隔振器阻尼对机舱动力设备振动影响研究

华春梅，王 宇

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

隔振器阻尼对机舱动力设备振动影响研究

华春梅，王 宇

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

以机舱动力设备的振动特性为研究对象，基于有限元方法，对船舶汽轮机发电机组及浮筏隔振系统进行研究。根据实际工况进行隔振器布置设计和工况设置，通过数值模拟研究阻尼改变对动力设备振动特性的影响，计算得出振动烈度曲线，揭示隔振器阻尼对汽轮发电机组振动特性的影响趋势，为机舱动力设备减振分析提供了参考依据。

动力设备；船舶机舱；有限元；阻尼；振动

0 引言

当今社会对节能减排和减振降噪尤为重视，建设低碳社会已成为现今的生活主题。减少对能源的消耗，减小对环境的污染等方面的研究已提高到了一个新的水平。振动噪声也是一种污染，现代社会对振动噪声也越来越敏感。从船舶产品来讲，振动噪声会对船舶的舒适性、隐身性能和探测性能产生不利影响。振动在动力系统中是普遍存在的，而这其中结构噪声沿着支撑基座的传输占主要部分，所以开展机舱动力设备支撑基座减振措施的研究，对减小振动的传递有着重要意义。

由于船舶机舱设备通常安装于船舶狭小的舱室内，机组安装时的工艺十分复杂，安装精度不易保证，且船舶其他设备工作时产生的振动会通过基座、隔振器等向汽轮发电机组传递，这就对船舶机舱设备的振动特性产生较大影响；另一方面，船舶机舱动力设备通过隔振器、基座等与船体结构组成振动系统，设备与船体结构共同参与船舶的振动。因此，船舶机舱设备的实际振动往往表现为上述两种振动的叠加。由于实船结构通常由船体板材、加强筋、扶强材、阻尼材料等组成，采用理论方法分析船舶机舱动力设备的振动问题很难得到满意的结果，而由于实船测试往往受试验条件限制，测试条件难以定量分析，测量点数量有限；且实船试验费用较大，故实船测试多用于检验其振动是否满足标准，该方法存在较大的弊端。

近年来随着计算机技术及数值计算技术的迅速发展，转子动力学、船舶结构动力学研究地不断深入，船舶机舱设备耦合振动特性研究的手段已经具备，国内外众多学者已借助有限元分析技术广泛开展了全船范围的船舶振动等研究，但对于船舶机舱设备中的大型设备——船舶汽轮发电机组的振动研究较少。船舶发电机组等机舱动力设备是船舶的主要动力源，也是船舶的主要振动源。各船舶相关研究部门针对其提出了很多隔振手段，现在普遍应用的是双层隔振技术，通过对隔振阻尼、隔振质量以及基础的强度、刚度的计算设计，使机组与基础间的振动频率相互远离，从而达到减振降噪的目的。

1 机舱动力设备模型建立

机舱动力设备以汽轮发电机组振动最为剧烈，也最为典型。汽轮发电机组主要由汽轮机、发电机、转速器以及整体浮筏架4大部分组成。

浮筏隔振系统是由多段槽型板架与若干钢板板架交叉焊接而成的一个弹性体结构。由于浮筏隔振系统的抗弯、抗扭刚度比汽轮机与发电机要小，而且钢板的厚度规格不统一，板材厚度与浮筏隔振系统三维尺寸数值之比很小，故对浮筏隔振系统结构按图纸实际尺寸建立三维实体模型。首先根据尺寸定义关键点，然后连线、拉伸，最后经布尔运算，生成整体浮筏隔振系统模型。建立模型时，忽略了各钢板倒角等细微结构差别，忽略了各钢板连接处的焊缝影响。发电机、汽轮机以及减速器的实际结构复杂，但它们具有的共同特点是本身的刚度都比较大。参照相关文献的建模方法，在进行机组建模时，不把其内部的实际复杂结构反映出来，发电机用与其实际结构外形相同的实心圆柱体来模拟，根据汽轮机本身结构有气缸、曲轴箱等空腔结构以及刚度大的特点，把汽轮机模型建成中空的立方体实体。建模时保证汽轮机、发电机、齿轮箱等模型的质心位置和绕三个坐标轴方向的转动惯量与实际相同。发电机质量13 453.81 kg，减速器质量1 757.85 kg，汽轮机质量为 6 064.48 kg，基座质量3 035.2 kg，浮筏质量44 377.2 kg。根据以上数据及模型尺寸，定义汽轮发电机组各个设备模型的密度。整体汽轮发电机组及浮筏结构的模型如图1所示。

图1 整体浮筏系统模型

2 隔振器设置

根据浮筏系统的实际情况，弹性安装时，在汽轮发电机组与浮筏隔振系统之间共设置了30个弹簧。沿浮筏系统纵向（z轴方向）共分为6行，每行均匀布置5个弹簧。各个弹簧性质相同，刚度为K，阻尼为C，阻尼比为 ，其中正常工作时K=3 833 000， =0.065。

本文研究的是弹性安装时隔振器刚度对汽轮发电机组振动特性的影响，因此以后的工况设置将围绕图2所示的30个弹簧的刚度变化来进行。

图2 隔振器布置图

在建立模型时，考虑到汽轮发电机组与浮筏的相互作用对动力响应的影响，采用弹簧-阻尼单元进行模拟；结构上部的联轴器对机组振动的固有频率影响很小，建立机组有限元模型时，汽轮机与发电机之间的弹性联轴节可以不予考虑。

