張鵬鷹

摘 要：船舶管路系統(tǒng)遍布艦船每一個(gè)角落，是艦船整體減振降噪的重要環(huán)節(jié)。管路系統(tǒng)的振動與噪聲是泵、閥、附件、管路及介質(zhì)綜合作用的結(jié)果。除管路系統(tǒng)本身減振降噪外，管路系統(tǒng)與設(shè)備及船體需進(jìn)行有效的振動與噪聲隔離。本文重點(diǎn)針對水管路及油管路系統(tǒng)，從振動與噪聲的產(chǎn)生、傳導(dǎo)及減振降噪三方面進(jìn)行了研究，并提出了有效的減振降噪方法，成功指導(dǎo)了工程實(shí)踐，起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：船舶 ?管路 ?減振降噪 ?研究

中圖分類號：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0049-02

1 管路系統(tǒng)振動與噪聲危害

液體管路的振動和噪聲的影響，在于管路系統(tǒng)的振動本身對管路有破壞作用，壓力脈動還直接導(dǎo)致管道的應(yīng)力脈動和機(jī)械振動，特別是當(dāng)脈動頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，其破壞作用更大。輕則引起跑冒滴漏，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致系統(tǒng)失效。特別對于運(yùn)行中油系統(tǒng)，噴出的霧化燃滑油遇到高溫物體可能引起火災(zāi)。失效的液壓系統(tǒng)可引起艦船或設(shè)備的操縱失控。失效的消防系統(tǒng)及艙底水排放系統(tǒng)會對艦船的生命力構(gòu)成威脅。后果不堪設(shè)想。同時(shí)振動會傳遞到其它結(jié)構(gòu)，并激勵后者產(chǎn)生聲輻射，管道內(nèi)的噪聲通過管壁向外輻射以及在出口處直接向環(huán)境輻射。管道流體噪聲不僅對船上工作、生活環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，對于軍船還存在破壞其隱蔽性問題。

2 流體動力學(xué)方程

流體的運(yùn)動規(guī)律遵循物理學(xué)三大定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。流體動力學(xué)基本方程組就是這三大定律的描述。

液體流動時(shí)的三個(gè)基本方程是連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程。

2.1 n連續(xù)性方程

ρv1A1=ρv2A2=常量

（管路兩端的兩個(gè)流通面積分別是A1，A2;液體的流速為v1，v2;液體的密度為ρ）。

2.2 伯努利方程（理想流體）

p1+1/2ρv1?2+ρgh1=p2+1/2ρv2?2+ρgh2

（兩個(gè)流通面積分別是A1，A2;液體的流速為v1，v2;兩截面積至水平參考面面的距離分別為h1、h2;ρv1?2、ρv2?2為單位體積液體的動能）。

2.3 動量方程（矢量方程）

ΣF=ρqv2-ρqv1

實(shí)際流體的動力學(xué)基本方程組要復(fù)雜的多，同時(shí)流體動力學(xué)基本方程組是不封閉的，要使其封閉還需增加輔助的物理關(guān)系，如密度、比熱、粘性系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度、壓強(qiáng)的變化關(guān)系等。雖然目前尚不能求得流體動力學(xué)基本方程組解析解，但通過研究這一方程組的性質(zhì)具有極其重要的意義。因?qū)嶋H流體流動的過程遵循這一基本方程組。是管路系統(tǒng)減振降噪的理論基礎(chǔ)。液體管路的振動和噪聲是不可避免的，但可以通過系統(tǒng)的優(yōu)化起到減小和隔離振動和噪聲的效果，從而使船舶的生命力及人員的舒適性大幅度提高。

3 水管路系統(tǒng)振動與噪聲

水管路系統(tǒng)由泵、管路、閥門及附件組成。泵的振動與噪聲、閥門振動噪聲、管系流體壓力脈動是造成水管路系統(tǒng)振動與噪聲的根源。

（1）不穩(wěn)定的水流中存在著壓力脈動，經(jīng)葉片向輸送介質(zhì)傳遞能量時(shí)就會產(chǎn)生壓力脈動，因而是引起離心水泵振動的原因?？拷~輪部分或在葉輪進(jìn)、出口邊壁上的脈動壓力就像許多小鐵錘以一定的頻率敲打水泵。因流體無法承受更大靜壓力梯度，所以存在著較大的邊界層分離的危險(xiǎn)。水流繞流葉片，在葉片正面和背面產(chǎn)生漩渦和脫流以及流體的分離都會導(dǎo)致離心泵內(nèi)的流體處于不穩(wěn)定和不平衡狀態(tài)。水泵進(jìn)口流速和壓力分布不均勻，泵進(jìn)出口工作液體的壓力脈動、液體繞流、偏流和脫流，非定額工況以及各種原因引起的水泵氣蝕等，都是常見的引起泵機(jī)組振動的原因。如小流量運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動，流量低于額定流量的二分之一時(shí)高轉(zhuǎn)速、大型泵的軸和葉輪產(chǎn)生激烈振動。支撐水泵和電機(jī)的基座平面度差或剛性差等原因，也會導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動。進(jìn)水流道設(shè)計(jì)不合理或與機(jī)組不配套會使進(jìn)水條件惡化，產(chǎn)生漩渦，誘發(fā)氣蝕或加重機(jī)組及泵房振動。

