船用立式高压空压机振动分析与试验研究

朱宝庆，张志恒，张成彦，李小仨，邢志胜，谭跃进

（合肥通用机械研究院有限公司 压缩机技术国家重点实验室，合肥 230031）

0 引言

近年来，我国船舶工业蓬勃发展，对船用空压机的性能要求也越来越高，尤其体现在振动降噪、抗冲击以及可靠性等方面［1］。船用高压空压机一般通过隔振装置与甲板弹性连接，空压机组、隔振装置（单层隔振和双层隔振）及甲板形成一个单元体，称之为振动系统。

振动系统的振动强度通常用振动位移、振动速度、振动加速度来表示［2］。振动位移具体地反映了振动幅度的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。鉴于此及使用条件，该机组除了用振动烈度衡量外，还用机脚振动总振级以及机脚在各个中心频率的加速度来综合考量振动强度。对高压空压机组在振动指标上的要求主要体现在3个方面：

（1）在额定工况下，空压机主机机脚的振动加速度总振级不得大于规定值；

（2）在额定工况下，空压机主机机脚在20～10 kHz频率范围内的振动加速度不得高于GJB 763.2-89［3］（或技术协议）规定的限值要求；

（3）隔振装置的隔振效果在低、中、高各频段均要满足要求。

本文以某船用立式高压空压机为研究对象，从积极减振和消极隔振2个维度进行振动分析和试验研究。积极减振就是消除或减小空压机本身的激振力；消极隔振通常指用基础或减振器对空压机组的振动进行限制。理论上讲，当立式空压机的两列往复质量相等时，其一阶往复惯性力可自动平衡，但由于双列结构的空压机两列之间有一定间距，导致一阶惯性力矩的存在，这就是该空压机的激振力，主动减振就是要对引起振动的运动结构进行优化，应该尽量使一阶惯性力矩达到平衡，减小激振力。

该空压机组采用双层隔振装置进行减振，用以减小传导到船体上的振动。需通过理论分析，提出空压机与隔振装置的多种组合方案，在模拟试验装置上对各方案进行振动效果测试，从消极隔振角度考虑，寻求与空压机最佳耦合的隔振装置，实现系统振动性能最佳。

1 振动机理

空压机主机为两列立式曲柄连杆机构，主轴转速1 200 r/min。由于未被平衡的一阶惯性力矩和附加旋转惯性力矩的存在，空压机运转过程中会产生振动，通常用基础或减振器进行限制。

1.1 机组结构与激振力

高压空压机主机为立式、双列、单作用往复活塞式结构如图1所示，两气缸中心线平行，曲拐错角180°。机组减振装置为双层结构如图2所示。

图1 某立式高压空压机主机结构示意

图2 某立式高压空压机机组

假定两列往复质量完全相等，根据《容积式压缩机技术手册》［4］，惯性力和惯性力矩分别为：

一阶往复惯性力：

二阶往复惯性力：

一阶惯性力矩：

式中 ms——单列往复质量，kg；

r ——曲柄半径，m；

ω ——曲轴旋转角速度，rad/s；

λ——曲柄半径连杆比；

θ ——曲柄转角，°；

a ——两列气缸中心间距，m。

二阶惯性力矩：

旋转惯性力：旋转惯性力矩：

式中 mr——单列旋转质量，kg。

当两列往复质量完全相等时，一阶往复惯性力IⅠ、旋转惯性力Ir、二阶惯性力矩MⅡ均为0，所以设计制造时要保证两列往复质量尽可能相等。一阶惯性力矩、旋转惯性力矩和二阶往复惯性力是引起振动的主要激发源，其中一阶惯性力矩数值较大，应重点关注。

旋转惯性力矩Mr可以在曲柄相反方向上加一平衡重，以平衡掉旋转惯性力矩。所加平衡质量mo应满足：moro=mrr。其中ro为平衡重中心的旋转半径；mo为平衡旋转惯性力矩的平衡重质量。

