集中质量浮筏隔振系统振动特性研究

蔡龙奇 刘 佳 黎昭文 董成林 陈 纠

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

0 引言

船舶动力装置含有大量的泵类设备和静设备，泵类旋转机械是船舶动力装置的主要振动源，这些振源设备振动会通过设备支承结构和管路向外传递。 浮筏隔振措施由于减振效果好、便于模块化建造等典型特点成了目前船舶减隔振发展趋势。

船舶动力装置具有静设备集中质量大、振源设备多、振动特性多样等典型特点，本文针对船舶动力装置集中质量复杂浮筏隔振系统开展了参数敏感性研究工作，对比分析了不同筏架结构重量、不同隔振器配置参数、不同振源分布形式、不同安装基础条件下条浮筏隔振系统振动传递特性， 获得了各参数影响规律。

1 浮筏隔振技术简介

隔振技术作为一种重要的机械噪声控制措施，在国外已有几十年的研究历史和应用经验， 并在振动控制方面取得了显著成效。 从其发展历程上看，主要经历了单层隔振、 双层隔振和浮筏隔振等几个发展阶段[1]。 目前，浮筏隔振系统仍是隔振技术发展研究的重点[2]。

浮筏隔振系统筏架上安装有多机组（因而具有多扰动源），共用一个筏体结构。 浮筏隔振效果可达中低频段35 dB、高频段50 dB 以上的隔振效果，此外筏体结构能充分节省安装空间。

2 集中质量浮筏隔振组成及特点

船舶动力装置是一种典型的集中质量复杂系统，主要由大质量静设备、泵类振源设备、管路及支吊架等组成，大质量静设备、泵类设备参数如表1 所示。 如表1 所示，复杂系统中含有大质量静设备、三型泵类设备，且泵运行方式多样、激励特性不一致。

表1 浮筏隔振系统被支撑设备参数

浮筏隔振系统如图1 所示，大质量静设备A 布置在筏架中部位置， 静设备A 与筏架采用刚性连接，C泵筏架刚性连接，D 泵、E 泵与筏架弹性连接。 浮筏筏架通过大承载隔振器与安装基础连接。

图1 集中质量浮筏隔振系统示意图

集中质量系统主要典型特点如下：

（1）静设备重量远大于泵类振源设备；

（2）泵类振源设备类型和运转方式多样，振源特性不一致，运行方式不同；

（3）各振源设备与静设备采用刚性管路连接。

3 集中质量浮筏隔振参数敏感性分析

为获得筏架结构重量、 浮筏下部隔振器参数、振源分布位置及安装基础阻抗等参数对浮筏隔振系统振动传递特性的影响规律，开展了隔振系统参数敏感性分析研究工作。 利用系统频响函数矩阵H（ω）对系统振动传递规律进行了分析。 线性定常系统振动响应与载荷之间有如下关系：

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。

本分析中将F 定义为垂直方向单位载荷谱向量，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—响应特性进行分析。

3.1 筏架结构重量影响规律分析

浮筏隔振系统隔振器参数及安装基础等参数均保持不变， 通过调节筏架结构密度来达到改变筏架结构重量的目的，研究筏架重量对振动特性的影响。对筏架结构设置如表2 中所示的重量， 对4 台C 型泵、1 台 D 型泵和 1 台 E 泵施加 10～315 Hz 频率范围内的载荷谱， 得到下层隔振器下端与安装基础连接处的振动加速度响应如图2 所示， 振动响应线谱特征分析见图3。

