船舶动力设备及推力轴承集成隔振系统设计_何江洋

［2 ］ 大型动力设备和推进主机的机械噪声控制问题 。 当动力设备噪声得到有效控制后， 推力轴承的振动
0
引
言
现代船舶减振降噪面临的主要问题之一是机械 噪声过高，大型动力设备噪声以及螺旋桨脉动力引 起的推进轴系纵向振动经推力轴承传递到船体 ， 可 ［1 ］ 激发船体强烈的振动 。 因此， 必须采取有效的技
Nx kr 0
x
Nx kr （ zf － zd ）
i =1
（ 1）
T xp ， yp ， zp ， 其中： x p = ［ α， β， γ］ 为系统重心在 x， y， z 坐标方向的位移和系统绕 x，y，z 坐标轴的转动角 T Fx ， Fy ， Fz ， Mx ， My ， Mz］ 度； F =［ 为系统所受外界力分 解后合成的列向量； M 为系统质量矩阵； K 为系统总
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集成隔振系统设计构想
本文提出将船舶主要动力设备与推力轴承安放在 同一公共基座上，基座用固有频率低、横向大刚度隔 振器与船体连接，分别在垂向、横向、纵向均布隔振 器，垂向隔振器用来支撑主要动力设备及推力轴承重 量，纵向隔振器与横向隔振器保证隔振装置与推进轴 系运行稳定，并承担部分螺旋桨推力 （ 见图 1） 。集成 隔振系统可将推力轴承对船体的集中力转化为各个隔 振器对船体的分散作用力，不仅可有效地隔离动力设 备和推力轴承振动，并使推力轴承受螺旋桨推力产生 的变形很小，从而维持推力轴承和轴系的正常工作。 开展集成隔振系统设计研究要解决的关键问题 是螺旋桨推力与隔振系统刚度特性匹配设计 ， 主要 包括： 系统可有效隔离由螺旋桨脉动力引起的轴系 振动； 船舶各种运行工况下， 系统位移满足轴系运 行安全性要求。
刚度矩阵 K 的表达式为
Nz Ny Nx T T K = Σ GT i K ki G i +Σ G i K ci G i +Σ G i K fi G i 。 （ 2 ） ki ci fi
式中： G i 为隔振器的位置变换矩阵， 即将隔振器在 安装位置处的刚度坐标矩阵变换为在重心处的刚度 矩阵，K ki ，K ci ，K fi 分别为基座垂向、横向、纵向隔 振器在安装位置处的刚度矩阵。 船舶非倾斜摇摆工况下， 隔振系统所受外力 F =［ Fa 0 0 0 Fa l
c z ［ 7 ］
{
位移。
表1 Tab. 1
x p = 0. 637 6 ， mm； zp = 0； mm / m。 β = 0. 068 5 ， （ 9）
。 （ 4 ） 0 Ny kq 0 N Ny kp （ zc － zd ） 0 Ny kp （ zc － zd ） 2 +Σ （ xci － zd ） 2 kq
Ny kp 0
y
Ny kp （ zc － zd ）
i =1
其中： N z ，N x ，N y 分别为垂向、纵向、 横向隔振器 个数； k p ，k q ， k r 分别为隔振器三向刚度； z j ， x j （ j = k， f， c， d ） 分别表示垂向、 纵向、 横向隔振器的安
已成为船舶降噪的另一主要噪声源 。 对于推力轴承隔振， 由于受轴系纵向静态允许
收稿日期： 2012 － 04 － 10 ； 修回日期： 2012 － 07 － 04 作者简介： 何江洋（ 1987 － ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为振动与操声控制 。
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舰
船
科
学
技
术
第 35 卷
变形量限制，隔振器刚度不能过低， 因而固有频率 ［3 ］ 也较高，对轴系低频振动隔离效果有限 。 此外， 螺旋桨推力作用在隔振系统上， 隔振装置、 推力轴 承以及推进轴系会产生较大的位移， 使轴系受力状 态恶化，对轴系运行安全性造成影响
thrust bearing which are fixed on the public base is provided． Through the established theoretical model of integrated vibration isolation system，the displacement characteristics of vibration isolation system by the action of the propeller static thrust， and the influence of main designing parameters on displacement characteristics of thrust bearing and natural frequency of the system under the condition of ship tilts are analyzed． The optimizing and computing results show that