钢丝绳隔振器用于船用泵组的隔振设计

张海燕，刘礼维

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江212003)

0 引言

一般情况下，橡胶隔振器就能满足船用泵的隔振要求，但对于特殊环境要求下大型船用泵的隔振则存在着较大的困难。某型取水趸船需在同一甲板上安装大型取水泵组，且泵房有人值守，为此用户对振动、噪声提出了较高要求.为满足用户防振降噪的要求。同时考虑到单个泵的重量达到15 t，如采用传统的橡胶隔振器存在易老化、寿命短、减振和降噪效果弱等问题，无法满足其要求。因此，本文提出该取水泵组的隔振采用钢丝绳隔振器的方法。

1 选型设计

钢丝绳隔振器是一种产生于20世纪70年代的新型隔振器，由于具有适应各种严酷的环境、寿命长等优点而得到了广泛的应用。目前常见的钢丝绳隔振器有螺旋形、拱形和环形等几种，由不锈钢钢丝绳缠绕或弯曲制成，其结构示意图如图1所示。

钢丝绳隔振器优点是对设备具有三向保护作用，可在高温和恶劣环境下可靠工作，具有较宽的承载范围，无限的储存期和使用寿命。在抗冲击方面，它能在最小空间实现最大的冲击衰减。实验中，对1个绳径为1.5 mm隔振器输入25 g(g为重力加速度)进行了高至10 kHz的扫频振动试验，隔振效果达95%，结果证明钢丝绳隔振器可隔离小振幅、结构噪声。

钢丝绳隔振器在我国被广泛应用于仪器、仪表等的振动隔离。一些原本采用橡胶隔振器的场合逐渐被钢丝绳隔振器所替代，然而在船用泵组的隔振方面则应用很少。

图1 钢丝绳隔振器示意图

本文研究的某型取水船所采用的大型船用取水泵组，转速为990 r/min，重量为15 t。目前国内已成熟的钢丝绳隔振器单个承载能力还不足2 t，因此用钢丝绳隔振器来实现隔振在布置方面有一定的困难。经与隔振器厂家共同比较分析，认为比较理想的方案是选用已广泛使用、性能可靠的 GGT09-022S1型钢丝绳隔振器。取水泵组布置于主甲板上，可不用过多考虑位置空间，只需考虑其重量。整机采用14个隔振器，每侧布置7个，对称质心安装，每个隔振器与调整垫板相连，再通过复板与主甲板固定，其布置方案如图2所示。

图2 钢丝绳隔振器布置图

2 计算

为保证良好的隔振效果，需要对隔振系统的振动模态进行计算。

2.1 条件设定

(1)泵组重量约15 t，转速990 r/min，外激励(干扰)频率 fi=16.5 Hz，驱动电机50 Hz;外形尺寸:长3 964 mm，宽1 256 mm，高1 575 mm。

(2)由于船不离港，所以冲击输入按10 g/11 ms计算。

(3)泵组底部对称质心，垂向安装隔振器。

(4)系统垂向的峰值响应频率为5～7 Hz。

2.2 系统峰值响应频率计算

选用14只GGT09-022S1型钢丝绳隔振器。底部基础垂向支撑，对称质心安装。根据GT09-022S1型钢丝绳隔振器的静态性能曲线，基础垂向安装时隔振器的单个承载力为10 517 N，变形约为5 mm，计算出隔振器的静刚度为1 155.75 N/mm。

系统峰值响应频率按式(1)计算:

式中:fn为系统峰值响应频率，Hz;K为系统静刚度，K=1 155.75 N/mm;a为动刚度系数，a=1.5×103;m1为系统承载质量，m1=1 071.43 kg。

计算结果显示，系统峰值响应频率fn=6.4 Hz，符合设计原则。

2.3 系统能容

系统能容按式(2)计算:

式中:Ei为系统输入总能量，J;a0为输入加速度幅值，a0=98.1 m/s2;τ为输入加速度持续时间，τ=0.011 s;m2为系统总质量，m2=15 000㎏。

计算结果为3 543.1 J，则每只隔振器需要的能容为E=253 J，隔振器的能容为1 000 J，选型符合能容要求。

2.4 系统缓冲效率计算

冲击输入频率按式(3)计算:

系统冲击固有频率:

系统冲击频比:

冲击传递率曲线如图3所示。从图3得知:系统冲击传递率TA=0.2。

2.5 系统隔振效率计算

系统振动传递率按式(4)进行近似计算:

