某船用主机中间支架振动特性分析

于忠杰，叶文荣，姚欣鹏

(92601部队，广东 湛江 524009)

某大型船舶的主机中间支架上端联接高弹性联轴器和万向联轴器，下端通过减振器组件安装在船体基座上，主要起着支撑联轴器、减小振动传递以及抗冲击的作用。当船舶主机在高速工况下运行时(转速约为1 000 r/min)，现场测试出中间支架的振动响应较高，振动烈度值普遍在30～145 mm/s之间，超过一般的机械设备振动评价标准，对船舶主动力系统的安全性和可靠性有一定的影响。目前国内外通常采取的方法是处理振动信号以提取故障的振动特征，对发现不平衡、不对中、转动部件松动等故障很有效，但是若是设备结构出现问题则很难提出准确有效的改进措施。有限元法是分析复杂结构振动最有效的方法，在结构设计中应用广泛，但是在故障诊断方面应用相对较少[1]。

1 有限元理论

中间支架减振器系统采用有限元法进行动力分析，最终得到如下运动方程：

(1)

设{q}={A}sin(ωt+φ)，则固有频率与主振型的求解归结为一个特征值问题：

([K]-ω2[M]){A}={0}，

(2)

式中：ω为固有频率，{A}为振型矢量。如果节点有N个位移自由度，则由(2)式可求出N个固有频率和对应的N个主振型[2]。

2 模型的建立

目前，减振系统绝大多数是按线性理论设计的。而橡胶具有不可压缩、弹性后效、渐硬等特性[3]，在大振幅情况下应力和应变之间呈非线性关系，当橡胶减振器的应变小于15%时，系统稳定的振幅通常比它们静态时的变形小得多，非线性效应后得到的动力学分析结果与线性方法得到的结果相差不大。由于能获取的设计参数有限，本文采用ANSYS实体单元建立中间支架及减振器模型，有限元模型的单元类型见表1。

表1 有限元模型的单元类型

中间支架减振器系统实际结构及有限元实体总模型如图1所示，共划分34 425个单元。为验证模型是否正确，初步计算得出以下结果：①中间支架及减振器模型的总质量为1 393 kg，与设计图纸给出的一致；②去掉下压板后，在系统坐标轴中模型的质心位置坐标在转轴中心下方0.095 m处，与设计图纸给出的一致；③减振器模型的三向静刚度计算值与设计图纸给出的一致。

图1 中间支架减振器系统实际结构及有限元模型

图1中，模型的左法兰盘与高弹联轴器的挠性杆相连，右法兰盘与万向联轴节相连，两端的轴向、径向的补偿位移大，且万向轴的径向刚度约为0，因此可将模型两端法兰结构作为自由边界处理。船体基座刚性较大，将减振器下压板前后左右四面全约束，将5#支撑橡胶减振器的Combin 14弹簧单元的一端全约束。

3 有限元分析

3.1 模态特性分析

模态计算的结果通常是各方向上整体和局部模态的叠加，前几阶模态对结构振动的影响较大。前六阶结构模态频率计算结果见表2，前两阶刚体模态振型见图2(定义X轴、Y轴、Z轴分别为模型的轴向、水平、垂向主惯轴)。

表2 有预紧力下减振系统模态分析结果

图2 中间支架减振器系统的前两阶刚体模态振型

由图2可以看出，中间支架减振器系统的一阶、二阶模态分别以轴向平动、水平平动(下心滚摆)为主，低摆的结轴在重心的下方。

由表2知，定义共振频率比γ为0.7～1.3，主机高速工作转频(16.7 Hz)与结构二阶模态频率(15.7 Hz)的频率比为1.06，减振系统共振导致中间支架水平实测振动响应大；中间支架的减振设计不合理，根据减振理论及计算结果，当主机工作转速在760 r/min及以上时，中间支架减振系统才能起到减振作用，且只能减少一阶轴向振动向船体传递，并没有抑制垂向振动向船体传递。

3.2 动刚度计算

通常橡胶减振器的阻尼比为0.075～0.200，共振时的动力放大系数为2.5～7.0。对于橡胶等黏弹性减振元件，动刚度是描述减振性能的关键指标，在数值上等于机械结构产生单位振幅所需的动态力。强迫振动下的结构动刚度Kd：

(3)

式中：Kd为动刚度；F为激励力；x为位移；K为静刚度；ω为激励频率；m为质量；i为虚数；C为阻尼。

由式(3)知，结构动刚度与质量、阻尼、静刚度和激励频率参数相关。同时在中间支架的转轴中心水平、垂向施加1 N的简谐激励力，激励力之间相位差为90°，采用模态迭加法计算模态阻尼比为0.055、0.100、0.150时中间支架的作用点动刚度，计算结果见图3。

图3 中间支架减振系统水平、垂向动刚度幅频特性曲线

由图3可知，当主机转速约为1 000 r/min时(联轴器的不平衡激励力频率约为16.7 Hz),存在以下情况。

1)中间支架的水平(Y向)动刚度接近最小值，水平动刚度主要取决于阻尼大小，与模态阻尼成正比关系。而垂向动刚度的大小主要取决于垂向静刚度，阻尼对垂向振动的影响很小。

2)垂向静刚度约是水平静刚度的5倍，而垂向动刚度约为水平动刚度的10～30倍。在同样大小的不平衡激励力下，中间支架的水平振动响应也比垂向振动响应大约10～30倍。

4 结束语

通过本文的研究可知，减小该中间支架的水平振动响应可采用的方法如下。

1)改进橡胶减振器设计以改变系统二阶水平平动模态频率，使其远离主机工作频率，避免产生共振。

2)如果无法避免共振，应增大减振器阻尼以提高结构的水平动刚度。

3)提高高弹联轴节和万向联轴节的动平衡精度等级，从而减小主机中间支架受到的不平衡激振力。