橡膠動力吸振器在艉軸上的應用

胡小剛, 鄭永, 謝紹祥, 郭曉軍, 張亞新

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

0 引 言

艉軸會對船舶整體結構產生較大振動,合理控制艉軸振動具有重要意義[1]。大型船舶艉軸加長,這對控制長艉軸振動提出更高的要求。目前,大多采用有限元方法對艉軸安裝過程進行仿真,分析艉軸的變形撓度,優化安裝方法[2]。為消除艉軸架強度過度設計,考慮耦合的內力計算理論需要結合實際情況才更為精確[3]。

在船舶建造中,國內通過制定輕量化的艉軸架設計參數,來實現更好的經濟效益[4]。然而,艉艙段的振動噪聲控制非常復雜,動機不平衡、齒形誤差、軸不對中、殼體局部共振、軸承摩擦、艉軸在自身軸線振動、潤滑品質變差以及澆鑄缺陷等,都會產生振動噪聲[5-6]。提高艉軸組件加工精度,采用低噪聲設備等方法雖然可以減少振動,但對設備和技術人員等的要求很高,時間成本、經濟成本也往往難以承受。船舶軸系的不對中或者彎曲使得艉軸的運動振幅增大,一旦超過艉軸與軸頸間隙時會引起二者的摩擦,從而影響船舶軸系的正常運行與船舶動力系統的功能發揮[7]。

目前,隔振器是機械設備減振最常用、最有效的方法之一,考慮到軸系對中等問題,隔振器剛度不能過低,限制了隔振器性能的進一步提高[8]。阻尼材料減振技術簡單實用,但其只對中、高頻振動有效,對低頻振動效果不明顯,且受耐油、耐高溫性能的影響,應用范圍有限。為進一步降低船舶艉軸的振動噪聲,本文研究一款橡膠動力吸振器,通過CAE仿真分析及試驗,驗證其有效性。

1 橡膠動力吸振器結構設計與分析

1.1 橡膠動力吸振器技術對策與分析

在設計上,橡膠動力吸振器直接在設備上安裝使用,需要充分考慮其兼容性、可靠性:一方面,需要對安裝目標設備進行結構測繪分析,確定其許用安裝空間,確保在目標設備上安裝的兼容性;另一方面,需要基于可靠性第一的原則優選關鍵器件,在技術設計、工藝設計和制造過程中,確保其性能和可靠性滿足要求。

在技術上,橡膠動力吸振器減振可以在某型艉軸上得到應用。橡膠動力吸振器的組成結構屬于非線性范疇,工程應用的關鍵是掌握其設計思想、安裝和調試方法:(1)對目標艉軸設備振動特性進行測量分析,明確橡膠動力吸振器的控制目標[8];(2)開展理論仿真和實驗研究,掌握其減振機理和快速調試方法;(3)運用橡膠阻尼動力吸振技術來降低目標艉軸的振動。

1.2 橡膠動力吸振器建模與分析

根據設計要求,對某型船舶艉軸設備的某個特定頻率進行動力吸振器設計?？紤]到安裝位置和應用條件,目標設備處于旋轉狀態,且所針對的吸振頻率在一定范圍內存在波動情況,因此需要選用能滿足旋轉狀態且具有一定頻率范圍內調節功能的橡膠動力吸振器。橡膠動力吸振器的目標設備系統可以將主系統簡化為單自由度系統,其質量、剛度和阻尼為通過測試得到的等效值;在該系統上附加輔助系統,輔助系統采用有橡膠阻尼的動力吸振器。力學模型[9]見圖1。

注:m1—艉軸等價模態質量;m2—橡膠動力吸振器外圈質量環的質量;k1—艉軸等價模態剛度;k2—橡膠動力吸振器剛度;c1—艉軸等價模態阻尼;c2—橡膠阻尼;x1—艉軸振動位移;x2—振器振動位移;F1—艉軸激振力幅

系統的動力微分方程為

(1)

根據式(1),可以估算出目標系統下所設計的橡膠動力吸振器安裝時的吸振效果。為保證橡膠動力吸振器在整個頻率范圍內都有較好的減振效果,在設計其參數時,應使P、Q定點的縱坐標相等且成為主系統振動頻率曲線上的最高點,為滿足這一條件,最優的吸振器參數如下:

(2)

為使減振效果達到預定要求,在滿足上述最優參數的情況下,還應使P、Q定點縱坐標所對應的振幅小于允許的振幅,即

(3)

式中:δst=F1/k1,即艉軸在與激勵力幅相等的靜力F1作用下產生的靜變形;A1,P為定點P的振幅峰值;A1,Q為定點Q的振幅峰值;A允許為艉軸額定運行下的最大振幅。

根據式(1)～(3)進行計算,并繪制出主系統振幅比頻響曲線,見圖2。圖中,f1和f2分別為P、Q定點峰值對應的固有頻率;ξ=0表示無阻尼,類似純粹鋼彈簧結構;ξ=∞表示阻尼比無窮大,完全不振動;λ為激勵頻率與原有艉軸振動固有頻率之比。

