船用冷却水泵组浮筏隔振装置仿真设计及校核

2017-03-14郭旭张萍张博

科技创新导报 2016年27期

郭旭++张萍++张博

摘要：该文以某船用冷却水泵组为研究对象，以减少其工作时振动噪声为目的进行隔振装置的仿真设计。建立了冷却水泵浮筏隔振装置三维模型，采用ADAMS软件实现了静载、横倾和纵倾作用下隔振装置减振器载荷和变形量的校核，同时模拟了船舶大风浪航行极限横摇和纵摇状态下，并对减振器是否超负荷进行了校核，提出在筏架与船体之间加装限位器。基于ANSYS软件进行了筏架的自由模态仿真计算、系统频响特性及振动分析并进行了校核。结果表明：所设计的隔振装置满足船舶工作要求，隔振系统具有良好的隔振效果。

关键词：冷却水泵浮筏仿真设计校核

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0069-07

The Simulation Design and Proofread of Floating Raft Isolation Device for Marine Cooling Water Pump Group

Guo Xu1 Zhang Ping2 Zhang Bo2*

（1.The Navy Military Agent's Room in Wuhu Area，Wuhu Anhui， 241000 China；2. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Hubei Wuhan， 430033 China）

Abstract：This object of this paper is cooling water pump，to reduce the vibration noise for the purpose of its work，carrying out the simulation design of the vibration isolation device.The three-dimensional model of the floating raft isolation device of the cooling water pump is established.ADMS software is used to check the load and deformation of shock absorber under static load，heel and pitch， and simulates the ships large wind and wave motion limit rolling and pitching state，the shock absorber is overloaded for checking. It is proposed to install a limiter between the raft and the hull. Based on the ANSYS software， the free modal simulation of the raft frame， the system frequency response characteristics and vibration analysis were carried out and checked. The results show that： The designed vibration isolation device meets the requirements of ship working， and the vibration isolation system has good vibration isolation effect.

Key Words：Cooling water pump；Buoyant raft；Simulation design；Proofread

某型冷卻水泵组作为船用设备，其额定转速为2 898 rpm，频率为48.3 Hz，工作时该设备振动较大，产生较大振动噪声，因此需对其设计隔振装置。

该文以提高冷却水泵组传递给浮筏的一级振级落差为目的，在不影响设备正常工作的前提下，采用UG三维造型软件设计了冷却水泵隔振装置三维模型，应用ANSYS软件和ADAMS软件实现下述4项指标的计算及校核。

（1）隔振装置在静态、横倾和纵倾时减振器变形及受力情况。

（2）隔振装置大风浪中极限横摇和极限纵摇时减振器是否超负荷。

（3）隔振系统和筏架的自然频率。

（4）隔振系统的一级振级落差是否满足船用设备使用要求。

通过上述各工况下的仿真计算，指导UG三维造型的修改设计，经过反复校核计算，形成了最终的设计方案。

1 隔振装置简介

冷却水泵隔振装置由3台冷却水泵、中间筏架体、上下层隔振器、限位器、紧固标准件等组成，如图1所示。

图1为冷却水泵浮筏隔振装置三维模型。

水泵组采用浮筏隔振系统，工作中应具有良好的隔振性能，关键在于取得3个方面效果：（1）静载、横倾和纵倾作用之下减振器不能超负荷，且受力均匀；（2）大风浪航行过程中，减振器不能超负荷，与外界连接软管具有足够的挠度；（3）隔振系统能够达到良好的隔振效果，隔振系统和筏架的频率不应被激励。

图2为隔振装置上下层减振器编号顺序，设定船艏方向，下文所提到的横倾指以船艏方向为轴右倾，纵倾指艏倾。

2 隔振系统模型及参数

筏架上层减振器采用BE220型减振器，每个泵4只，静刚度（X、Y、Z）为（275 N/mm，600 N/mm，550 N/mm），动刚度（816N/mm，2268 N/mm，880 N/mm）。下层减振器采用10只6JX-400型减振器，该减振器一般在Z向承载情况下使用，Z向静刚度为285 N/mm，X、Y向静刚度取值570 N/mm，Z向动刚度为1 010 N/mm，X、Y向动刚度取值2 020 N/mm。静态及摇摆分析中使用静刚度，振动分析中使用动刚度。筏架本身质量为771kg。筏架的隔振系统多刚体ADAMS模型如图3所示。

