高温高压系统泵浮筏隔振方案及振动特性分析研究

刘立志　王禹　蔡龙奇　刘佳　赵悦

【摘 要】泵类设备是重要的振动噪声源，单层隔振的减振效果有限，难以适应越来越严格的减振降噪要求。为进一步降低高温高压系统泵的振动传递，本文针对管路刚性连接的高温高压泵开展了浮筏隔振方案研究，将四台泵弹性安装在一个浮筏筏架上，并将筏架通过隔振器安装在基座上，对筏架重量、隔振器参数、安装基础等进行了优化分析，确定了浮筏隔振系统的参数，并探究了管路连接刚度对振动传递特性的影响规律。

【关键词】高温高压系统泵;浮筏隔振;功率流传递

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）01-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.015

0 引言

泵类设备是动力系统的重要振动噪声源，降低泵类设备的振动传递包括振源控制及传递路径隔振两个方面，目前已从水力分析、电机设计、低振动制造装配等方面进行了低振动泵设计工作，取得了一定的效果，但泵单层隔振系统减振效果有限，难以适应越来越严格的减振降噪要求。

浮筏隔振系统的减振效果优于单层隔振，我国浮筏装置技术的研究始于上世纪八十年代，首台船用浮筏装置于1994年研制成功，首先在豪华游船上使用，随后在舰船上推广应用[1-3]。国内相关科研院所也对浮筏装置技术开展了大量研究[4-5]。目前国内已掌握浮筏隔振设计方法，针对浮筏结构参数、隔振器参数、基础刚度对浮筏减振效果的影响开展了相对深入的研究[6-7]。

国内前期减振降噪工作主要围绕进出口采用弹性连接的设备开展，尚未深入研究设备进出口管道连接刚度对浮筏减振效果的影响。而高温高压系统泵进出口管路采用焊接连接，管路连接刚度对泵浮筏设计的影响不能忽略，需结合管路进出口连接刚度开展泵浮筏隔振技术研究，为后续浮筏隔振技术在高温高压系统泵类设备的应用奠定基础。

为进一步降低高温高压系统泵振动传递，本文考虑管路连接刚度开展了浮筏隔振方案研究，以激励点到安装基础的振动位移频率-响应特性为优化目标，对筏架重量、隔振器参数、安装基础等进行了优化分析，确定了浮筏隔振系统参数。基于有限元分析方法，对有、无管路连接刚度条件下筏架的模态、减振效果进行对比分析，并且对振动特性、功率流传递特性进行对比分析，获得了管路连接刚度对系统振动的影响规律。

1 高温高压系统泵浮筏隔振方案研究

1.1 高温高压系统泵浮筏隔振方案

高温高压系统泵质量为M，其额定转速为1000r/min。综合考虑泵重量、外形尺寸及布置空间限制等因素，开展了高温高压系统泵浮筏隔振方案论证，将四台高温高压系统泵并列布置在一个公共筏架上，为降低重心高度，泵通过支承支架和上层隔振器安装在筏架上，筏架通过下层隔振器固定在安装基座上，泵进出口管路采用焊接方式连接。

基于有限元分析方法，建立的高温高压系统泵浮筏隔振系统有限元模型如图1所示。高温高压系统泵、筏架结构均采用Solid45单元模拟，隔振器采用三向阻尼弹簧单元Combine14模拟，泵浮筏安装基座采用Shell63单元并赋予厚度参数模拟。

根据系统典型运行工况，对两台泵施加激励力，以泵激励点到安装基础的振动位移频响函数曲线为优化目标，对筏架重量、隔振器刚度阻尼参数以及安装基座进行优化。

利用系统频响函数矩[H（ω）]阵对系统振动传递规律进行分析。线性定常系统振动响应与载荷之间有如下关系：{x}=[H（ω）]{F}（1）

式中，{X}为响应谱向量，{F}为载荷谱向量，[H（ω）]即为频响函数矩。

将{F}定义为垂直方向的单位载荷谱向量，通过谱分析获得的系统响应谱向量{X}即与系统的频响函数矩[H（ω）]为同一数值，通过系统的频响函数矩[H（ω）]可对系统激励频率-响应特性进行分析。

