隔振器不同安装工艺对浮筏声学性能的影响
2014-12-05徐建龙徐北平
许 锐，徐建龙，郭 宁，徐北平
(武昌造船厂集团有限公司，湖北 武汉430060)
0 引 言
机械噪声是舰船航行时的主要噪声源之一，控制机械噪声已成为当前提高舰船声隐身性能的首要任务。目前，主要采用低噪声设备和采取隔振措施降低舰船机械噪声［1］，其中，隔振措施主要利用单层、双层或浮筏隔振装置，舰船隐蔽航行工况下需开启的设备一般都采用了双层及浮筏隔振装置［2-3］。隔振器是隔振装置的主要组成元器件，可以阻碍激励力向隔振器下端传递，从而达到降低振动能量向船体结构传递的目的。
隔振器的声学性能不仅与设计有关，而且与建造工艺和建造质量有密切的关系，其安装质量的好坏直接影响隔振设计指标的实现，因此，隔振器安装工艺研究是目前舰船建造中急需开展的工作。本文通过对不同平面度和厚度垫板以及螺栓紧固力矩工艺安装下组件的阻抗测试，将其应用于浮筏仿真模型，通过仿真分析，确定3 种安装工艺要素的参数控制范围。
1 不同安装工艺下隔振器和垫板组件机械阻抗测试分析
本次试验针对JCG-2500B 隔振器横向对称布置状态，在100%(2.5 t)载荷下，对不同厚度、不同平面度和不同螺栓紧固力矩时的X 向(横向)与Z 向(轴向)隔振器正、反置的机械阻抗进行试验测量［4-5］。
依据四端参数法可知，对于隔振器组件，当其在某一坐标方向受到单向振动时，其两端的动态力与振动速度的关系如下:
式中:F1和F2为1 结点与2 结点的动态力;v1和v2为1 结点与2 结点的振动速度;Z11和Z22与Z12和Z21分别为隔振器组件的原点与跨点机械阻抗。
各阻抗均为复数值，因此，由式(1)可得
按照互易性原则，则有Z12=Z21;对于对称的柔性元件，则有Z12=Z21和Z11=Z22。考虑到试验对象的不对称性，即正置和反置的机械阻抗不同，因此，测量时两向的机械阻抗均需测试。另外，考虑到实际情况下，隔振器不仅会受到Z 向的激励，同时还受到X 向的剪力，因此，需要对Z 向和X 向的传递阻抗均做相关的测试分析工作。
为了计算隔振器的阻抗，需要隔振器输出端的振动被堵塞，从而使阻抗式中的输出端速度为0，试验时在一个大质量的阻抗平台上进行测试。试验温度在7℃～14℃之间，其测试结果以5 ～1 000 Hz 线谱形式给出。试验时，为从统计规律比较不同安装工艺状态下隔振器机械阻抗的变化，每个安装工艺状态测量了多个样本，对相同样本的试验结果进行了算术平均。具体的测试安装图如图1 ～图4所示。
图1 JCG-2500B 隔振器机械阻抗X 向正置测试图Fig.1 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction
图2 JCG-2500B 隔振器机械阻抗X 向反置测试图Fig.2 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction
图3 JCG-2500B 隔振器机械阻抗Z 向正置测试图Fig.3 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction
图4 JCG-2500B 隔振器机械阻抗Z 向反置测试图Fig.4 JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction
1.1 隔振器和不同平面度垫板组件机械阻抗测试分析
保持垫板厚度(35 mm)和螺栓紧固力矩(385 N·m)不变，改变隔振器垫板的平面度，通过测试组件X 向和Z 向隔振器的正、反置输入与传递机械阻抗，并对其测试结果进行分析，明确其隔振器垫板不同平面度对隔振器和垫板组件机械阻抗的影响程度。
图5 ～图8 分别为隔振器不同垫板平面度下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置传递机械阻抗以及Z 向的正、反置传递机械阻抗的平均结果。
图5 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同平面度传递阻抗比较Fig.5 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction
图6 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同平面度传递阻抗比较Fig.6 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction
图7 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同平面度传递阻抗比较Fig.7 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction
图8 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同平面度传递阻抗比较Fig.8 Different planeness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction
