王小軍 張樂(lè)

摘 要：船用離心泵作為船舶主要輔機(jī)設(shè)備，其工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲嚴(yán)重影響船舶運(yùn)行環(huán)境，因此對(duì)其減振降噪的研究極為重要。本文從離心泵的研究現(xiàn)狀出發(fā)，梳理了當(dāng)前常用的減振技術(shù)，詳細(xì)介紹了浮筏隔振系統(tǒng)，并對(duì)部分新型減振手段進(jìn)行概述，為船用離心泵的減振技術(shù)研究提供指導(dǎo)方向。

關(guān)鍵詞：船用離心泵;浮筏;減振

中圖分類號(hào)：U674? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0106-03

船用離心泵被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代船舶，其能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能和壓力能，是船舶正常工作的重要輔機(jī)設(shè)備。船用離心泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)不僅與船舶整體機(jī)組配置有關(guān)，同時(shí)也與泵的制造材料、結(jié)構(gòu)剛度分布、流道形狀等有著密切聯(lián)系。由于船舶的艙室空間有限，船用離心泵工作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)量振動(dòng)及其誘發(fā)的輻射噪聲會(huì)對(duì)船舶運(yùn)行環(huán)境造成很大污染，也嚴(yán)重威脅了船員的生活環(huán)境，因此為保證船舶安全可靠的運(yùn)行，船用離心泵的減振技術(shù)研究格外重要[1-3]。

1離心泵研究現(xiàn)狀

與一般的水泵不同，船用離心泵不僅要滿足水力性能的需求，同時(shí)也要滿足振動(dòng)噪聲控制的要求。目前船用離心泵的研究相對(duì)較少，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化主要是借鑒并利用其他類型的離心泵研究成果和經(jīng)驗(yàn)。

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

Abdulrahman[4]等重點(diǎn)研究了離心泵葉輪葉片葉尖處早期故障的振動(dòng)響應(yīng)，并提出相應(yīng)的故障檢測(cè)與診斷措施，研究結(jié)果表明，葉片通過(guò)頻率處的幅值及軸頻處的高次諧波可以作為故障檢測(cè)與診斷的有效特征。Adamkowski等[5]對(duì)某發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)離心泵泵軸斷裂的原因進(jìn)行了大量研究和分析，研究結(jié)果表明，泵軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和壓力波動(dòng)的共振是造成泵軸斷裂的主要原因，而該壓力波動(dòng)與泵軸轉(zhuǎn)速頻率和葉輪葉片數(shù)相關(guān)。AR Mohanty等[6]利用振動(dòng)信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)對(duì)離心泵的葉輪狀態(tài)進(jìn)行診斷，利用該診斷方法對(duì)離心泵不同葉輪條件下（如正常葉輪和缺陷葉輪）的狀態(tài)進(jìn)行分析，可觀察到明顯差異，表明該診斷方法較為可靠。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

談明高等[7]建立了離心泵空化誘導(dǎo)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以某單級(jí)單吸離心泵為研究對(duì)象，控制其他幾何參數(shù)不變，僅改變?nèi)~輪葉片數(shù)量，測(cè)出不同葉片數(shù)下離心泵的振動(dòng)噪聲信號(hào)，探究了離心泵葉輪葉片數(shù)量對(duì)其振動(dòng)噪聲的影響。劉厚林等[8]對(duì)單級(jí)單吸離心泵進(jìn)行研究，控制其他幾何參數(shù)不變，僅改變?nèi)~輪出口寬度，測(cè)出不同葉輪出口寬度下離心泵的振動(dòng)噪聲信號(hào)，探究了離心泵葉輪出口寬度對(duì)其振動(dòng)噪聲的影響。Lu等[9]對(duì)比分析了離心泵葉輪在空化過(guò)程中不同位置處的流動(dòng)特性和振動(dòng)信號(hào)，研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)水平的變化可以對(duì)空化漸變過(guò)程進(jìn)行有效檢測(cè)。Gao等[10]對(duì)汽蝕引起的離心泵振動(dòng)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：離心泵振動(dòng)水平的升降趨勢(shì)與相應(yīng)的空化狀態(tài)緊密相關(guān)。

2 傳統(tǒng)減振技術(shù)

船用離心泵作為船舶運(yùn)行的重要輔機(jī)，研究其減振技術(shù)本質(zhì)上是研究船舶機(jī)械設(shè)備的減振技術(shù)。當(dāng)前廣泛運(yùn)用的減振技術(shù)按照控制方式可以分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩類。被動(dòng)控制通過(guò)在激勵(lì)源和傳遞途徑之間添加阻尼系統(tǒng)以對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行衰減。主動(dòng)控制通過(guò)在系統(tǒng)中引入次級(jí)振源，經(jīng)監(jiān)測(cè)控制后使系統(tǒng)對(duì)次級(jí)振源和主振源的響應(yīng)相互抵消，從而有效控制低頻線譜。

