梁勇剛

摘 要：近年來，船舶工業(yè)的發(fā)展使得船舶推進(jìn)系統(tǒng)的功率進(jìn)一步增大，船舶航速明顯提升，但這也使得船體振動(dòng)更加嚴(yán)重，不僅影響船體安全性，也使得噪聲更大。管路系統(tǒng)作為船舶的核心構(gòu)成部分，若振動(dòng)過于劇烈，會(huì)導(dǎo)致管道的耐久性受到影響，進(jìn)而出現(xiàn)管道損壞的情況，影響管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诖耍疚囊源肮苈废到y(tǒng)中輸流管路為例，具體研究管路系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并探討相應(yīng)的減振降噪措施。

關(guān)鍵詞：減振降噪;管路系統(tǒng);船舶;動(dòng)力學(xué)特性

目前，船舶管路系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上越來越復(fù)雜，并且振動(dòng)問題日益凸顯，以船舶輸流管路為例，其劇烈振動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致管路損壞的風(fēng)險(xiǎn)增加，引發(fā)漏液事故，威脅船舶運(yùn)行安全，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致船體噪聲增大，影響船舶的舒適性。從目前關(guān)于船舶-管路系統(tǒng)減振降噪問題的研究現(xiàn)狀來看，主要集中在空管參數(shù)的研究，忽視了輸流管道內(nèi)部流體的影響，這就導(dǎo)致最終制定的減振降噪方案存在一定的局限性，無法取得預(yù)期的效果[1]?；诖?，本文選擇船舶管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性作為切入點(diǎn)，并結(jié)合管路系統(tǒng)流固耦合效應(yīng)的影響，提出針對(duì)性的減振降噪措施。

1.導(dǎo)致船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)問題嚴(yán)重的原因分析

管路系統(tǒng)是船舶的核心構(gòu)成部分，因此管路系統(tǒng)振動(dòng)劇烈會(huì)加劇船體振動(dòng)，從當(dāng)前船舶工業(yè)的發(fā)展情況來看，導(dǎo)致船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)問題嚴(yán)重的原因主要表現(xiàn)在三方面：其一是受科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及船舶行業(yè)發(fā)展需求變化的影響，船舶航行速度顯著提升，船舶上采用的動(dòng)力設(shè)備、泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備功率增大，這使得船舶管路系統(tǒng)激增力顯著增大，進(jìn)而使得管路系統(tǒng)振動(dòng)更加劇烈[2]。其二是受社會(huì)發(fā)展需求變化的影響，船舶類型更加多樣化，在新型船舶設(shè)計(jì)上，為滿足多元化的使用需求，導(dǎo)致船舶管路系統(tǒng)構(gòu)成愈加復(fù)雜，這也使得船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性難以把握，很難制定出針對(duì)性的減振降噪措施。其三是船舶管路系統(tǒng)不同部分的功能不同，因此在材料使用以及設(shè)備選擇方面差異性較大，不同材料、設(shè)備的特性不同，比如質(zhì)量、阻尼以及剛度等，這使得管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性極為復(fù)雜，其振動(dòng)規(guī)律難以有效把握。

2.船舶管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析

以船舶輸流管道為例，在研究其減振降噪措施時(shí)，不僅要考慮空管狀態(tài)的情況，同時(shí)也要考慮輸流時(shí)的情況。輸流管路看系統(tǒng)在輸流情況下，管路內(nèi)部流體和管壁相互作用產(chǎn)生的流固耦合效應(yīng)是導(dǎo)致管路系統(tǒng)振動(dòng)的重要原因之一，關(guān)于這個(gè)問題，一方面要考慮管道內(nèi)部流體的附加質(zhì)量以及流體離心力產(chǎn)生的附加剛度、科氏力產(chǎn)生的附加阻尼對(duì)管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響;一方面還要考慮管道內(nèi)部流體通過負(fù)阻尼以及壓力脈動(dòng)向管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)灌輸能量產(chǎn)生的影響。

關(guān)于船舶輸流管路流固耦合的問題，其復(fù)雜程度較高，當(dāng)管道內(nèi)部流體流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似于軸向壓力的離心力以及類似于陀螺力作用的科氏力。輸流管道固有頻率會(huì)隨著管道內(nèi)部流體的流速增快而降低，且流速在處于某個(gè)臨界值時(shí)固有頻率會(huì)降到零，此時(shí)輸流管路會(huì)出現(xiàn)靜力發(fā)散失穩(wěn)的情況?？剖狭ο辔缓凸苈氛駝?dòng)速度相位在一個(gè)周期內(nèi)一半相同一半相反，整體表現(xiàn)出復(fù)模態(tài)的特征[3]。此外，在特定條件下，管路還可能出現(xiàn)顫振的情況，主要原因是管路剛度偏低，在流體高速運(yùn)動(dòng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生大幅振動(dòng)，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的靜變形[4]，從而影響輸流管路正常運(yùn)行，甚至還可能導(dǎo)致輸流管路系統(tǒng)被破壞，進(jìn)而影響船舶的安全性。