圖 2 主系統振幅比頻響曲線

橡膠動力吸振器的設計參數和設計結果如下:質量0.247 kg,等價質量4.97 kg,質量比0.05,剛度6 088.3 N/m,橡膠損耗因子0.26,吸振頻率25 Hz,最大振幅比5.4,定點P峰值對應的固有頻率為22.607 Hz,定點Q峰值對應的固有頻率為28.152 Hz。

2 仿真分析與效果驗證

2.1 參數設計仿真分析

橡膠動力吸振器的結構示意見圖3,其內環緊固結構、中間彈性阻尼層、外圈質量環通過硫化或粘結等形成半圓形組合體。用內環小卡箍將2件半圓形組合體的內圈固定環固定夾緊在艉軸上,用外環大卡箍將外圈質量環夾緊,使得2件半圓形組合體成為一個整體,組成橡膠動力吸振器。

注:1—外圈質量環;2—中間彈性體阻尼層;3—內圈固定環;4—卡箍一;5—卡箍二

運行過程中的艉軸基頻振動控制分為彎曲和扭轉2種形式。為更好地控制艉軸基頻振動,分別設計彎曲用動力吸振器和扭轉用動力吸振器2種形式,二者結構尺寸相同,但質量塊和彈性元件選用的橡膠材料各不相同。在HyperMesh中采用2階Hex20四面體單元進行網格設置,網格單元為50 000～60 000個。橡膠部件采用mooney-rivlin超彈性系數C10、C01、D1賦值,選用2階完全積分單元C3D20H,自帶雜交公式來計算橡膠部件壓縮變形;其余金屬件采用C3D8R單元[10-11],選取線性減縮積分計算金屬部件的應變。網格模型見圖4。

圖 4 吸振器網格模型

用有限元分析計算橡膠動力吸振器的前4階約束模態,計算結果見圖5。各階模態振型的頻率見表1。選擇不同的材料參數,使其工作模態頻率滿足吸振特征頻率要求[12]。

(a)第1階

表 1 前4階模態振型頻率

用仿真計算得到的橡膠材料參數進行動力吸振器的膠料調配,適當改變尺寸進行動力吸振器的硫化加工制造。對于彎曲用動力吸振器,其控制頻率按第1階固有頻率取25 Hz,外圈質量環選用鋁材,彈性元件選用丁腈橡膠,橡膠硬度55度(橡膠國標邵氏硬度);對于扭轉用動力吸振器,其控制頻率按第3階固有頻率取25 Hz(本文未給出,參照圖5約束模態振型計算得到),外圈質量環選用45#鋼,彈性元件選用硅橡膠,橡膠硬度為26度(橡膠國標邵氏硬度)。

2.2 吸振效果驗證仿真分析

對設備系統安裝橡膠動力吸振器前后進行動力學仿真分析,驗證所設計橡膠動力吸振器的吸振效果。用Adams軟件構建艉軸模型,輸入實際測量到的振動信號(頻域成分相同),計算橡膠動力吸振器的減振效果[13]。

考慮到艉軸振動工況分為彎曲和扭轉2種形式,分別對其進行建模和仿真分析。圖6為艉軸彎曲工況下橡膠動力吸振器三維模型和Adams分析模型,僅考慮艉軸垂向彎曲振動,因在計算過程中不能將軸承簡單作為剛體處理,故采用彈簧代替。艉軸彎曲工況下橡膠動力吸振器的控制目標頻率為艉軸第1階基頻傾覆振動頻率25 Hz,動力吸振技術產生的反作用力能大大減小艉軸振動,此時可以將艉軸作為剛體處理、將橡膠動力吸振器本身附加阻尼作為柔性體處理。

(a)三維模型

仿真過程中,在艉軸質心施加單頻正弦激勵,頻率為25 Hz、幅值為100 N,分別計算模型安裝橡膠動力吸振器前后艉軸質心處的振動加速度響應。橡膠動力吸振器質量為0.247 kg,艉軸質量為9.925 kg。安裝橡膠動力吸振器前后艉軸質心振動加速度響應對比見圖7。安裝吸振器后,艉軸質心振動加速度響應幅值從0.07 m/s2降低至0.025 m/s2,有效減小艉軸運行過程中的25 Hz彎曲振動。

(a)安裝動力吸振器前

圖8為艉軸扭轉工況下橡膠動力吸振器三維模型和Adams分析模型,橡膠動力吸振器與艉軸之間添加扭簧,針對控制目標頻率為艉軸第3階繞軸向平面內扭轉振動,因軸承主要起垂向支撐功能,其扭轉剛度可忽略不計。

(a)三維模型

仿真過程中,艉軸仍視為剛體,在艉軸質心施加單頻正弦扭矩激勵,頻率為25 Hz、幅值為1 N·m,分別計算模型安裝吸振器前后艉軸質心處的振動角加速度響應。橡膠動力吸振器質量為0.703 kg,繞中心軸線的轉動慣量為4.895 4×10-3kg·m2,艉軸質量為9.925 kg,繞中心軸線的轉動慣量為1.275 6×10-2kg·m2。

