基于某舰船高压空压机模块抗冲击分析的研究

郑立平，郭 磊

（中国人民解放军第四八一二工厂，安徽安庆 246001）

1 引言

空压机是舰船的重要辅助设备，可提供低、中、高压气源，供柴油机和燃气轮机启动、仪器仪表控制、武器发射、吹扫及生活用气等；其可靠性、抗冲击能力与舰船的日常使用及作战性能息息相关。在设备的服役期限内，舰船可能承受水下非接触性爆炸或接触爆炸冲击作用，其冲击力通过船体结构传给设备基座及各零部件，可导致设备产生错位、曲轴变形、隔振器断裂等失效形式；因此，为提高舰船的生命力和战斗力，保证船上设备安全可靠运行，设备列装前一般要进行抗冲击试验，以预测设备能否适应舰船的冲击环境[1]。

舰船设备的抗冲击能力一般在轻型或中型冲击机上进行试验[2]。其中，中型冲击机采用落锤锤击，仅适用于2.7 t以下的设备；针对此现状，海军装备研究院基于双波冲击理论，研制出DW-5000型双波冲击试验机，可适用于5 t以下设备的冲击试验。对于5 t以上的设备，需将试件安装在浮动冲击平台上，通过水下爆炸的方法来实现，然而对于某些大型复杂设备即便是在浮动试验平台上，也难以对其进行冲击试验。随着计算机虚拟仿真试验作用地位日益突出，以数值仿真试验为主、试验为辅的仿真路线开始成为多数国家海军舰船抗冲击研究的有效途径及今后舰船抗冲击技术的发展方向[3]。

本文论述的高压空压机模块（简称“模块”）列装于某新造舰船，采用了集成化、模块化设计技术，将2台空压机（并联）、一套干燥装置、一台水泵、一台控制箱组装成一体，集成安装在浮筏隔振装置上，形成一套双机双层隔振系统，其外形尺寸为2.8 m×1.5 m×1.9 m，总重量约为6.2 t。由于模块尺寸、重量过大，不适用于采用落锤冲击和双波冲击，而采用水下爆炸冲击不仅费用高、且爆炸产生的冲击波会对周边环境造成恶劣影响。基于此，本文采用仿真计算和试验相结合的方法，建立了高压空压机模块与单机浮筏隔振系统（总重2.98 t，列装于另一新造船型，由单台空压机、浮筏、水泵组成，以下简称“单机系统”）的动力学模型，对该两模型施加冲击谱，通过Adams数值仿真，得出了2种状态下空压机、浮筏的冲击加速度及隔振器的变形特性；结合单机系统及裸机的冲击试验，综合评价模块的抗冲击性能。

2 模块冲击动力学模型的建立

在CATIA中分别建立模块及单机系统的抗冲击动力学模型。其中，高压空压机模块的2台空压机分别由4只SJZ-800型隔振器与浮筏顶面连接，下层由12只6JX-600型隔振器将浮筏与船体连接而成，如图1（a）。单机系统由4只SJZ-800型隔振器，6只6JX-600型隔振器将空压机及船体与浮筏联接成一体，如图如图1（b）。

在动力学模型中，将浮筏、空压机、干燥装置、水泵、控制箱假设为刚体，通过CATIA三维计算，设置各部件的质量、重心等参数。将隔振器等效为三向弹簧，其刚度、阻尼等参数如表1。根据上海交通大学严济宽基于试验研究基础上提出的动刚度Kd、冲击刚度Ksh间的大致经验比例关系为Ksh=（1.5～2.0）Kd[4]，在进行隔振器抗冲击计算时，采用的是冲击刚度。