一阶惯性力矩的平衡可以在曲柄销的反方向加一平衡重，但同时又增加了一个不平衡旋转惯性力矩，这是一对矛盾。所以只能再加一个比较小平衡重，平衡掉一部分一阶惯性力矩的同时又保证新产生的不平衡旋转惯性力矩不至过大。事实上，该平衡块与旋转惯性力矩平衡块为一整体，可以用下式来计算总的单个平衡质量：

式中 Mb——单个平衡块质量，kg；

rb——平衡块中心到主轴的距离，m；

k —— 一阶惯性力矩平衡系数，一般取0.30～0.50，通过试验验证。

二阶往复惯性力ⅠⅡ是周期性变化的，而方向始终处于水平方向，所以不能用加平衡重的方法来加一平衡。未被平衡的惯性力和力矩是产生振动的激振力，在该空压机中，增加了一中间轴承座，在皮带轮侧采取双滑动轴承结构也是为了减小激振力，也是积极隔振的有效措施。

1.2 振动机理

根据文献［4］，其振动特性可以用下列方程描述：

式中 Z ——振动位移，m；

c ——阻尼系数；

m ——主机重量，kg；

ωn——系统固有频率，Hz；

n ——主轴转速，r/min；

I —— 不平衡惯性力（力矩转换成作用在轴承受力），N；

Am——振幅，m；

θ0——初始相位角，°；

V ——振动速度，m/s；

a ——振动加速度m/s2；

Kz——系统刚性系数；

ω ——空压机主轴旋转频率；

μ ——阻尼比。

由此可以看出，减小激振力，可以减小振动振幅、位移、速度、加速度。增加刚度具有两面性，一方面可降低振幅，见式（12）；另一方面会引起系统固有频率增加，从而导致振动速度、加速度增加。增加重量，可以降低系统固有频率，但同时降低了阻尼比μ，会导致振幅增大。一般来说，增加重量可以降低振动速度、加速度。

1.3 固有频率与旋转频率

系统固有频率ωn与系统的刚性系数和系统质量有关，旋转频率ω是压缩机主轴转动频率，该机旋转频率为20 Hz。当旋转频率与固有频率相等时，其振幅、速度及加速度都很大，即产生了共振现象，机组设计时应充分考虑并通过设计手段避开共振。

2 隔振装置

空压机组采用双层隔振装置如图2所示，上层为4只橡胶减振器，与空压机底架连接；下层有6只橡胶弹簧组合减振器，和船的甲板连接；两层隔振通过中间质量块连接。

一般来说，对于弹性安装的船用空压机组，隔振装置能吸收空压机运转过程中产生的振动，使传递到甲板上振动减小，提高其隐身性；另一方面隔振装置会放大空压机的机脚加速度，波及到与空压机连接的设备振动。所以，上、下两层减振器的刚度和阻尼均不相等，一般上刚下柔。另外，中间质量块的重量、阻尼都会对系统振动的大小及分布产生影响，必须做到上、下层隔振器块、中间质量块和空压机的有机统一、协调、耦合，才能使振动各项指标均满足要求。所以空压机结构不同采用的隔振装置也不同。

3 振动测试试验

为了解决整个机组系统的振动问题，专门建立了模拟船上安装状态的试验台，在实验室按照文献［5-6］的试验方法进行了一系列试验。

（1）空压机主机运动件优化设计试验，对主机的曲柄、连杆、活塞机构各件（包括配重）的重量及重心进行精确测量优化平衡，在同一隔振装置上，进行对比试验，试验结果见如图3所示。（试验条件：两列往复质量相等，一阶惯性力矩平衡系数 k=0.35，0.40，0.45，0.50）

