吳江海，孫凌寒，孫玉東，尹志勇

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

艦船管路系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)傳輸、流體動(dòng)力和流體信息傳遞功能的同時(shí)，總是伴隨產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲一方面影響著管路系統(tǒng)的正常工作性能，縮短管路元件的壽命，過大的振動(dòng)可造成接頭松動(dòng)，引起流體泄漏和破壞；另一方面當(dāng)機(jī)械噪聲與螺旋槳噪聲得到有效的控制后，管路噪聲成為艦船水下輻射噪聲的主要困難與障礙，關(guān)系著艦船的隱蔽性能與作戰(zhàn)能力。因此管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲受到各國(guó)海軍的高度重視，各國(guó)研制了撓性接管、彈性支撐、動(dòng)力吸振器、管口消聲器等設(shè)備從結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞與管內(nèi)流體介質(zhì)傳遞兩個(gè)途徑進(jìn)行管路系統(tǒng)減振降噪。當(dāng)設(shè)備與方法達(dá)到一定水平時(shí)，實(shí)際建造過程中的安裝工藝會(huì)影響管路元器件的機(jī)械阻抗，進(jìn)而改變?cè)骷c管路系統(tǒng)的阻抗匹配，影響管路減隔振器件的振動(dòng)傳遞特性。因此艦船低噪聲建造工藝技術(shù)被提出，即在艦船建造過程中，研究制定低噪聲建造工藝規(guī)程和檢驗(yàn)驗(yàn)收方法。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究還比較少，張生樂等[1]選取某型船舶上典型管路為研究對(duì)象，進(jìn)行了彈性馬腳隔振器底部螺栓安裝緊固力矩變化對(duì)振動(dòng)傳遞影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，調(diào)整隔振器底部螺栓緊固力矩對(duì)彈性馬腳隔振效果及船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響不大。潘國(guó)雄等[2]對(duì)DN32彈性通艙件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)軸向偏差、角度偏差和軸向與角度組合工藝安裝偏差，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，評(píng)判不同的安裝偏差對(duì)DN32彈性通艙件隔振性能的影響。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明隨著工藝差值的增加，所造成的振動(dòng)加速度級(jí)增量也隨之變大，安裝過程中的工藝偏差會(huì)使得彈性通艙件的隔振性能變差。謝迪波等[3]就理想情況下分析了撓性接管在不同的邊界條件和布置情況下，對(duì)管路中彎曲波的振動(dòng)隔離性能，分析結(jié)果顯示撓性接管能在大部分頻段上有效的隔離彎曲振動(dòng)，也有可能使振動(dòng)放大，與其邊界條件與布置情況密切相關(guān)。此外，羌凱等[4]對(duì)建造過程中焊接殘余應(yīng)力對(duì)圓柱殼的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析。

本文從艦船管路系統(tǒng)安裝工藝參數(shù)出發(fā)，梳理現(xiàn)有的管路彈性支撐、撓性接管等管路減振降噪元器件，分析其安裝工藝參數(shù)對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的影響，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)對(duì)象

彈性管路支撐與撓性接管是目前廣泛采用的管路減振元器件，能有效的降低機(jī)械振動(dòng)向船體的傳遞。國(guó)內(nèi)很多單位對(duì)管路彈性支撐與撓性接管開展了大量理論分析與試驗(yàn)研究，取得了豐碩的成果，開發(fā)了一系列艦船管路彈性支撐與撓性接管產(chǎn)品，并應(yīng)用于實(shí)際艦船管路系統(tǒng)中。但是針對(duì)減隔振元器件在不同安裝工藝狀態(tài)下的隔振性能研究比較少。

圖 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 1 Test model

本文中的試驗(yàn)對(duì)象由DN80閉環(huán)管路系統(tǒng)與艙段綜合管路系統(tǒng)兩部分組成。DN80閉環(huán)管路系統(tǒng)如圖1（a）所示，由 1 臺(tái)臥式安裝的水泵驅(qū)動(dòng)。管路進(jìn)口通徑為DN100，出口通徑為DN80，水泵進(jìn)水和出水管路與壓力筒連接構(gòu)成回路。系統(tǒng)中共有4個(gè)撓性接管，分別位于壓力水筒和水泵的進(jìn)出口。管路中還安裝了2個(gè)剛性支撐和4個(gè)彈性支撐，剛性支撐位于壓力水筒出口與水泵進(jìn)口之間的管路上，彈性支撐位于水泵出口與壓力水筒進(jìn)口之間的管路上。剛性支撐與彈性支撐通過地腳螺絲和地面剛性連接。試驗(yàn)過程中，通過對(duì)同一元器件在不同安裝參數(shù)下，測(cè)試不同工況下相同測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度級(jí)和振級(jí)落差。該部分管路的試驗(yàn)我們稱為第 1 部分試驗(yàn)。