3 施加冲击谱

设备的冲击载荷通常采用等位移谱、等速度谱和等加速度谱构成的三折线谱来描述。本文施加的冲击谱按试验冲击谱确定，如表2所示。

图1

表1 隔振器参数

表2 冲击谱

对于质量大于5 t的设备，冲击加速度和冲击速度需进行折减，折减公式为

将冲击谱采用峰值、作用时间和波形特性转化成由一个正波和一个负波组合的正负三角加速度时间曲线，实现从频域到时域上的转化。其时域波形如图2。

根据德国BV043O-85舰艇建造规范，图中参数与冲击谱之间存在下列转化关系[5]：

式中，V1——第一个三角形面积

根据以上公式，将模块及单机系统冲击谱折算成时域冲击谱，并通过ADAMS软件加载到抗冲击动力学模型中，完成仿真计算。

4 求解结果及分析

4.1 设备冲击特性

通过ADAMS仿真计算，得出模块及单机系统的空压机、浮筏的横向（X向）、纵向（Y向）、垂向（Z向）冲击加速度变化曲线，如图3（a）～（f）所示。

图2 时域冲击谱波形

由图3（a）～（f）可知：在冲击力作用瞬间，各设备产生正向的冲击加速度，并逐渐达到最大值，此时各隔振器处于拉伸状态，其最大冲击加速度如表3。冲击力消失后，由于隔振器需恢复到原始状态，产生一个反向的作用力，使空压机在短时间内产生一个反向的峰值加速度；随时间递增，在系统阻尼作用下，冲击加速度在正反方向逐次衰减，直至恢复稳定。

通过表3数值对比，在模块和单机系统两种冲击状态下，模块的空压机、浮筏在横向、纵向、垂向的冲击加速度均较小。由此可表明：相对于单机系统，模块各部件受冲击载荷较小，较安全。

4.2 隔振器冲击特性

通过ADAMS后处理分析，可得出模块及单机系统各隔振器在横向、纵向及垂向冲击作用下的变形曲线。各设备隔振器变形趋势基本一致，其变形量也较为接近，从SJZ-800及6JX-600型隔振器中，选取变形量最大的一组来评价2种冲击状态下各型隔振器的冲击特性，如图4（a）～（f）所示。

由图4（a）～（f）可知：下层6JX-600型隔振器因刚度小，且距冲击作用力近，产生的变形量较大；经下层隔振系统衰减后，上层SJZ-800型隔振器承受的冲击力减弱，产生的变形量均较小。在冲击作用瞬间，各隔振器处于受拉状态，并逐渐达到最大值。冲击力消失后，由于隔振器需恢复到初始状态，并在惯性作用下，受压变形量达到最大值。随时间递增，在系统阻尼作用下，隔振器变形逐次衰减，直至恢复稳定。2种冲击状态下，隔振器最大变形量如表4所示。

由表4可知：模块隔振器在横向、纵向、垂向冲击作用下的的变形较小，相对单机系统，隔振器抗冲击更安全。且在两种冲击状态下，隔振器变形量均小于最大允许冲击变形量，因此，模块及单机系统各隔振器的抗冲击性能均满足舰船使用要求。

5 设备冲击试验考核

5.1 单机系统双波冲击试验

双波冲击是通过对设备输出正负半正弦波来模拟水下爆炸的冲击波和气泡脉动的一种抗冲击试验方法，其冲击谱为冲击位移、速度和加速度三折线谱[6]。为验证设备的抗冲击能力，本文依据HJB 554-2012《舰船设备双波冲击机试验方法》，针对单机系统，进行了双波冲击试验。

图3

表3 各设备最大冲击加速度

设备在水平和倾斜安装两种状态下，各进行两次垂向、倾斜冲击。依据标准规定，设备试验冲击谱见本文表2。试验过程中，采用BK 4384V型加速度传感器对设备冲击谱值进行了实测，各次冲击的实测冲击谱曲线如图5（a）、（b）。

由测试曲线可知，实测冲击谱符合冲击试验要求，达到了要求的冲击强度。设备经冲击后，空压机、水泵、浮筏各零部件无机械损伤，开机进行性能试验复测，各项性能指标正常，试验考核合格。

5.2 裸机落锤冲击

图4

表4 各隔振器最大变形量

图5

表5 裸机落锤冲击试验参数

为进一步验证空压机的抗冲击性能，本文依据GJB150.18相关规定，对裸机（单台空压机，约1.86t）进行了3次垂向、倾斜冲击，冲击过程如。各次冲击的落锤高度及砧板行程等试验参数。裸机落锤冲击后，各零部件无机械损伤，开机检验，机组工作正常，试验考核合格。

6 结论

（1）在ADAMS软件中，建立了高压空压机模块和单机系统的抗冲击动力学模型，并通过仿真计算，得出了2种冲击状态下空压机、浮筏的垂向、横向、纵向冲击加速度和隔振器变形曲线。

（2）通过数值类比，模块空压机、浮筏等部件各向冲击加速度和隔振器的变形量均小于单机系统冲击作用下的数值，结合单机系统双波冲击及裸机落锤冲击试验验证，可推测出模块各部件及隔振器的抗冲击性能满足舰船使用要求。

（3）本文通过仿真模拟与试验验证相结合的方法，验证了模块的抗冲击性能，对大型、大质量舰船设备的抗冲击分析研究，具有一定的参考意义。