高温高压系统泵浮筏隔振系统上层隔振器仍沿用原单层隔振设计参数，结合《舰船动力设备隔振装置通用规范》隔振器刚度匹配建议，提出上下层隔振器初步参数如表1所示。

1.2 筏架重量参数优化

浮筏隔振系统振源设备为四台高温高压系统泵，总重量约为4M，在有限元模型分析中通过调节筏架的密度来达到改变筏架重量的目的，筏架结构及杨氏模量等参数保持不变。

对1#、4#泵施加10Hz～8000Hz频段单位激励力，得到不同筏架重量下下层隔振器下端与安装基础连接处的振动位移响应。为对比不同浮筏筏架重量下1#、4#泵重心点处到浮筏下层隔振器下安装面处的位移传递函数，将不同重量作为参变量获得下层隔振器下表面处的频率—振动位移响应曲线，提取隔振器下的位移响应进行对比，具体如图2所示。

当筏架重量为0.3倍振源重量时曲线中存在幅值明显的振动位移峰值，筏架重量为0.4倍以上的振源重量时峰值明显降低;综合对比不同隔振器下表面振动位移响应曲线可知，筏架重量为0.5倍振源重量和0.6倍振源重量區间内振动位移响应较小。

结合实际的工程经验，将浮筏筏架质量设计为0.55M。

1.3 下层隔振器刚度及阻尼参数优化

将表1中的下层隔振器刚度及阻尼参数用K和C进行表示，如表2所示，对浮筏隔振系统下层隔振器分别设定不同的刚度阻尼参数，对不同刚度阻尼参数下的浮筏隔振系统的传递特性进行分析。

为对比不同隔振器刚度阻尼参数下1#、4#泵重心点处到浮筏下层隔振器下安装面处的位移传递函数，将不同刚度、阻尼参数作为参变量获得下层隔振器下表面处的频率—振动位移响应曲线，提取隔振器下的位移响应进行对比，具体如图3所示。

由图3可知，浮筏隔振系统上、下层隔振器刚度应合理匹配，上下层刚度不匹配的情况下无论增加或减小隔振器刚度值均会导致振动传递的增大。

1.4 浮筏安装基座阻抗影响分析

高温高压系统泵的振动通过浮筏筏架和隔振器传递到安装基座结构上，安装基座的基础阻抗对浮筏隔振系统的减振效果具有重要的影响。通过调节浮筏安装基座面板的厚度来改变基础阻抗参数，获得基础阻抗对浮筏减振效果的影响规律。不同基座面板厚度浮筏隔振器下振动位移响应曲线如图4所示。

如图4所示，浮筏隔振系统安装基础阻抗越大，由系统传递到基础上的振动位移越小，这种现象在高频段内更为明显。在浮筏隔振系统基座设计中应通过增加肋板数量、增加板材厚度等措施增大安装基座阻抗值，以加大下层隔振器与安装基座之间的阻抗失配度。

2 浮筏隔振系统参数及模态分析

2.1 浮筏隔振系统参数

通过浮筏筏架重量优化、隔振器刚度及阻尼参数优化、安装基座阻抗分析，综合考虑工程可行性，提出了高温高压系统泵浮筏隔振系统主要技术参数如下：

（1）筏架重量为0.55M;

（2）浮筏隔振系统隔振器技术参数如表1所示;

