器出現(xiàn)以下現(xiàn)象時判定隔振器失效：①橡膠表面出現(xiàn)裂紋；②隔振器靜、動剛度變化達到50%。

4　隔振器技術(shù)狀態(tài)評估步驟

4.1對隔振器進行勘驗

1)外觀檢查。采用目視方法或工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查隔振器外觀。由于機艙內(nèi)空間狹小、隔振器布置緊湊，檢查具備檢查條件的隔振器。

2)橡膠硬度檢測。橡膠材料硬度與隔振器剛度相關(guān)，隔振器制造時通過橡膠硬度調(diào)整、控制隔振器剛度值，橡膠硬度增大，剛度增大。因此，隔振器橡膠表面硬度同樣可用來判斷剛度的變化。在不能檢測隔振器剛度時，可以通過硬度檢測評估隔振器的剛度變化。

4.2對隔振器的性能進行評估

對于處于安裝使用狀態(tài)下的隔振器，不能拆卸進行性能檢測。我們采用的評估步驟為：首先，拆卸其他同類型船舶的主汽輪機組隔振器，檢測隔振器的橡膠硬度和剛度；其次，通過分析計算，擬合得到該型隔振器剛度隨硬度變化的關(guān)系；最后，檢測需要進行評估的船舶主汽輪機組隔振器的橡膠硬度，通過擬合得出的關(guān)系式估算隔振器的剛度，再通過對比該型隔振器的計算剛度和設(shè)計剛度來判讀隔振器是否失效。下面我就以某船的實際評估過程進行說明。

比如：A船與B船主汽輪機組都采用了同類型的錐形隔振器，A船的隔振器可以進行拆卸檢測，B船處于在航狀態(tài)，隔振器不能進行拆卸檢測。

1) 檢測A船主汽輪機組隔振器的橡膠硬度和剛度，擬合隔振器橡膠硬度與剛度的關(guān)系。通過A船錐形隔振器橡膠硬度測量和剛度檢測數(shù)據(jù)可以擬合得到二者之間的關(guān)系(見圖2、圖3)及擬合參數(shù)(見表1、表2)，通過分析研究關(guān)系變化規(guī)律，得到錐形隔振器靜、動剛度與橡膠硬度的擬合關(guān)系如公式(1)、(2)。依據(jù)擬合關(guān)系式，對錐形隔振器靜、動剛度進行擬合計算，計算結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)擬合計算值與實測值吻合較好，說明擬合關(guān)系式(1)和(2)能較好地根據(jù)橡膠硬度計算錐形隔振器剛度值。

圖2　靜剛度隨硬度的變化關(guān)系

圖3　動剛度隨硬度的變化關(guān)系

①靜剛度與橡膠硬度的擬合關(guān)系式：

KS=A+B1HA+B2(HA)2，

(1)

式中：HA為橡膠邵氏硬度，°;A、B1、B2為擬合參數(shù)；KS為靜剛度，kN/mm。

②動剛度與橡膠硬度的擬合關(guān)系式：

KD=A+B1HA+B2(HA)2，

(2)

式中：HA為橡膠邵氏硬度，°；A、B1、B2為擬合參數(shù)；KD為動剛度，kN/mm。

表1　錐形隔振器靜剛度與硬度關(guān)系的擬合參數(shù)值

表2　錐形隔振器動剛度與硬度關(guān)系的擬合參數(shù)值

2) 測量B船錐形隔振器橡膠硬度值，按公式(1)和公式(2)計算得到各隔振器靜、動剛度計算值見表4、表5，其中靜剛度或動剛度變化超過50%(相對設(shè)計值)的隔振器，根據(jù)本文章節(jié)3中給出的橡膠隔振器技術(shù)判據(jù)，判定該部分隔振器失效。

5　結(jié)束語

本文通過建立主汽輪機組錐形隔振器技術(shù)狀態(tài)評估判據(jù)，制定隔振器狀態(tài)評估步驟及評估方法，對實船安裝的隔振器進行性能檢測，檢測結(jié)果對照評估判據(jù)，完成對隔振器技術(shù)狀態(tài)的評估。該方法已在實船進行應(yīng)用，對于判斷在航船舶主汽輪機組隔振器的技術(shù)狀態(tài)，進而開展維修決策具有較大的實用價值。