3 工况设置

对于弹性安装时，隔振器结构的阻尼值也有可能对浮筏系统的减振性能产生影响，以下将根据相关资料对弹簧阻尼大小对汽轮发电机组振动特性影响进行分析。

根据相关资料，隔振器的型号为BSH-3500，该型号隔振器在垂向额定载荷下的阻尼比，根据这一信息，设置有关隔振器阻尼的工况，进行隔振器阻尼比对汽轮发电机组振动特性的研究。

以隔振器阻尼变化为主，隔振器刚度全部设置为K，K=3 833 000 N/m。具体工况如下表1所示。

表1 工况表

表1中共设置了4个工况，隔振器阻尼比从0.05依次变化到0.08。考虑到隔振器材料的限制，隔振器阻尼比的最大值设定为0.08，隔振器的材料是既定的，因此阻尼只能小范围的波动，安装工艺等无法对隔振器的材料产生大的影响。为了研究阻尼对汽轮发电机组振动特性的影响，统一将隔振器刚度设定为K=3 833 000 N/m。考虑到汽轮发电机组各个设备的工作频率分别为25 Hz、50 Hz、108 Hz，因此提取计算数据时只需提取各个工况考察点在25 Hz、50 Hz、108 Hz这三个频点处的振动烈度数据即可。以下将根据各个工况，通过ANSYS仿真模拟计算汽轮发电机组的振动特性。

4 阻尼对动力设备振动特性影响研究

在ANSYS中根据工况设置改变隔振器阻尼比，分别进行计算，如表2与表3所示，为阻尼比改变的各个工况仿真计算的振动结果表。通过以上数据生成对比图，如图3、图4、图5所示，观察分析隔振器阻尼对机舱动力典型设备——汽轮发电机组振动特性的影响。

表2 振动烈度

表3 振动烈度

图3、图4所示分别为25 Hz、50 Hz时，各个工况下不同阻尼比对应的汽轮发电机组振动烈度的对比。随着隔振器阻尼比的减小，汽轮发电机组的振动烈度存在逐渐减小的趋势。但是，隔振器阻尼比从0.08减小到0.05的过程中，汽轮发电机组的振动烈度的变化值是非常小的。总体上，在25 Hz、50 Hz时，隔振器阻尼对汽轮发电机组振动特性的影响比较小。

图3 25 Hz振动烈度对比图

图4 50 Hz振动烈度对比图

图5 108 Hz振动烈度对比图

图5所示为108 Hz时，各个工况下不同阻尼比对应的汽轮发电机组振动烈度的对比。同其他频率相似，随着隔振器阻尼比的减小，汽轮发电机组的振动烈度存在逐渐减小的趋势，但是，在隔振器阻尼比减小过程中，汽轮发电机组的振动烈度的变化非常小。

综合以上各个工况下，不同频率时汽轮发电机组设备的振动烈度曲线，可知随着隔振器阻尼比的减小，汽轮发电机组的振动烈度也不断减小，但是变化不是很大，将振动烈度换算成速度级的话，根据公式：

5 结论

经过以上计算分析发现，随着隔振器阻尼比的减小，船舶机舱动力设备——汽轮发电机组振动烈度有减弱的趋势。但是，随着隔振器阻尼比减小，汽轮发电机组振动烈度的变化不是非常明显，当隔振器阻尼比减小到0.05时，与隔振器阻尼比为0.08时，汽轮发电机组的振动速度级仅仅减小了不到1 dB。而实际上，隔振器的阻尼比也就是说，隔振器阻尼对汽轮发电机组振动特性的影响，由于隔振器材料属性的限制，将其保持在可能的最小值即可。

隔振器阻尼对机舱动力设备的减振性能影响只是其中一个因素，由于隔振器材料的局限性，隔振器的阻尼不能大范围地调整。如果研究机舱动力设备振动特性，还需进一步讨论隔振器刚度对汽轮发电机组振动特性的影响。

[1]欧阳光耀,施引.面向舰船动力装置的主动振动控制技术[J].海军工程学院学报,1997(2)：95-102.

[2]张关根,郭乃林,李江翔.浮筏减振降噪技术在某型海洋测量船上的应用[J].船舶,2000(3)：29-34+38.

[3]陈斌,李嘉全,邵长星,等.浮筏多通道协调振动的主动控制实验研究[J].实验力学,2008(3)：248-254.

[4]杜奎,伍先俊,程广利,等.浮筏隔振系统隔振器最佳布置方案研究[J].海军工程大学学报,2005(2)：92-94+99.

［责任编辑：刘 月］

The Influence of Vibration Isolator Damping on Cabin Power Equipment's Vibration

HUA Chunmei,WANG Yu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Taking the vibration characteristics of cabin power equipment as the research object,the author conducts a research of ship's steam turbine generating set and buoyant raft vibration isolation system based on the finite element method.The author carries out the vibration isolator layout design and working condition setting according to the real working condition,studies the influence of damping change on power equipment's vibration characteristics according to numerical simulation,calculates the vibration intensity curve,reveals the influence trend of vibration isolator damping on steam turbine generating set's vibration characteristics,and provides reference for cabin power equipment vibration reducing analysis.

power equipment;cabin;finite element;damping;vibration

U661.73

A

2095-5928（2014）05-55-05

2014-05-15

辽宁省教育厅科研项目（L2013513）；渤海船舶职业学院科研项目（2013122817）

华春梅（1969-），女，黑龙江肇东人，高级讲师，硕士，研究方向：电气工程。