3.船舶管路系統(tǒng)減振降噪措施

3.1減振措施

關(guān)于船舶管路系統(tǒng)的減振措施，就目前的相關(guān)研究以及實(shí)際應(yīng)用情況來看，阻振質(zhì)量是一項(xiàng)有效的措施。阻振質(zhì)量原本是一種結(jié)構(gòu)噪聲控制手段，在板類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中已經(jīng)極為成熟，目前其開始被應(yīng)用到管道減振當(dāng)中，從實(shí)際效果來看，相當(dāng)不錯(cuò)，具有較高的可行性以及可操作性。針對(duì)同一管道，振動(dòng)波的傳遞損失與阻隔塊質(zhì)量以及回轉(zhuǎn)半徑密切相關(guān)，根據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)處于低頻區(qū)域時(shí)，阻振質(zhì)量影響管路振動(dòng)彎曲波的效果不太明顯，但是隨入射彎曲波的頻率提升，阻振質(zhì)量的效果會(huì)逐漸增加，隔振效果明顯[5]。而阻振質(zhì)量所產(chǎn)生的隔振效果和阻隔塊質(zhì)量以及回轉(zhuǎn)半徑呈正相關(guān)，即阻隔塊質(zhì)量越大隔振效果越好，回轉(zhuǎn)半徑越大，阻振效果越好，反之則越差。一般情況下，在輸流管路上安裝阻振質(zhì)量其實(shí)際效果要略遜于空管，因此要有效降低輸流管路的振動(dòng)，必須要增加阻振質(zhì)量，這樣才能取得預(yù)期的效果。

3.2降噪措施

要解決船舶管路系統(tǒng)的噪聲問題，首選肯定是從噪聲源入手，從噪聲源控制噪聲可以一勞永逸。從船舶管路系統(tǒng)的噪聲源來看，離心風(fēng)機(jī)是主要的噪聲源，其噪聲在很大程度上決定了船舶管路系統(tǒng)的噪聲大小，而要解決離心風(fēng)機(jī)的噪聲問題首先需要確定噪聲源，以便制定針對(duì)性的降噪方案。關(guān)于離心風(fēng)機(jī)的噪聲源可以分為兩種，二者形成的原理不同，其一是氣動(dòng)噪聲，具體又可以分為離散噪聲與寬頻噪聲，其中寬頻噪聲是葉片和氣流的相互作用導(dǎo)致邊界層分離所形成的漩渦產(chǎn)生的;離散噪聲是離心風(fēng)機(jī)的葉輪在周期性運(yùn)行過程中，離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流產(chǎn)生的周期性脈動(dòng)與機(jī)殼相互作用產(chǎn)生的[6]。導(dǎo)致機(jī)械噪聲的原因則比較復(fù)雜，比如葉輪、蝸殼磨損或者損壞時(shí)，振動(dòng)加劇進(jìn)而產(chǎn)生噪聲，或者葉輪的剛度不足，在氣流沖擊作用下葉片振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。為了有效明確離心風(fēng)機(jī)的噪聲源，筆者進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，主要是監(jiān)測(cè)離心風(fēng)機(jī)葉片與蝸舌在離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中哪部分所產(chǎn)生的噪聲最大。通過對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)的葉片與蝸舌部分風(fēng)壓隨著運(yùn)行時(shí)間的變化表現(xiàn)出明顯的周期性，但是二者的變化周期明顯不同，風(fēng)壓變化的趨勢(shì)差異性較大，這表明二者產(chǎn)生的噪聲類型不同，其中以蝸舌頂部風(fēng)壓最大，因此可以認(rèn)定蝸舌部分是影響離心風(fēng)機(jī)噪聲大小的關(guān)鍵，這意味著離心風(fēng)機(jī)的降噪問題應(yīng)重點(diǎn)集中在蝸舌部分。

通過離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)蝸舌時(shí)影響離心風(fēng)機(jī)噪聲大小的關(guān)鍵性因素，因此可以通過對(duì)離心風(fēng)機(jī)蝸舌部分進(jìn)行優(yōu)化來達(dá)到降低噪聲的目的。通過反復(fù)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)蝸舌的圓弧半徑控制在25mm，蝸舌間隙控制在33mm，蝸舌傾斜角控制在18°，離心風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲最小。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)優(yōu)化后的離心風(fēng)機(jī)在200Hz與400Hz時(shí)，噪聲峰值顯著降低，表明通過優(yōu)化蝸舌參數(shù)可以顯著改善離心風(fēng)機(jī)的噪聲問題，可以取得良好的降噪效果。

結(jié)束語：

綜上所述，關(guān)于船舶管路系統(tǒng)減振降噪問題，本文在深入研究管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特定的基礎(chǔ)上，提出利用阻振質(zhì)量降低管路系統(tǒng)振動(dòng)與通過優(yōu)化離心風(fēng)機(jī)蝸舌部分降低離心風(fēng)機(jī)噪聲的措施，并且取得了良好的效果，對(duì)于解決船舶管路系統(tǒng)減振降噪問題具有一定的積極意義。

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