（2）閥門振動噪聲是管路系統(tǒng)振動噪聲的重要組成部分。閥門的節(jié)流作用也是產(chǎn)生振動噪聲的主要原因。

（3）流體壓力脈動也是產(chǎn)生船舶水管路噪聲的主要根源。除引發(fā)噪聲外，管路中液體攜帶氣泡破碎產(chǎn)生的空化噪聲，當(dāng)泵入口及調(diào)節(jié)閥等部位的局部壓力低于液體介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)會產(chǎn)生氣泡，管路中的氣泡一旦進(jìn)入壓力正常區(qū)域時(shí)就會發(fā)生破碎，產(chǎn)生噪聲。管路中的彎頭、支管等引起液流方向、狀態(tài)突然變化而產(chǎn)生的噪聲。輸水管道內(nèi)壓力急劇變化和水錘作用等，也常常導(dǎo)致泵房和機(jī)組產(chǎn)生振動。不適當(dāng)?shù)恼婵斩纫矔鹫駝优c噪聲。

4 油管路系統(tǒng)振動與噪聲

油管路系統(tǒng)一般為齒輪泵或螺桿泵，相對于離心泵的水系統(tǒng)，油管路系統(tǒng)的壓力高、液流狀態(tài)變化大、介質(zhì)的粘度大，振動和噪聲大。

（1）液壓管路系統(tǒng)的振動與噪聲源為：①機(jī)械的振動和噪聲，如回轉(zhuǎn)體的不平衡或安裝不當(dāng)引起振動和噪聲，如系統(tǒng)管道支承不良及基礎(chǔ)的缺陷或液壓泵與電機(jī)軸不同心，以及連軸節(jié)松動，這些都引起振動和噪聲。②由于液體壓力流量積聚變化引起，第一，液壓泵的齒輪、葉片及柱塞在吸油壓油的過程中，使相應(yīng)的工作產(chǎn)生周期性的流量和壓力過程中，使相應(yīng)的工作腔產(chǎn)生周期性的流量和壓力的變化，進(jìn)而引起泵的流量和壓力脈動，造成液壓泵的構(gòu)件產(chǎn)生振動，而構(gòu)件的振動又引起了與其相接觸的空氣產(chǎn)生疏密變化的振動，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲的聲壓傳播出去。第二，液壓泵的空穴現(xiàn)象，如果液壓油吸入管道阻力過大，此時(shí)液壓油來不及充滿泵的吸油腔，造成吸油腔內(nèi)局部真空，形成負(fù)壓，如果這個(gè)壓力恰好達(dá)到了油的空氣分離壓力時(shí)，原來溶解在油液內(nèi)的空氣便會大量析出，形成游離狀態(tài)的氣泡，隨著泵的轉(zhuǎn)動，這種帶有氣泡的油液轉(zhuǎn)入高壓區(qū)，此時(shí)氣泡由于受到高壓而縮小，破裂和消失，形成很高的局部高頻壓力沖擊。第三，液壓泵內(nèi)的機(jī)械振動引起液壓系統(tǒng)的振動和噪聲。③液壓閥的振動和噪聲。第一，閥內(nèi)可動零件的機(jī)械接觸產(chǎn)生的噪聲。第二，流體聲，由于液壓閥進(jìn)行節(jié)流、換向、溢流時(shí)，方向及背壓發(fā)生種種變化，導(dǎo)致閥件及管道壁面產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生噪聲。按其產(chǎn)生壓力振動的原因又可分為氣穴聲、流動聲、液壓沖擊聲和振蕩聲。④管路的振動和噪聲，當(dāng)管路的長度恰好等于振動壓力波長一半的整數(shù)倍時(shí)，管路會產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻噪聲。此外，外部振源也可能引起管路的共振。當(dāng)管路的截面積突然變化（急劇擴(kuò)大、縮小或急轉(zhuǎn)彎）時(shí)，都會使其中的液流發(fā)生變化，易產(chǎn)生紊流而發(fā)出噪聲。endprint