the displacement of vibration isolation system is small under the ship static and approximate static conditions， and has the design significance to thrust bearing with the function of displacement compensation． Besides， the influence of main designing parameters on natural frequency of the system is low so that the system can isolate the shaft vibration effectively． Key words： ship power equipment； thrust bearing； integrated vibration isolation 术手段进行控制。 近年来， 国内开发出大载荷气囊 隔振器和智能气囊隔振装置技术， 有效解决了船舶
0 Nz kp （ zk － zd ） Nz kp + 0 Nz kr 0 K= N Nz kp （ zk － zd ） 0 Nz kp （ zk － zd ） 2 +Σ （ xki － xd ） 2 kr
z

The scheme of integrated vibration isolator
第1 期
何江洋， 等： 船舶动力设备及推力轴承集成隔振系统设计
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装位置坐标，以及隔振系统重心的位置坐标。 船舶倾斜摇摆时，隔振装置的变形近似于静态过 程，动力装置重力与隔振器支撑力之间的平衡被破坏， 相当于在船舶不倾斜时对隔振系统施加了外力和力矩 。 船舶横倾状态下，隔振系统受力为： Fx = Fa ， F = mgsin α， y F z = mg（ 1 － cos α） ， （ 5） z d （ 1 － cos α） + x d sin α］+ F z z d sin α， M x = Fy［ M = F l（ 1 － cos α） + F x （ 1 － cos α） ， y x z d M z = F x lsin α + F y x d （ 1 － cos α） 。 船舶纵倾状态下，隔振系统受力为： F x = F a + mgsin β， F = mg（ 1 － cos ） ， β z Mx = 0， x d sin β + z d （ 1 － cos β） ］+ M y = mgsin β［ F z［ x s （ 1 － cos β） + z d sin β］+ F a l（ 1 － cos β） ， Mz = 0。 z d 分别为隔振系统重心位置坐标。 集成隔振系统所关心的主要是推力轴承处的位 移，因为推力轴承的位移将影响推力盘与推力块之 间的油膜厚度， 增加额外的轴承载荷， 并对轴系运 行安全性造成影响。 推力轴承处位移表达式为 xc = Gc xp 。 置变换矩阵，其表达式为 E 3 ×3 Gc = 0 0 － ac z ac y a 0 － ac x E3 × 3
［4 ］
刚度矩阵，由隔振器的刚度经坐标变换后集合而成。
。 目前国外
已研制出具有位移补偿功能和低噪声的推力轴承 ， 有效隔离了推进轴系振动， 推力轴承隔振后， 隔振 系统与轴系相对位移得到了较好的补偿
［5 ］
。
图2 Fig. 2 集成隔振系统力学模型平面示意图 The plane schemes of mechanical model of integrated vibration isolation system
第 35 卷第 1 期 2013 年 1 月
舰 船 科 学 技 术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 35 ，No． 1 Jan． ， 2013
船舶动力设备及推力轴承集成隔振系统设计
1， 2 何江洋 ， 何 1， 2 1， 2 琳 ， 帅长庚 ， 徐
伟
1， 2
（ 1． 海军工程大学 振动与噪声研究所， 湖北 武汉 430033 ； 2． 船舶振动噪声重点实验室， 湖北 武汉 430033 ） 摘 要：
T 0］ ， F a 为螺旋桨推力， l
为螺旋桨推力作用位置在坐标系中的垂向坐标 。 此 时隔振系统只在 xoz 平面内产生位移特性， 为简化 分析，6 自由度模型变为 3 自由度模型，且式 （ 1 ） 中 二阶导数量为 0 ，隔振系统模型为 xp Fa K zp = 0 。 β Fa l 式中：
关键词：
船舶动力设备； 推力轴承； 集成隔振 中图分类号： TB53 文献标识码： A 文章编号： 1672 － 7649 （ 2013 ） 1 － 0077 － 05 doi： 10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2013. 1. 017