表2 筏架结构重量及安装基础振动响应

图2 不同筏架重量下安装基础振动响应

图3 振动加速度响应频谱特性曲线

由上述对比可知：

（1）含有大质量静设备的系统隔振设计时，筏架结构与被隔振设备重量比远低于传统浮筏隔振设计中筏架重量比（需达0.5 以上），即可取得较好的减振效果；

（2）如图2 示，随着筏架结构重量的增加，下层隔振器振级略有降低，但筏架结构重量增加对减振效果的提升贡献很少；

（3）由图3 中可知，特征线谱主要由隔振系统固有频率、筏架结构固有频率引起，在筏架结构设计中可考虑采取敷设阻尼等措施降低特征线谱峰值响应。

3.2 浮筏下层隔振器参数影响规律分析

筏架结构重量及安装基础等参数均保持不变，通过调节浮筏下层隔振器参数获得隔振器参数对隔振系统振动传递特性影响规律。对隔振系统设置如表3中所示的隔振器参数，对4 台C 型泵、1 台D 型泵和1 台E 泵施加10～315Hz 频率范围内的载荷谱，得到下层隔振器下端与安装基础连接处的振动加速度响应如图5 所示。

表3 隔振器参数及安装基础振动响应

图4 不同隔振器参数下安装基础振动响应

如图4 所示，下层隔振器刚度越低，传递到安装基础上的振动加速度响应越小。但隔振器刚度过低易导致集成支承隔振系统稳定性差、抗冲击能力差，需综合考虑减振及抗冲击需求选择合理参数的隔振器。

3.3 筏架上振源分布位置影响规律研究

筏架结构重量、隔振器参数、安装基础等参数均保持不变，通过调节D 型泵安装位置（在筏架中心位置、在筏架边角位置）获得不同振源分布对隔振系统振动传递特性影响规律。 对4 台C 型泵、1 台D 型泵和1 台E 泵施加10～315 Hz 频率范围内的载荷谱，得到下层隔振器下端与安装基础连接处的振动加速度响应如图5 所示，表4 为振源分布位置及安装基础振动响应。其中1 号隔振器为远离静设备A 的隔振器，8号隔振器为静设备A 附近隔振器。

表4 振源分布位置及安装基础振动响应

图5 不同振源分布下安装基础振动响应

如图5 所示，在不同安装位置激励下浮筏不同位置，隔振器响应基本一致，表明在较小质量的振源设备安装位置对于大质量浮筏系统振动响应影响较小，在大质量复杂系统隔振设计中可根据实际的工程设计需求布置小质量振源设备。

3.4 安装基座结构参数影响规律分析

筏架结构重量、隔振器参数等均保持不变，通过调节安装基础面板厚度获得安装基础阻抗参数改变对集成支承隔振系统振动传递特性影响规律。 对隔振系统设置如表5 所示的安装基础面板厚度参数，对4 台 C 型泵、1 台 D 型泵和 1 台 E 泵施加 10～315 Hz频率范围内的载荷谱，得到隔振器参数下层隔振器下端与安装基础连接处的振动加速度响应如图6所示。

表5 安装基础阻抗参数及安装基础振动响应

图6 不同面板厚度下安装基础振动响应

如图6 所示，安装基础阻抗越大，传递到安装基础上的振动加速度响应越小， 隔振系统减振效果越好， 但集成支承隔振系统对于安装基础阻抗的参数敏感性低于隔振器刚度参数。 在浮筏隔振系统时应注意加强安装基础结构强度和刚度， 增加安装基础阻抗。

4 结论

本文针对大质量复杂隔振系统开展了隔振参数敏感性分析研究，主要结论如下：

（1）筏架结构重量、隔振器刚度、安装基础阻抗等参数均对浮筏隔振系统振动传递特性有一定的影响，且隔振系统对于隔振器刚度参数最为敏感，对于安装基础阻抗参数敏感性次之，对于筏架结构重量参数敏感性最低；

（2）对于静设备重量较大的系统，筏架结构与被支承设备重量比在0.1 以下时也可获得良好的减振效果，这与常规浮筏隔振系统重量比需大于0.5 的设计原则存在显著不同， 故对于大集中质量复杂系统筏架设计可在保证刚度、 强度基础上降低筏架结构重量；

（3）小质量泵类设备布置位置对于集中质量浮筏隔振系统振动响应影响十分有限，在隔振设计中可重点考虑安装、维修因素布置小质量泵类设备。

上述结论可为集中质量动力装置浮筏隔振工程设计提供技术支撑。