3 仿真计算结果及分析

计算结果涵盖了静态特性（静载、横倾、纵倾）、风浪中的稳定性（摇摆）和振动性能3个方面。

3.1 静态特性

3.1.1 静态变形

以1号泵的4个减振器为例进行分析，如图2所示，BUSHING-1、BUSHING-4为1号泵左侧上层减振器，BUSHING-2、BUSHING-3为1号泵右侧上层减振器。静态变形计算结果如图4，统计如表1所示。由于泵设计的结构原因，重心偏向1号、2号侧上层减振器，3号、4号减振器变形较小，船艏侧比船尾侧变形量小约0.24 mm。

下层减振器的变形情况如图5所示，统计如表2所示，BUSHING-13至BUSHING-17为浮筏架左侧下层减振器，顺序依次从船尾到船艏；BUSHING-18至BUSHING-22为浮筏架右侧下层减振器，顺序依次从船艏到船尾。下层减振器变形船尾最大，船艏最小，最大相差0.4 mm，结果显示，减振器受力及变形在其工作范围内。

3.1.2 横倾（右倾）

利用静态模型，将模型旋转15°，构成横倾模型，同样以1号泵为例，计算结果如图6、图7所示。数据如表3、表4所示。以上变形量减去静态变形量就是横倾斜相对于静态的变形量，计算得到部分上层减振器Z向压缩量和伸长量超过1 mm，部分下层减振器Z向压缩量和伸长量超过3 mm。从结果可知，在舰船横倾时，部分减振器已经超出其的承载范围，必须配置相应的限位器。

3.1.3 纵倾（艏倾）

利用静态模型，将模型旋转15°，构成纵倾模型，以1号泵为例，计算结果如图8、图9所示。计算结果统计与表5、表6中。以上变形量减去静态变形量就是纵倾斜相对于静态的变形量，计算得到部分上层减振器Z向压缩量和伸长量超过1 mm，部分下层减振器Z向压缩量和伸长量超过2 mm。由此可知，在舰船纵倾时，部分减振器已经超出其的承载范围，必须配置相应的限位器。

3.2 风浪中的稳定性校核

3.2.1 横摇特性

考虑横摇45°，海浪周期为3s，设置船舶的位移方程：

disp（time）=0.785 4×sin（2.094 4×time）（1）

仿真计算得到1号水泵上层减振器横摇受力及变形如图10所示。Z方向上，减振器最大变形量12.0 mm，需要依靠减振器的限位功能。下层减振器横摇受力及变形如图11所示。Z方向上，下层减振器最大变形量为327 mm，需要依靠减振器的限位功能。

3.2.2 纵摇特性

考虑纵摇10°，海浪周期为4 s，设置船舶的位移方程：

disp（time）=0.174 5×sin（1.570 75×time）（2）

仿真计算得到1号水泵上层减振器纵摇变形如图12所示。Z方向上，减振器最大变形量6.14 mm，需要依靠减振器的限位功能。下层减振器纵摇受力及变形如图13所示。Z方向上，下层减振器最大变形量为209 mm，需要依靠减振器的限位功能。

3.3 振动分析

3.3.1 筏架的自由模态分析

为了先期了解筏架的固有频率和结构设计中可能存在的薄弱环节，以便及时修改筏架和系统的设计，进行了筏架的自由模态分析。模态分析时筏架处于自由状态，计算了前6阶模态。结果表明筏架本身的自然频率中没有与48.3 Hz相近的成分，筏架不会随泵的激励形成共振，筏架的模态设计合理。筏架3阶振型如图14所示。