艙段綜合管路系統(tǒng)由低頻大尺度艙段結(jié)構(gòu)、模擬實(shí)艇的通海及滑油冷卻管路系統(tǒng)、耐壓儲(chǔ)水罐組成。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約7.5 m，直接約4.2 m，外肋骨結(jié)構(gòu)。艙內(nèi)安裝有浮筏和管路系統(tǒng)，艙段采用氣囊支撐，整體固有頻率低于5 Hz。浮筏上安裝 1 臺(tái)6CBLG-7型立式多級(jí)離心疏水泵和安裝 1 臺(tái)100CLG-30型臥式離心冷卻泵。這些設(shè)備通過管路連接。疏水泵通過通艙管道進(jìn)水和左舷舷側(cè)閥出水進(jìn)行循環(huán)泵水工作，冷卻泵通過右舷通海閥進(jìn)水為換熱器提供冷卻水，滑油泵從滑油艙泵送滑油至冷卻器。該系統(tǒng)從機(jī)械設(shè)備的隔振安裝、管路空間結(jié)構(gòu)與布局、管路與結(jié)構(gòu)的連接方式等模擬了真實(shí)安裝情況要素。該部分管路的試驗(yàn)我們稱為第 2 部分試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)工況

DN80閉環(huán)管路中，主要進(jìn)行管路系統(tǒng)單個(gè)元器件安裝參數(shù)的試驗(yàn)，測(cè)試包括 1 處“彈性支撐”、1 處“撓性接管”、1 處“彎管”和 1 處“直管”拆裝前后相同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)差值。艙段綜合管路系統(tǒng)主要進(jìn)行管路系統(tǒng)元器件整體安裝參數(shù)對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的影響，測(cè)試包括 1 處“撓性接管”、1 處“彎管”、1 處“閥門”、1 處“通艙件”、2 處“直管”和 4 處“彈性支撐”。

第 1 部分試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)為加速度測(cè)點(diǎn)，加速度傳感器主要布置在水泵出口撓性接管前后法蘭、管路支撐馬腳的上下端、彎管前后、壓力水桶進(jìn)出口撓性接管與管系連接位置處法蘭；第 2 部分試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)為加速度測(cè)點(diǎn)，加速度傳感器主要布置在主疏水泵出口撓性接管前后法蘭，部分管路支撐的上下端，通艙管件及附近艇體，通?？诟浇蛪簹ぃy門前后。2 部分的測(cè)點(diǎn)見下表。

3 第 1 部分試驗(yàn)結(jié)果

第 1 部分試驗(yàn)工況，整個(gè)閉環(huán)管路系統(tǒng)水泵轉(zhuǎn)速保持2 900 r/min不變，管內(nèi)流量為102 t/h。對(duì)由泵驅(qū)動(dòng)的DN80閉環(huán)管路進(jìn)行第 1 部分的 4 個(gè)工況試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)工況采用 2 種安裝參數(shù)，并對(duì) 2 次拆裝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行聲學(xué)質(zhì)量檢查。

表 1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Test point statistics

3.1 彈性支撐安裝參數(shù)

圖 2 測(cè)點(diǎn)布置位置和元器件拆裝位置示意圖Fig. 2 Location of the measuring point and the disassembly position of the components

對(duì)圖2中DN80閉環(huán)管路中彈性支撐S1處進(jìn)行 2次安裝，在安裝過程中為了保持整個(gè)管路系統(tǒng)處于同一水平面內(nèi)，在彈性支撐S1處附近0.5 m范圍內(nèi)，采用剛性繩懸吊，再進(jìn)行安裝。安裝過程中，首先將彈性支撐底部螺栓擰緊，然后再擰緊彈性支撐上部螺栓。2 次安裝過程中，均使用扭力扳手安裝。第 1 次安裝采用40 N·m的力矩，將下端和上端螺栓分別擰緊；第 2 次安裝采用60 N·m的力矩，將下端和上端螺栓分別擰緊。圖3（a）所示為彈性支撐完全拆除的狀態(tài)，圖3（b）為彈性支撐安裝過程情況。

