筏架和基座特性对浮筏隔振效果的影响

苏常伟，朱海潮，毛荣富

(1.海军工程大学 振动与噪声研究所，湖北 武汉 430033；2.海军工程大学 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430033)

筏架和基座特性对浮筏隔振效果的影响

苏常伟1,2，朱海潮1,2，毛荣富1,2

(1.海军工程大学 振动与噪声研究所，湖北 武汉 430033；2.海军工程大学 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430033)

从浮筏隔振系统中各子系统的广义四端参数矩阵入手，推导振级落差的计算方法。在此基础上，以某型发电机组浮筏隔振装置及其船体基座为研究对象，进行数值仿真，探讨筏架与基座对隔振效果的影响。结果表明，基座结构会对隔振效果产生较大的影响，而筏架结构对隔振效果的影响较小。

浮筏；隔振效果；振级落差；基座

0 引 言

浮筏隔振技术是控制机械设备振动向船体传递的有效手段，因其良好的隔振效果而受到极大关注[1]，并已获得广泛应用。目前浮筏技术的研究主要集中在如何提高其隔振效果、浮筏隔振系统的规范设计、隔振效果的计算与评估等方面。张华良等[2]从隔振传递率的角度研究了筏架质量、刚度和机构阻尼对整个系统隔振性能的影响；江国和等[3]以系统固有频率和筏架振动响应为依据，研究隔振器刚度和筏架质量对隔振性能的影响；张冰等[4]推导了一种用于浮筏隔振系统传递功率流计算的新方法，计算分析了筏架安装和机组振幅比对隔振效果的影响。

另一方面，国内设计的浮筏隔振装置多次出现陆上联调试验效果较好，而实船效果较差的情况。产生上述现象的一个原因可能是被隔振机组与船体结构间因为管路、电缆而引起的所谓声传递第2通道[5]，此问题可通过管路系统的柔性连接和弹性支撑等方法解决；另一个原因可能是船体安装基座的影响，陆上联调时，基座阻抗很大，而实船基座的阻抗较小。那么，在质量有限的条件下，如何设计船体基座，提高浮筏隔振系统的效果,有关研究尚不多见。本文以某型发电机组浮筏隔振装置及其船体基座为研究对象，利用广义四端参数法，探讨了筏架参数和船体基座参数对隔振效果的影响，得到了有益的结论。

1 浮筏隔振系统

1.1 动力学模型

浮筏隔振系统的动力学模型如图1所示，由振源(机器)系统、上下层隔振器系统、中间筏架结构系统和基座结构系统5个子系统组成。在该系统中,机组由于刚性较好,一般可视作为刚体,筏架与基座的结构相对机组而言较为单薄,应视为弹性体。

图1 浮筏隔振装置的动力学模型Fig.1 The mechanical model of raft vibration isolation system

系统状态空间S可表示为：S={Fe,Vo;F1,V1;F2,V2;F3,V3;F4,V4}。

(1)

式中：Fe为激励向量,Vo为机器质心处速度响应向量；F1,V1为上层隔振器的输入端力向量和速度响应向量；F2,V2为上层隔振器的输出端力向量和速度响应向量；F3,V3为下层隔振器的输入端力向量和速度响应向量；F4,V4为下层隔振器的输出端力向量和速度响应向量。

1.2 系统分析

对图1中浮筏隔振装置利用广义四端参数法可得：

(2)

V4=EF4。

(3)

1.3 振级落差LD

目前，通常采用振级落差来评定各种实际系统的隔振效果。这里选用速度振级落差，则有

(4)

式中：V1i为机器与上层隔振器联结界面上第i个联结节点处的速度响应；V4j为下层隔振器与基座联结界面上第j个联结节点处的速度响应；m为上层隔振器数目；n为下层隔振器数目。

联合式(2)～式(4)，即可求解振级落差。

2 数值仿真

2.1 模型建立与验证

为探讨筏架与基座特性对隔振效果的具体影响，本文以某型发电机组浮筏隔振装置及其基座为对象进行分析研究。该装置主要参数如下：2台发电机组型号相同(质量mo=4 366 kg，转速1 500 r/min)；筏架为板架焊接结构，质量M=2 280 kg，尺寸2 800 mm×2 800 mm×250 mm；每台机组通过8只固有频率6 Hz、额定承载能力600 kg的橡胶隔振器平置安装在筏架上；下层隔振器为8只固有频率4.5 Hz、承载能力1 400 kg的气囊隔振器，也为平置安装；基座为由面板、腹板和肘板构成的焊接结构。建立该浮筏隔振装置的有限元模型，如图2所示，以获得矩阵A，C，E等相关参数。

为了验证有限元模型的准确性，首先对浮筏筏架进行了模态测试，并将模态测试结果与有限元分析结果进行对比，具体模态频率的对比如表1所示。从表1中数据可以看到，模态测试结果与有限元模型计算得到的结果较为接近，模态频率的误差最大也只在6%左右，考虑到筏架加工和测试误差等因素，上述误差在正常的偏差范围之内。以上分析证明了有限元模型的准确性，因而所建立的有限元模型可以用于隔振系统的响应分析。