（3）浮筏安装基础为45mm的板式支承结构。

2.2 浮筏隔振系统模态分析

（1）筏架结构固有频率分析

浮筏筏架结构前两阶固有频率为37.8 Hz、54.0 Hz，避开了泵的主要激励频率（16.7 Hz、49.5 Hz），且无局部振型出现，表明筏架结构设计合理。

（2）系统固有频率分析

浮筏隔振系统有无管路连接状态下的模态对比分析如表3所示。

由表3可知，施加管路连接刚度改变了浮筏隔振系统的固有频率，使各阶固有频率值均有所提高。

3 浮筏隔振系统振动特性分析

3.1 浮筏减振效果分析

基于ansys谐响应分析模块对系统在有、无管路连接状态下的振动响应进行分析，对1#泵和4#泵的重心处同时施加竖直方向的激励力进行扫频，使得泵机脚振动加速度响应与出厂测试值相当，以模拟1#、4#泵同时运转的工况。

高温高压系统泵额定运转工况下浮筏隔振系统减振效果如表4所示。

由表4可知，无管路连接刚度下，高温高压系统泵浮筏减振效果达到36.9dB;有管路连接刚度时泵的浮筏减振效果相对于无管路连接刚度时高约3dB。初步分析是由于施加管路连接刚度后，增加了泵进出口处振动能量传递路径，部分能量通过管路连接传递出去，施加管路连接刚度时泵的浮筏减振效果略好。

3.2 管路刚性连接系统功率流传递特性分析

为了验证施加管路连接刚度增加了能量传递路径的观点，基于功率流传递分析，从能量传递角度对高温高压系统泵浮筏隔振系统开展了分析。

功率流分析方法的主要优点是它同时考虑到了结构上的力和速度两个量值，因而也就考虑到了结构的阻抗特性。功率作为一种单一量值，可以清楚显示出能量的传递路径及大小。

将振动速度响应与节点内力带入功率流表达式，得到各节点处的功率流曲线，为了方便表示，对功率流曲线进行简单的归一化处理，得到上层隔振器上端节点以及泵进出口管路功率流曲线，如图5所示。

由图5（A）和可知，有无管路连接刚度上层隔振器上端功率流基本保持不变;由图5（B）可知，在有管路连接刚度情况下，泵进口处功率流增加，泵出口处功率流也有一定的增加。验证了施加管路连接刚度增加了能量的传递路径，使得部分振动能量从管路连接传递出去的观点。

4 结论

本文以泵激励点到安装基础的振动位移频率-响应特性函数为优化目标，对筏架重量、上下层隔振器参数、安装基础参数等进行了优化，提出了合理可行的高温高压系统泵浮筏隔振方案。

针对高温高压系统泵浮筏隔振方案开展了固有频率分析、减振效果分析，分析表明浮筏减振效果≥35dB，减振效果良好;针对高温高压系统泵管路刚性连接的典型特点，基于功率流分析方法开展了管路连接刚度对于浮筏隔振系统振动传递影响规律的研究，分析结果表明高能连接管路是振动的重要传递通道，在减隔振系统设计中需考虑管路连接刚度的影响。

本文工作可为高温高压系统泵类设备的减隔振设计提供参考和借鉴。

【参考文献】

[1]沈密群，严济宽.舰船浮筏装置工程实例[J].噪声与振动控制，1994，（1）：21～23.

[2]沈密群，严济宽.舰船浮筏装置工程实例（续一）[J].噪声与振動控制，1994，（3）：45～48.

[3]沈密群，严济宽.舰船浮筏装置工程实例（续二）[J].噪声与振动控制，1994，（5）：45～48.

[4]张峰，许树浩等.桁架式浮筏研究概况[J].船舶力学， 2010，5（40）：567～572.

[5]牛军川，宋孔杰等.平置板式主动浮筏系统的隔振研究[J].机械工程学报，2004（5）：67～71.

[6]俞徵，沈荣赢，严济宽.多层隔振系统的参数优化研究[J].噪声与振动控制，1995（5）：15～19.

[7]张维英，冯燕茹，张军等.浮筏隔振系统性能优化设计研究[J].船舶工程，2012（5）：20～23.