船用大功率密度主机隔振的稳定性设计

王小军 张乐

摘 要：本文提出了在倾斜/摇摆条件下舰船隔振系统的简化计算方法，建立了主机隔振系统的有限元分析模型，分析了隔振器固有频率、动/静刚度比、横/垂刚度比等参数对主机稳定性的影响规律，并对主机的初始隔振方案进行了优化设计，得出的结论可为舰船用大功率密度主机隔振系统的设计提供参考。

关键词：主机隔振;稳定性设计;大功率密度

中图分类号：U664.14文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0064-03

Research on Stability Design of Vibration Isolation for Marine High Power Density Main Engine

WANG Xiaojun1ZHANG Le2

（1. Military Representative Bureau of the PLA Naval Equipment Department in Xi'an，Xi'an Shaanxi 710054;2. Military Representative Office in Huludao， Military Representative Bureau of the PLA Navy Equipment Department in Shenyang，Huludao Liaoning 125003）

Abstract： In this paper， a simplified calculation method for the vibration isolation system of the ship under tilt/sway conditions was proposed， the finite element analysis model of the main engine vibration isolation system was established， then， the influence of parameters such as natural frequency， ratio of dynamic stiffness to static stiffness and ratio of lateral stiffness to vertical stiffness of the vibration isolator were analyzed， finally， the initial vibration isolation scheme of the main engine was optimized， the conclusions could be used to provide reference for the design of the high-power density main engine vibration isolation system.

Keywords： main engine vibration isolation;stability design;high power density

随着低噪声舰用动力设备的发展，新型舰用主机将具有功率大、质量轻、转速低等特点[1]。一方面，大功率、低转速导致主机的输出力矩大，另一方面，新型主机朝轻型化发展，会导致低频隔振系统的刚度降低，由此产生了轴系对中的新问题。此外，舰船在恶劣海况下航行时，隔振装置会产生变形，导致主机产生较大变形，使其输出端与推进轴系产生相对位移，影响桨轴系统的安全运行[2]。为避免主机在运行工况下产生此类安全性问题，人们需要在主机隔振系统的设计阶段对其稳定性进行设计与校核[3]，主要是计算分析主机系统在舰船横向/纵向倾斜工况下的位移特性。

本文针对20 MW级大功率密度主机设计了隔振方案，在舰船倾斜/摇摆条件下计算了主机输出端法兰的位移特性，通过分析隔振装置的固有频率、动/静刚度比、横/垂刚度比等参数的影响规律，形成了主机的优化设计方案，该方案能够保证主机的运行安全，满足舰船使用要求。

1 舰船倾斜/摇摆条件下的简化计算方法

舰船在恶劣海况下航行时可能会产生较大的倾斜/摇摆角位移，使原有结构的静态力/动态力平衡受到破坏。通常采取保守方法计算舰船倾斜/摇摆下的位移特性，即取最大的倾斜角度作为系统静态响应的计算输入。根据《舰船总体与管理》（GJB 4000—2000）的相关要求，舰船在水面上航行时，横摇最大限定值为±45°，纵摇最大限定值为±10°。下面以横倾为例，说明舰船倾斜/摇摆条件下的简化计算方法。

如图1（a）所示，舰船横倾时重力加速度以及水线的方向保持不变，仅船体结构的垂向绕船體轴向偏移了角度∠[X′OX]。计算时，可将流体对船体的浮力等效为图1（b）中的形式，即当横倾作用时，假设船体静止不动，重力和水线发生了相应的倾斜，其静力学参数可等效为重力加速度绕船体坐标系[XOY]的分解（[X]轴为船体垂向，[Y]轴为横向，根据右手螺旋法确定的[Z]轴为船体的纵向）。

假设横倾角度∠[X′OX=α]，横倾后的坐标系变为[X′OX]，设[g]为重力加速度，则主机相对于轴线的垂向加速度[aX]和横向加速度[aY]可表示为：

最终，建立主机的稳定性分析模型，将分解后的垂向和横向加速度作为模型输入，对隔振系统的稳定性进行校核。

2 主机隔振系统设计方案

某舰用主机新型主机额定功率为20 MW，重量为60 t，额定转速为180 r/min。由于隔振器安装平面距离主机重心的垂向距离较大，为增强主机隔振系统倾斜/摇摆状态下的稳定性，可采用隔振器斜置的安装方式适当提高隔振器的布置高度。因此，针对某20 MW级主机，设计了采用12个额定载荷为8 t的隔振器斜置支撑的布置方案，斜置角度为30°，如图2所示。