图2 某型发电机组浮筏隔振装置的有限元模型

Fig.2 The finite element model of the generator and raft system

表1 有限元分析与模态测试的模态频率对比

2.2 筏架与基座对隔振效果的影响

2.2.1 筏架设计对隔振效果的影响

筏架设计参数分为刚体影响参数和弹性影响参数。

刚体影响参数包括质量与3个方向的转动惯量。众所周知，增加筏架质量可以提高隔振效果，但由于增加质量会导致系统过于笨重而使其应用价值降低，一般不采用此方法提高隔振效果。因此，下面只对转动惯量的影响进行研究。分别将筏架的横向、纵向、垂向转动惯量取其初值的0.5～1.5倍，根据式(4)，3种情况下的振级落差曲线和总振级落差如图3～图4所示。由图3可见，改变筏架横向转动惯量对振级落差的影响并不明显。由图4可见，增大筏架纵向转动惯量总体能使振级落差略为增大，当取值从0.5倍变化至1.5倍时，总振级落差的变化范围始终在3 dB以内。由图5可见，增大筏架垂向转动惯量对振级落差的影响不明显。

图3 横向转动惯量对振级落差的影响Fig.3 Effect of transverse moment of inertia on vibration level difference

图4 纵向转动惯量对振级落差的影响Fig.4 Effect of fore-and-aft moment of inertia on vibration level difference

图5 垂向转动惯量对振级落差的影响Fig.5 Effect of vertical moment of inertia on vibration level difference

弹性影响参数的影响可以用筏架的首阶弹性模态频率的影响进行探讨。将筏架的首阶弹性模态频率取其初值的1～10倍，根据式(4)可得，振级落差曲线和总振级落差如图6所示。图6表明，增大筏架的首阶弹性模态频率对振级落差的影响不大，首阶弹性模态频率增大到原来10倍时，总振级落差的变化范围小于0.2 dB。分析可知，该隔振装置中筏架的首阶模态频率值为38.3 Hz，相对于机组主要激励频率25 Hz(1 500 r/min)来说，其弹性影响不大，可以看成刚体浮筏。因此，对于此装置，从改善隔振效果角度来看，没有必要一味提高其刚度。

图6 筏架的弹性模态频率对振级落差的影响Fig.6 Effect of the elastic modal frequency of raft on vibration level difference

2.2.2 基座设计对隔振效果的影响

尽管已有学者开展了基座对隔振系统的隔振效果影响的研究，但在浮筏隔振装置的设计中，尚未将基座纳入进行一体化设计。基座结构的影响主要体现在基础的刚性/导纳对隔振效果的影响。下面以基座的首阶弹性模态频率的影响进行探讨。将基础的首阶弹性模态频率取其初值的1～10倍，根据式(4)可得，振级落差曲线和总振级落差如图7所示。

图7 基础的弹性模态频率对振级落差的影响Fig.7 Effect of the elastic modal frequency of base on vibration level difference

由图7可见，增大基座的弹性模态频率对振级落差的影响非常明显，增大基座的弹性模态频率可以显著提高总振级落差。因此，为有效地控制动力设备的振动与结构噪声的传递，应在设计阶段充分考虑浮筏基座参数的影响。

3 结 语

本文选取速度振级落差评估隔振效果，利用广义四端参数法推导出了求解振级落差LD的方法，结合某型发电机组浮筏隔振装置及其船体基座，探讨了筏架设计参数和基座设计参数对隔振效果的影响。通过上述研究得到如下结论：

1)对于该型发电机组浮筏隔振装置，在不改变原来筏架质量的前提下，改变筏架在3个方向上的转动惯量或者改变筏架的刚度，对隔振效果的影响较小；

2)改变基座结构会对隔振效果产生较大的影响，提高基座的首阶弹性模态频率可以显著增强隔振效果，因此，浮筏系统的基座设计应受到充分的关注，其重要性并不亚于筏体以及隔振器的设计。

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Influences on isolation effectiveness of a generator set and raft vibration isolation system

SU Chang-wei1,2， ZHU Hai-chao1,2， MAO Rong-fu1,2

(1.Institute of Noise and Vibration, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

An approach is deduced to calculate vibration level difference in accordance with the generalized four-pole parametric matrices of each subsystem in the raft vibration isolation system. With a generator set and raft vibration isolation system and its base as the object of the research, numerical simulations are carried out, and the influences of raft and base on isolation effectiveness are discussed. The results indicate that, the base has a greater influence on isolation effectiveness, but the influence of raft is small.

floating raft; isolation effectiveness; vibration level difference; base

2013-09-09;

2013-10-12

苏常伟(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为振动与噪声控制。

TB53；TB123

A

1672-7649(2014)12-0039-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.008