图3 压缩机平衡重增加重量后测试结果

（2）通过减小下层隔振器刚度（弹簧钢丝直径由20 mm减小到19 mm），改变机组的固有频率，并进行振动测试。测试结果如图4所示。

图4 减小下层隔震器刚度（改变弹簧直径）后测试结果

（3）通过增加上层弹簧的预压缩量（5，10，15 mm）和限位的方法，改变减震弹簧的行程（如图5所示），并进行振动测试。测试结果如图6所示。

图5 改变弹簧预紧力机构

图6 增加上层弹簧预压缩量后测试结果

（4）将上层隔振器取下，空压机通过4只钢质垫块与中间质量块连接，改变隔振装置的阻尼量，并进行振动测试。测试结果如图7所示。

图7 将上层减震器改为铁块连接后测试结果

（5）将上层隔振器改为橡胶隔振器（刚度1 450 000 N/mm、固有频率fn 8.7 Hz）振动测试。测试结果如图8所示。

图8 上层隔震器改为减震器后测试结果

（6）通过增加空压机底座刚度的方式，改变机组支撑的边界条件，并进行振动测试。测试结果如图9所示。

图9 增加空压机底座刚度后测试结果

4 试验结果及分析

因为增加了基础的重量和刚度。

最终，空压机组优化后的减振方案为：增加平衡块重量，使一阶惯性力矩达到最佳平衡；对空压机底座（基础）进行加厚加固；采用双层隔振（上层为硬质橡胶减振块，下层为弹簧和橡胶的组合体）。测试结果表明，各项指标均满足要求（见表6）。需要指出的是机组的机脚振动加速度在20 Hz中心频率时仍较大，这是因为该机曲轴的旋转频率为20 Hz，是不可避免的，也是技术协议允许的。

5 结论

试验数据曲线见图3～4和图6～9，从试验结果可以看出：

（1）随着一阶惯性力矩平衡系数k的增大，机脚加速度、总振级都有所降低，而当k由0.45增至0.50时，振动效果基本一样，可以认为一阶惯性力矩平衡系数为0.50时空压机主机振动效果最佳。由于机构空间的限制，取k=0.45。

（2）降低下层隔振器刚度，总振级有所下降，但机脚加速度突变点个数和峰值没有减小，这说明该方法只能改变振动加速度的频率分布，而不能使振动和隔振效果有实质性的改善。

（3）随着上层弹簧的预压缩量的增加，总振级和机脚加速度都有所降低，但隔振器的隔振效果也有所下降。这是因为空压机通过上层弹簧与隔振装置的中间质量块连接，可以认为中间质量块的一部分重量叠加到空压机上，使空压机重量增加，弹簧预紧力越大，叠加的重量越大。这样系统振动模态发生了改变。特别地，当预紧力很大时，可以认为中间块的质量完全叠加到空压上，双层隔振也就成了单层隔振了。

（4）当空压机通过4个钢块与中间质量块连接时，事实上该隔振装置也就基本成了单层隔振，也就是试验（3）的极限情况，总振级和机脚加速度都有明显下降，但隔振装置隔振效果较差，不能满足要求。

（5）将上层隔振器改为刚度较大的橡胶隔振块，机脚加速度和总振级与单层隔振相比虽然稍有增加，但也在允许范围内，重要的是提高了隔振装置的隔振效果，满足要求。

（6）将空压机底座（基础）钢板加厚，并在局部增加加强筋，振动效果进一步得到改善。这是

（1）消除或减小空压机主机未被平衡的往复惯性力和惯性力矩是主动减振的主要手段。

（2）隔振装置的型式与空压机结构特点相关，不同结构的空压机采用不同型式的隔振装置。

（3）对于采用双层隔振装置的立式空压机组来说，上下两层应采用（刚度、阻尼）不同的隔振块，上层隔振器的刚度要大，下层隔振器的刚度要小，才能使机脚振动加速度和隔振效果均满足要求。

（4）减振系统设计时应将空压机底座（基础）作为弹性体来考虑，空压机底架、安装甲板平整，二者连接可靠，也可减小振动。