3 隔振系统稳定性分析

初始方案下，隔振器的固有频率为4 Hz，动/静刚度比为2.0，横垂刚度比为3.0。根据隔振器初始参数及其变化范围，设置多组对比方案进行隔振系统的稳定性分析，掌握各参数对主机倾斜/摇摆条件下的影响规律，以此优化隔振方案。

3.1 主机隔振系统有限元分析模型

由于隔振器斜置30°支撑，隔振器共需要承载69.3 t。利用Abaqus软件建立了主机隔振系统的有限元模型，模型中将主机、输出端法兰、隔振器简化为点质量，用Cartesian来描述隔振器的三向刚度，主机与其输出端法兰之间采用MPC Beam刚性连接，用Bushing单元模拟输出端法兰连接的弹性联轴器的刚度（轴向2 kN/mm，径向25 kN/mm），联轴器的许用位移为轴向10 mm、径向8 mm。主机与隔振器之间采用coupling六自由度连续分布式耦合约束，隔振器可根据各自承载状态独立变形。

3.2 舰船横倾条件下主机的位移特性

为简化计算过程，仅计算舰船横倾45°条件下隔振系统的横向位移特性，以主机输出端法兰的位移为指标，分析不同隔振参数对其的影响规律。本文在满足主机输出端弹性联轴器许用位移限制条件的前提下，尽可能使系统的隔振效果最佳，基于该原则设计隔振器的参数。

3.2.1 固有頻率对系统位移特性的影响。在舰船横倾的条件下，隔振装置固有频率的影响主要体现在刚度特性上。隔振器固有频率越高，系统的稳定性越好，隔振效果越差。设计隔振装置固有频率参数时，在满足弹性联轴器许用位移的条件下，应越小越好。如图3所示，笔者分别计算了隔振器固有频率[f]在2～6 Hz范围内联轴器的位移特性。计算结果表明，主机输出端法兰的径向位移随隔振器固有频率的增加而减小，当固有频率超过4 Hz时，法兰的径向位移小于8 mm，满足弹性联轴器的使用要求。

3.2.2 动/静刚度比对系统位移特性的影响。隔振装置的动/静刚度比决定了隔振系统的静刚度，隔振器的静刚度越大，系统的稳定性越好，隔振效果越差。设计隔振装置动/静刚度比参数时，在满足弹性联轴器许用位移的条件下，应越小越好。如图4所示，笔者分别计算了隔振器动/静刚度比[α]在1～3范围内联轴器的位移特性。计算结果表明，主机输出端法兰的径向位移随隔振器动/静刚度比的增加而增加，当隔振器的动/静刚度比小于2时，法兰的径向位移小于8 mm，满足弹性联轴器的使用要求。

3.2.3 横/垂刚度比对系统位移特性的影响。隔振装置的横/垂刚度比决定了隔振系统的横向刚度，横向刚度越大，系统的稳定性越好，隔振效果越差。设计时，在满足弹性联轴器许用位移的条件下，横/垂刚度比越小越好。如图5所示，笔者分别计算了隔振器横/垂刚度比[β]在1～5范围内联轴器的位移特性。计算结果表明，主机输出端法兰的径向位移随隔振器横/垂刚度比的增加而增加，当隔振器的横/垂刚度比小于3时，法兰的径向位移小于8 mm，满足弹性联轴器的使用要求。

3.3 优化结果

在舰船横倾45°条件下，初始方案主机输出端法兰的径向位移是8.1 mm，超过了弹性联轴器的许用位移8.0 mm。根据优化结果，为保证隔振系统具有优良的隔振性能，优化后的系统隔振参数应为固有频率[f]=4 Hz，动/静刚度比[α]=3，横/垂刚度比[β]=2。对于该方案来说，在横倾45°条件下，输出端法兰的径向位移为7.79 mm，满足弹性联轴器的使用要求。

4 结论

本文针对大功率密度主机进行了隔振系统主要参数的设计，提出了在倾斜/摇摆条件下舰船隔振系统的简化计算方法，建立了主机隔振系统的有限元分析模型，分析了隔振器固有频率、动/静刚度比、横/垂刚度比等参数对主机稳定性的影响规律。计算结果表明，主机倾斜条件下的稳定性与隔振器固有频率呈负相关，而与隔振器的动/静刚度比和横/垂刚度比呈正相关。最后对隔振系统的初始设计方案进行了优化，设计方法可为舰船用主机隔振系统的设计提供参考。

参考文献：

[1]兴乾，帅长庚，徐伟.大功率密度舰船推进电机的隔振系统设计[J].海军工程大学学报，2019（1）：31-35.

[2]胡泽超，徐伟，何琳.主机气囊隔振系统抗冲击设计[J].海军工程大学学报，2019（1）：51-56.

[3]何江洋.潜艇推力轴承整体隔振技术理论与实验研究[D].武汉：海军工程大学，2017.