安裝吸振器前后艉軸質心振動角加速度響應對比見圖9,可知安裝吸振器后,艉軸質心振動角加速度響應的幅值降低超過50%,可以有效減小艉軸運行過程中的25 Hz扭轉振動。

(a)安裝動力吸振器前

綜合分析結果,可以得到橡膠動力吸振器的設計思想和使用方法:橡膠動力吸振器的作用是減小艉軸在設備特征線譜頻率下的振動,當橡膠動力吸振器的調諧頻率與艉軸振動激勵頻率相近或相等,且該動力吸振器調諧頻率下的振型與艉軸的振動情況一致時,艉軸振動就會不可逆地傳遞到該動力吸振器上,從而降低艉軸的振動。其中,在調諧頻率不變的情況下,橡膠動力吸振器外圈質量環的質量越大,吸振效果越好。

橡膠動力吸振器的彈性元件是有阻尼的橡膠,其作用在非共振區,橡膠元件的阻尼越大,吸振效果越差;橡膠動力吸振器具有一定的吸振頻帶寬度,當設備特征線譜有一定波動時,仍具有較好的減振效果。因此,在設計橡膠動力吸振器時,需要設計合理的橡膠阻尼系數。

3 性能測試與效果驗證

3.1 橡膠動力吸振器性能測試

為確定所設計的橡膠動力吸振器滿足設計要求,確保動力吸振器的調諧頻率與控制頻率一致,在彎曲和扭轉工況下橡膠動力吸振器加工試制完成后,采用多點激勵單點響應(MISO)方式進行模態試驗[14]。模態試驗時,通過移動力錘激勵點測量單點加速度傳感器響應,前8個激勵點為在吸振器外圈質量環端面上沿軸向分布,后8個激勵點為在外圈質量環圓周頂部沿圓周切向分布,見圖10。

(a)外圈質量環端面

根據艉軸彎曲和扭轉工況下橡膠動力吸振器外形尺寸和測點位置,建立如圖11所示的分析模型,并將加速度傳感器實測振動數據輸入到模型中建立約束關系,約束關系見圖12。分別對其模態試驗數據進行分析,識別出2種橡膠動力吸振器主要階次的模態參數,如模態頻率、阻尼、振型等。

艉軸彎曲和扭轉工況下橡膠動力吸振器的模態測試結果見圖13和14,可知在現有結構設計基礎上,通過選用計算得到的質量元件、橡膠膠料配方及硬度,基本可以確保艉軸在彎曲和扭轉工況下橡膠動力吸振器的調諧頻率約為25 Hz。

3.2 橡膠動力吸振器裝機效果驗證

測試加裝橡膠動力吸振器前后艉軸的振動值[15],驗證橡膠動力吸振器的吸振效果,艉軸振動測點安裝示意見圖15。

(c)第3階模態頻率75.8 Hz,阻尼比14.54%

(c)第3階模態頻率26.32 Hz,阻尼比8.04%

圖 15 艉軸振動測點安裝示意

艉軸按照1 500 r/min的額定轉速運行,在橡膠動力吸振器外圈質量環背面設置動平衡矯正孔(見圖16),通過調整孔的數量、直徑以及配套安裝動平衡矯正螺釘,達到動平衡度要求。如果初始狀態動平衡度滿足要求,也可以不開動平衡矯正孔。

圖 16 動平衡矯正孔示意

圖17所示為橡膠動力吸振器安裝在艉軸測試樣機上的測試現場。

A1、A3為軸承座頂端,A2、A4為軸承座端面。A1測點各方向頻譜曲線在考核頻率25 Hz的振動值,見圖18和19。

圖 17 艉軸上橡膠動力吸振器安裝測試示意

圖 18 未安裝橡膠動力吸振器前各測點的振動頻譜

圖 19 艉軸安裝橡膠動力吸振器時各測點的振動頻譜

艉軸以額定工況運行,測量該測試樣機在艉軸部位上安裝橡膠動力吸振器前后的振動加速度值,換算成噪聲值見表2。

表 2 A1測點各方向噪聲值 dB

由表2可知:

(1)艉軸彎曲工況下安裝橡膠動力吸振器后,艉軸A1測點x方向(即艉軸徑向)的振動加速度值降低超過3 dB。由于橡膠動力吸振器質量較小,且艉軸基頻振動并不明顯,因此吸振器的減振效果仍有較大的提高空間,可將鋁材換成其他密度更大的金屬材料等。

(2)艉軸扭轉工況下安裝橡膠動力吸振器后,該頻率與第4階模態(橡膠和外圈質量環繞軸向平面內扭轉)相近,故在A1測點y方向(即艉軸軸向)出現較好的減振效果,達到4 dB以上的吸振效果。

4 結 論

本文研究橡膠動力吸振器在某型號艉軸上的設計與應用,形成一套合理可行的設計與試驗流程,為后續橡膠動力吸振器的研究提供參考。