（2）滑油系統(tǒng)振動和噪聲源主要滑油預(yù)供泵及滑油備用泵引起，閥的開啟、泵的啟動、系統(tǒng)的卸載或外載負(fù)荷變化等，在由穩(wěn)定狀態(tài)過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)的短暫時(shí)刻，管道內(nèi)部將產(chǎn)生沖擊波，在一定條件下，油管與泵或閥相結(jié)合就會產(chǎn)生管道系統(tǒng)中油液的持續(xù)振動。當(dāng)滑油溫度較低時(shí)，滑油系統(tǒng)的振動和噪聲會較大。當(dāng)管路布置不合理時(shí)，滑油在急彎管路流動時(shí)，滑油系統(tǒng)的振動和噪聲會增大。管路的長度剛好等于發(fā)生共振的管路長度時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振動。

5 減振降噪措施

對管路系統(tǒng)振動噪聲的控制從聲源和傳播途徑兩方面進(jìn)行。即振動與噪聲源及傳播途徑控制。

（1）振動與噪聲源控制。

①選用滿足工作要求的低噪聲泵和閥門等管系設(shè)備、部件。②采用重心定位方法將泵等設(shè)備安裝在具有隔振功能的基礎(chǔ)上。③管路的布置應(yīng)避免管路系統(tǒng)固有頻率與壓力脈動頻率相同或相近。④管路的流量與泵及閥門要匹配。⑤泵的基座的強(qiáng)度、剛度及安裝面的平面度要滿足要求。⑥泵的吸油管接頭密封要嚴(yán)，油箱設(shè)計(jì)合理。泵的吸油阻力盡量減小。防止液壓閥產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。

（2）傳播途徑控制。

①隔離振動，振源隔離或整個(gè)系統(tǒng)隔離。在管道上設(shè)置隔振元件，如彈性接頭、波紋管等。②一般管路采用彈性支承或彈性吊裝，穿越隔壁可采用防振穿艙件。液壓管路應(yīng)采用重載管夾以減少沖擊、振動及噪聲的影響。管夾與管路的接觸部分應(yīng)采用彈性材料（耐100 ℃高溫）以利于熱漲、冷縮及吸收振動。③管道外壁包覆阻尼吸聲材料。④進(jìn)水管與排出管的口徑合理選擇并避免管路突變。⑤采用直徑較大的吸油管，大容量的吸油濾器，同時(shí)要避免濾油器堵塞，泵的吸油高度盡量減小。防止管道內(nèi)紊流和旋流的產(chǎn)生，對液壓管路設(shè)計(jì)時(shí)，管道截面積應(yīng)盡量避免突然擴(kuò)大或縮小，如采用彎管，其曲率半徑應(yīng)為管道直徑的五倍以上，這些措施可有效防止管路內(nèi)紊流和旋流的產(chǎn)生。⑥避免系統(tǒng)發(fā)生共振，液壓系統(tǒng)的振動性質(zhì)、振幅與管道長度、材料、支承形式及位置和聯(lián)結(jié)構(gòu)件的性質(zhì)等因素有關(guān)。為了防止共振，可把配管系統(tǒng)的固有頻率控制在激振源頻率的1/3到3倍的范圍以外，大多數(shù)情況下，激振源頻率是不能隨意改變的，因此，需要從配管系統(tǒng)的固有頻率上進(jìn)行調(diào)整。可通過改變管道的長度來改變管道的振動固有頻率，以及對一些閥的安裝位置進(jìn)行改變的措施來消除。⑦滑油管路的布置應(yīng)保證船舶在一定的橫傾和縱傾的范圍內(nèi)可靠地供油。同時(shí)應(yīng)盡可能縮短管子的長度。⑧滑油循環(huán)泵的布置應(yīng)使吸入管的長度盡可能的短，因此油泵應(yīng)盡可能靠近機(jī)器設(shè)備或循環(huán)油柜。⑨為了減少管路的阻力和管路的振動現(xiàn)象，在滑油循環(huán)泵到過濾器的管路上應(yīng)用的彎頭盡可能少，一般不應(yīng)采用直角彎頭。并縮短此管路的長度。管路轉(zhuǎn)彎處應(yīng)盡量彎管，對直徑38mm以上管子或受空間位置限制不易彎曲的地方，可采用彎頭對焊。⑩過濾器是滑油管路重要設(shè)備，過濾器分為粗濾器和細(xì)濾器兩種，一般為雙聯(lián)式，滑油過濾器一般布置在滑油冷卻器前，因此滑油溫度較高，以利于減少濾器阻力，同時(shí)也減少了振動和噪聲，提高了過濾效果。濾器前后要裝設(shè)壓力表，管路中還應(yīng)設(shè)低壓報(bào)警器，以檢測和控制滑油的壓力。

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