式中:ξ为阻尼比，ξ=0.15;λ为频率比，λ=fi/fn=2.578。

经计算，ηv=0.22。

图3 冲击传递率曲线

式(4)用图形表示即为图4所示的传递率曲线。从图4可知:当激励频率为■2fn时，系统振动传递率TA为1，系统没有产生隔振效果;当激励频率大于时，系统振动传递率TA小于1，系统开始产生减振效果，并且其隔振效率随着激励频率增加而增加;当激励频率为3fn时，系统振动传递率TA为0.2(隔振效率为80%)，则达到较为理想的隔振效果;如激励频率进一步增加时，其隔振效率则趋于平缓。由式(4)及图4可知，本船选用的隔振系统在船用泵正常工作时，其隔振效果能达到较为理想的状态，满足设计要求。

图4 振动传递率曲线

3 试验与分析

根据现场情况，针对电机与泵转速从零到达额定转速及正常工作状态时，分别对水泵底座和公共底座垂向、横向、振动传递率进行了振动数据采集。

3.1 试验数据

垂向振动数据见表1(幅值谱Peak)(通道［1］为公共底座测点，通道［2］为水泵底座测点)。

横向振动数据见表2(幅值谱Peak)(通道［1］为公共底座测点，通道［2］为水泵底座测点)。

表1 垂向振动数据

表2 横向振动数据

传递率振动数据见表3(幅值谱Peak)(通道［1］为船体测点，通道［2］为公共底座测点)

表3 传递率振动数据

3.2 试验结果分析

从数据上看，设备从启动开始到正常运转时经过共振点时，即频率为8 Hz时，对垂向公共底座部分进行共振数据分析:振动加速度为0.09 m/s2，根据公式a=d(2πf)2(其中，a为振动加速度、f为振点频率、d为振幅)可以计算出公共底座垂向的振幅为0.03 mm。而由表3传递率振动数据可知，船体部分测得的振动加速度为0.27 m/s2，频率为8 Hz，由公式计算可得振幅为0.1 mm。由此得出，放大前振幅为0.03 mm，放大后振幅为0.1 mm。

由上述计算数据可知:设备在经过共振点时，振幅被放大了3.3倍，可见设备在经过共振点时相应的数据参数都被放大了3～5倍。但从放大后的振幅来分析，不足以对设备正常运转产生影响，所以系统安全。

设备在正常工作时，即频率为16.625 Hz时，垂向公共底座部分振动加速度较大，取振动加速度最大值进行垂向数据分析:振动加速度3.4 m/s2，频率16.625 Hz，根据公式a=d(2πf)2可以计算出公共底座垂向的振幅为0.32 mm。由于测点位置为公共底座下部，采用钢丝绳软连接，所以公共底座上部及电机部分振幅相应会比原来增大3～5倍，振幅最大为1.6 mm。

横向部分的水泵底座振动加速度较大，取振动加速度的最大值进行横向数据分析:振动加速度为1.72 m/s2，频率为 16.625 Hz，振幅为 0.16 mm，最大振幅为0.8 mm。

根据上述数据可知:振动输入最大加速度为3.4 m/s2，振动输出最大加速度为0.9 m/s2，则钢丝绳隔振器的隔振效果为78%。

综上所述，振幅最大值为1.6 mm，该振幅不会使设备间的连接软管产生疲劳破坏，基本满足设计初期的理论计算结果，能够保护设备的正常使用，而不对周围环境产生振动噪声污染。

4 结论

通过上文的设计和实船试验，试验结果表明钢丝绳隔振器用于大型船用泵的隔振是可行的，且效果良好，完全符合设计要求。另外，钢丝绳隔振器的合理选用及科学布置，也是确保取得良好隔振效果及设备安全的重要方面，也应引起重视。如将重心误差等问题解决，隔振性能可望进一步提高，振动强度将可有效减小。

［1］ 束立红，周炜，吕志强，黄映云.钢丝绳隔振器在大型机械设备的振动冲击隔离设计中的应用［J］.振动与冲击，2006(4):78-81.

［2］ 朱石坚，何琳.船舶减振降噪技术与工程设计［M］.北京.科学出版社，2002.

［3］ 詹韧，秦俊明.HGGS-200型钢丝绳隔振器冲击特性研究［J］.江苏船舶，2012，29(5):18-20.

［4］ 朱海潮，何琳，霍睿，施引.用钢丝绳隔振器进行船舶主机隔振［J］.船海工程，2002(4):12-15.