圖 3 彈性支撐拆裝Fig. 3 Elastic support disassembly

安裝現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量參數(shù)包括支撐中心軸距基座距離及支撐距兩端法蘭距離，說明示意如圖4和圖5所示，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

圖 4 支撐中心軸距基座距離示意圖Fig. 4 The distance between the base and the support center

圖 5 支撐距兩端法蘭距離示意圖Fig. 5 The distance between the flange and support

對(duì)比兩次不同安裝參數(shù)下，彈性支撐直接相關(guān)的S1測(cè)點(diǎn)上端與下端振動(dòng)加速度，以及與S1測(cè)點(diǎn)離得最遠(yuǎn)的8#測(cè)點(diǎn)。S1支撐兩次拆裝后，上端測(cè)點(diǎn)兩次振動(dòng)加速度級(jí)相差1.06 dB，下端測(cè)點(diǎn)兩次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.6 dB。8#測(cè)點(diǎn)兩次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.04 dB。由于彈性支撐為隔振元件，需要考察彈性支撐上下的振級(jí)落差，第 1 次安裝支撐上下的振級(jí)落差為8.75 dB，第 2 次安裝振級(jí)落差為7.09 dB。

表 2 彈性支撐安裝工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 2 Deflection data of elastic support installation process

從圖6中可以看出，彈性支撐具有良好的隔振效果，不同安裝參數(shù)下隔振效果都達(dá)到了7 dB以上。在100 Hz以前與200 Hz之后具有很好的隔振性能，中頻段100～200 Hz范圍內(nèi)隔振效果不明顯。在 2 種安裝參數(shù)下，上端與下端的振動(dòng)響應(yīng)變化不大，但由于受不同擠壓力，致使隔振器的隔振性能產(chǎn)生略微的變化，隔振器兩端壓力越大，隔振性能越差。而在遠(yuǎn)離支撐處，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幾乎不變。

圖 6 支撐安裝參數(shù)振動(dòng)測(cè)試響應(yīng)Fig. 6 Vibration test response of supporting installation parameters

3.2 直管段安裝參數(shù)

對(duì)圖2中DN80閉環(huán)管路中位置二處直管段進(jìn)行 2次安裝，安裝過程中需測(cè)量管系距地面高度、法蘭開檔量及法蘭錯(cuò)邊量。法蘭開檔量的測(cè)量為測(cè)量法蘭盤上下端兩法蘭的間距，用下端的間距減去上端的間距，即認(rèn)為是該法蘭盤的開檔量。法蘭錯(cuò)邊量的測(cè)量為使用高度尺測(cè)量 2 個(gè)法蘭盤最高點(diǎn)與地面的距離，兩者相差即為法蘭盤錯(cuò)邊量。安裝現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量參數(shù)見表3。

表 3 工況2工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 3 Case 2 installation parameters

對(duì)比3#，4#測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)加速度級(jí)，如圖7所示，直管段 2 次拆裝后，3#測(cè)點(diǎn)兩次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.18 dB。4#測(cè)點(diǎn)兩次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.91 dB。因此不同安裝參數(shù)下，直管對(duì)振動(dòng)傳遞的影響不大。

圖 7 直管安裝振動(dòng)測(cè)試響應(yīng)Fig. 7 Vibration test response of straight pipe installation

表 4 工況3工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 4 Case 3 installation parameters

3.3 彎管段安裝參數(shù)

對(duì)圖2中DN80閉環(huán)管路中位置3處彎管進(jìn)行 2 次安裝。第 1 次安裝的扭力扳手采用60 N·m的力矩，第2 次安裝的扭力扳手采用70 N·m的力矩。試驗(yàn)過程中同樣測(cè)試彎管的管系距地面高度、法蘭錯(cuò)邊量及法蘭開檔量。安裝現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量參數(shù)見表5。

表 5 工況四測(cè)量數(shù)據(jù)Tab. 5 Case 4 installation parameters

圖 8 彎管安裝振動(dòng)測(cè)試響應(yīng)Fig. 8 Vibration test response of bend pipe installation

考察2#，3#測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)加速度級(jí)。圖8為上述 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)在 2 次安裝后的振動(dòng)加速度對(duì)比情況，由圖9看出，彎管段 2 次安裝后，2#測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.09 dB，3#測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.17 dB。因此不同安裝參數(shù)下，彎管對(duì)振動(dòng)傳遞的影響不大。

圖 9 撓性接管安裝振動(dòng)測(cè)試響應(yīng)Fig. 9 Vibration test response of flexible nozzle installation

3.4 撓性接管安裝參數(shù)