对比图5和图6 可以发现，不同平面度垫板对JCG-2500B 隔振器X 向的两端的传递阻抗在700 Hz以上时谷值发生偏移，同时在谷值频率处，0.2 mm平面度对应的传递阻抗值偏小;此外，隔振器在X向反置时的传递抗值相对于正置时的传递阻抗值有所降低。由此可以说明，隔振器在Z 向安装时，当顶部受到剪切力时，其隔振效果要优于底部受到剪切力时的情况。对比图7和图8 可知，Z 向安装时，无论正置还是反置均对传递阻抗的影响较小。
1.2 JCG-2500B 型隔振器和不同厚度垫板组件机械阻抗测试分析
在保持垫板平面度(0.05 mm)和螺栓紧固力矩(385 N·m)不变的情况下，通过改变隔振器垫板的厚度，测试组件X 向和Z 向隔振器的正、反置输入与传递机械阻抗，并对测试结果进行分析，明确隔振器垫板不同厚度对隔振器和垫板组件机械阻抗的影响程度。图9 ～图12 分别为不同垫板厚度下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置传递机械阻抗以及Z 向的正、反置传递机械阻抗的平均结果。
图9 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同垫板厚度传递阻抗比较Fig.9 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction
图10 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同垫板厚度传递阻抗比较Fig.10 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction
图11 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同垫板厚度传递阻抗比较Fig.11 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction
图12 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同垫板厚度传递阻抗比较Fig.12 Different thickness of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction
从图9 ～图12 中可以看出，垫板厚度对JCG-2500B 隔振器X 向、Z 向的传递阻抗在700 Hz 以上时谷值发生偏移，同时谷值发生变化。但X 向的离散程度明显高于Z 向。
1.3 隔振器和垫板组件的不同螺栓紧固力矩机械阻抗测试分析
为了分析隔振器垫板不同螺栓紧固力矩对隔振器和垫板组件机械阻抗的影响，在试验过程中，测量Z 向机械阻抗时选用同一块垫板，测量X 向机械阻抗时选用同样2 块垫板，保持垫板平面度(0.03 mm)和垫板厚度(35 mm)不变，仅改变螺栓紧固力矩。
图13 ～图16 分别为不同螺栓紧固力矩下JCG-2500B 隔振器X 向的正、反置传递机械阻抗以及Z向的正、反置传递机械阻抗的平均结果。
图13 JCG-2500B 隔振器X 向正置不同螺栓力矩传递阻抗比较Fig.13 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-forward direction
图14 JCG-2500B 隔振器X 向反置不同螺栓力矩传递阻抗比较Fig.14 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with X-opposite direction
图15 JCG-2500B 隔振器Z 向正置不同螺栓力矩传递阻抗比较Fig.15 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-forward direction
从图13 ～图16 可看出，在所选取的几组螺栓紧固力矩下，JCG-2500B 隔振器X 向、Z 向的传递阻抗比较稳定，螺栓紧固力矩对隔振器和垫板组件机械阻抗的影响较小。
图16 JCG-2500B 隔振器Z 向反置不同螺栓力矩传递阻抗比较Fig.16 Different tightening of JCG-2500B vibration isolator′s transfer impedance with Z-opposite direction
2 不同工艺状态机械阻抗仿真计算分析
为了分析不同工艺状态机械阻抗对振动传递功率流和隔振效果的影响规律，建立了如图17所示的筏架及刚性连接附件的有限元仿真计算模型。利用不同工艺状态机械阻抗和浮筏基座阻抗测量数据，对给定机器质心处的Z 方向上施加一个单位激励力，模拟单台设备及组合工况开启状态，计算振动传递功率流，用振级形式(即dB)评估不同工艺状态机械阻抗对振动传递功率流和隔振效果的影响规律［6-10］。
图17 筏架及刚性连接附件的有限元模型Fig.17 FEM model of floating raft and the rigidity attachment