2.1被動(dòng)隔振

船舶機(jī)械設(shè)備的隔振歷經(jīng)單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振，實(shí)現(xiàn)了多次技術(shù)跨越，減振降噪能力也獲得了大幅提升。浮筏隔振系統(tǒng)利用高彈性阻尼元件將眾多機(jī)械設(shè)備與船體分離，可以有效地對(duì)振動(dòng)傳遞能量進(jìn)行衰減，以達(dá)到降低輻射噪聲的目的，其具有優(yōu)良的隔振效果，近年來(lái)一直是船舶減振降噪技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，在實(shí)際工程上應(yīng)用十分廣泛[11-12]。圖1為浮筏隔振系統(tǒng)示意圖。

筏架的阻尼、尺寸和質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)其性能造成較大影響。張華良等[13]建立浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型，分析了筏架質(zhì)量、筏架剛度以及筏架結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)對(duì)浮筏隔振性能的影響。王新海等[14]以立式船用離心泵為研究對(duì)象，建立了浮筏正面開腔體各幾何參數(shù)與浮筏質(zhì)量、離心泵振動(dòng)特性之間的近似模型，通過(guò)計(jì)算參數(shù)最優(yōu)解，使浮筏減振能力進(jìn)一步提高。

2.2 主動(dòng)隔振

主動(dòng)控制可以消除低頻振動(dòng)線譜，且可根據(jù)船舶航行的實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)時(shí)改變，是一種重要的減振技術(shù)。黃建德等[15]對(duì)離心泵進(jìn)行進(jìn)口靜壓頻譜分析和進(jìn)口流動(dòng)可視化觀察，找尋低頻脈動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)域，通過(guò)使用高壓水源和噴嘴向水泵進(jìn)口處噴射水流，有效地抑制了離心泵的低頻脈動(dòng)。然而，純粹的主動(dòng)隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗能較大，適用條件比較有限，因此人們提出主被動(dòng)混合隔振技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將被動(dòng)隔振器和作動(dòng)器集成，可同時(shí)獲得寬頻隔振效果和線譜控制效果。陳糾等[16]提出一種主動(dòng)浮筏隔振技術(shù)，該技術(shù)將泵集中布置在浮筏上，利用浮筏隔振與主動(dòng)隔振相結(jié)合的方式對(duì)泵類設(shè)備進(jìn)行主被動(dòng)混合隔振，經(jīng)可行性驗(yàn)證后表明，該技術(shù)可對(duì)泵的寬頻振動(dòng)和特征線譜進(jìn)行有效抑制。

3新型減振技術(shù)

3.1 顆粒阻尼減振

顆粒阻尼減振技術(shù)通過(guò)將微小顆粒物質(zhì)按一定的填充率放入振動(dòng)體的有限密閉空間中，利用顆粒與顆粒以及顆粒與容器壁之間的碰撞摩擦對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行耗散。目前顆粒阻尼減振技術(shù)的物理機(jī)制尚不明晰，但因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高效能等優(yōu)點(diǎn)，人們已將其運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域，如齒輪減振[17]，重型壓縮機(jī)機(jī)組減振[18]，機(jī)場(chǎng)風(fēng)塔減振[19]，機(jī)床刀具減振[20]，火箭引擎減振[21]，航天器結(jié)構(gòu)減振[22]等。顆粒阻尼減振技術(shù)作為一種較為新穎的減振技術(shù)，將對(duì)船用離心泵的振動(dòng)噪聲控制技術(shù)研究起到積極的推動(dòng)作用。

3.2 聲子晶體減振

聲子晶體是具有彈性波帶隙的周期性結(jié)構(gòu)材料，其可阻止彈性波在某一頻率范圍內(nèi)傳遞，這為減振技術(shù)的發(fā)展提供了一種新思路。姜超君[23]等根據(jù)典型船用離心泵機(jī)腳的振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出一種聲子晶體薄板，該聲子晶體薄板以硅橡膠為基體、以鉛為散射體，將其引入艙段減振設(shè)計(jì)中進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，結(jié)果表明：引入聲子晶體可在帶隙作用范圍內(nèi)有效抑制振動(dòng)傳遞，使艙段外殼的振動(dòng)響應(yīng)減小。

目前聲子晶體減振的應(yīng)用受到多種限制，使其工程實(shí)用化變得困難：①基體材料的應(yīng)用限制，如硅橡膠[24]、碳化硅[25]、環(huán)氧樹脂[26]、蜂窩鋁[27]、混合材料[28]，各類型聲學(xué)超材料[29]等;②各類型聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式及結(jié)構(gòu)制造工藝的復(fù)雜性限制。

4結(jié)語(yǔ)

船用離心泵的減振技術(shù)歷經(jīng)幾十年發(fā)展實(shí)現(xiàn)了幾次跨越，但未來(lái)仍有很長(zhǎng)的路要走。傳統(tǒng)的減振技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展日趨成熟，但也漸漸達(dá)到瓶頸。新型減振技術(shù)雖然具有廣闊應(yīng)用前景，但其機(jī)理研究尚少，同時(shí)工程應(yīng)用實(shí)例不多，將其廣泛運(yùn)用于船用離心泵的減振降噪還需要進(jìn)行大量研究。

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