對(duì)圖2中DN80閉環(huán)管路中位置4處的撓性接管進(jìn)行 2 次安裝。第 1 次安裝的扭力扳手采用60 N·m的力矩，第 2 次安裝的扭力扳手采用70 N·m的力矩。試驗(yàn)過程中測(cè)試撓性接管的長(zhǎng)度、法蘭錯(cuò)邊量及法蘭開檔量，安裝現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量參數(shù)見表5。

考察R2A，R2B，1#測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)加速度級(jí)和振級(jí)落差。圖9為上述測(cè)點(diǎn)在撓性接管 2 次安裝過程中管路系統(tǒng)的三向振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比情況。不同安裝參數(shù)下，R2AX測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.09 dB，R2AY測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.15 dB，R2AZ測(cè)點(diǎn)2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.33 dB，R2BX測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.02 dB，R2BY測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.72 dB，R2BZ測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.56 dB，1#測(cè)點(diǎn) 2 次振動(dòng)加速度級(jí)相差0.06 dB。第 1 次安裝前后，X方向振級(jí)落差為14.15 dB，第 2 次安裝前后，X方向振級(jí)落差為13.98 dB，2 次相差0.17 dB；第 1 次安裝前后，Y方向振級(jí)落差為20.49 dB，第 2 次安裝前后，Y方向振級(jí)落差為19.62 dB，2 次相差0.87 dB；第 1 次安裝前后，Z方向振級(jí)落差為8.04 dB, 第 2 次安裝前后，Z方向振級(jí)落差為7.81 dB，2 次相差0.23 dB。

圖中可以清楚的看到，撓性接管具有良好的隔振效果，能降低水泵振源向管路系統(tǒng)傳遞振動(dòng)，其中Y方向的隔振效果最為明顯，達(dá)到20 dB，說明撓性接管對(duì)振動(dòng)彎曲波的隔振效果明顯，且200 Hz以后高頻更為顯著。但不同安裝參數(shù)下，撓性接管的隔振性能并沒有發(fā)生較大的變化。較之前面 3 個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為剛性較大的管路元件對(duì)安裝參數(shù)具有較低的靈敏度，而剛度較小的元器件對(duì)安裝參數(shù)較為敏感。

表 6 工況5測(cè)量數(shù)據(jù)Tab. 6 Case 5 installation parameters

4 第 2 部分試驗(yàn)結(jié)果

第 2 部分試驗(yàn)過程中，疏水泵和冷卻泵的轉(zhuǎn)速保持不變，閥門開度保持不變、管內(nèi)壓力保持不變，對(duì)圖2右中的測(cè)點(diǎn)考察R2A，R2B，S9上下，S10上下，S11上下，S12上下、測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)加速度級(jí)。安裝現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量參數(shù)見表6。

圖 10 部分二振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Second part vibration test results

將表6處安裝參數(shù)同時(shí)考慮以驗(yàn)證安裝參數(shù)集成對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞影響，與第 1 部分試驗(yàn)不同，該部分的試驗(yàn)結(jié)果能較為真實(shí)的模擬艦船中真實(shí)的管路系統(tǒng)。從圖10中看出，撓性接管X方向振級(jí)落差相差0.25 dB；Y方向振級(jí)落差相差0.83 dB；Z方向振級(jí)落差相差0.92 dB；S9支撐振級(jí)落差相差0.47 dB；S10支撐振級(jí)落差相差0.79 dB；S11支撐振級(jí)落差相差0.59 dB；S12支撐振級(jí)落差相差0.08 dB。由此可見隔振器與撓性接管具有較好的隔振性能，管路安裝參數(shù)對(duì)隔振性能的影響不大。

5 結(jié) 語

本文對(duì)管路系統(tǒng)中常見的幾種管路元器件進(jìn)行安裝參數(shù)對(duì)其振動(dòng)傳遞特性的影響分析。通過試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

1）管路系統(tǒng)中彈性支撐與撓性接管具有較好的隔振性能，但在中頻段，兩者的隔振效果不明顯。撓性接管對(duì)管路傳遞的彎曲波具有良好的隔振效果。

2）管路元器件中，剛度較大的元器件對(duì)安裝參數(shù)的靈敏度較低，其振動(dòng)傳遞受安裝參數(shù)的影響較小。

3）不同安裝參數(shù)下，使管路元器件承受不同的初始應(yīng)力，這些初始應(yīng)力可以改變管路元器件的剛度與阻尼，使相同位置處測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值減小。但對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞、各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度總級(jí)影響較小。