2.1 隔振器和不同平面度垫板组件的各种机械阻抗仿真计算分析
1)设备1 单机开启工况
表1 给出了设备1 单机开启工况各种参数的比较。
表1 设备1 开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.1 Comparison of various parameters after run the machine 1(power flow level/dB)
从表1 中的数据可看出，设备1 单机开启时，对功率流传递有影响，基础输出功率流总级随平面度的增大而减小。因此，在设备1 单机开启情况下，垫板的平面度应加工成0.15 ～0.2 mm。
2)设备2 单机开启工况
表2 给出了设备2 单机开启工况各种参数的比较。
表2 设备2 单机开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.2 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)
从表2 可看出，设备2 单机开启时，不同平面度对系统传递功率流都有影响，基础输出功率流总级随平面度的增大而增大。因此，在设备2 单机开启情况下，垫板的平面度应加工成0.05 ～0.1 mm。
总体来说，浮筏下层隔振器垫板平面度对浮筏传递功率流影响不大，虽平面度对浮筏上设备1和设备2 分别单独开启的浮筏传递功率流总级有2 ～4 dB 左右的影响，但平面度对2 台设备单独开启的浮筏传递功率流的影响结论不同，在设备1 单机开启情况下，垫板的平面度应加工成0.15 ～0.20 mm;在设备2 单机开启情况下，垫板的平面度应加工成0.05 ～0.1 mm。综合考虑到设备1和设备2 都是浮筏上2 台重要设备，需要经常开启，垫板平面度控制在0.05 ～0.20 mm 以内都可。
2.2 隔振器和不同厚度垫板组件的各种机械阻抗仿真计算分析
1)设备1 单机开启工况
表3 给出了设备1 单机开启工况各种参数的比较。
表3 设备1 单机开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.3 Comparison of various parameters after run the machine 1(power flow level/dB)
从表3 可看出，设备1 单机开启时，不同厚度对功率流传递影响较小，可以忽略不计。
2)设备2 单机开启工况
表4 给出了设备2 单机开启工况各种参数的比较。
表4 设备2 单机开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.4 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)
从表4 可看出，设备2 单机开启时，不同厚度对功率流传递影响较大，但厚度对传递功率的影响无规律，其中，厚度为8 mm 时，传递功率流总级落差达最大。
总体来说，浮筏下层隔振器垫板厚度对浮筏传递功率流影响不大，但对设备2 有较大影响，从平面度加工精度控制方面考虑，垫板厚度应控制在35 mm 较合适。
3.3 隔振器和垫板组件的不同螺栓紧固力矩的各种机械阻抗仿真计算分析
1)设备1 单机开启工况
表5 给出了设备2 单机开启工况各种参数的比较。
表5 设备1 单机开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.5 Comparison of various parameters after run the machine(power flow level/dB)
从表5 可看出，设备1 单机开启时，不同螺栓紧固力矩对功率流传递影响较小，可以忽略不计。
2)设备2 单机开启工况
表6 给出了设备2 单机开启工况各种参数的比较。
表6 设备2 单机开启工况各种参数的比较(功率流总级/dB)Tab.6 Comparison of various parameters after run the machine 2(power flow level/dB)
从表6 中的数据可看出，设备2 单机开启时，不同螺栓紧固力矩对功率流传递影响较小，可以忽略不计。
总体来讲，浮筏下层隔振器螺栓紧固力矩对浮筏传递功率流影响不大，故螺栓紧固力矩控制在320 ～500 N·m 即可。
3 结 语
本文通过机械阻抗测试和浮筏功率流仿真计算，研究了JCG-2500B 型隔振器对垫板平面度、垫板厚度和螺栓紧固力矩对机械阻抗、功率流的影响，经对阻抗测试和仿真计算分析，通过功率流评价了3种工艺效果，可得出如下结论:
1)浮筏下层隔振器的不同安装工艺——垫板平面度、垫板厚度和螺栓紧固力矩在所选取的样本范围内，对浮筏传递功率流影响较小;
2)在浮筏安装过程中，建议垫板平面度加工成0.05 ～0.2 mm，垫板厚度控制在35 mm，螺栓紧固力矩不小于320 N·m。
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