孔憲才　張　彬（中國科學(xué)院海洋研究所 青島 6607中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所 上海 008）

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雙層隔振技術(shù)在新型海洋科學(xué)綜合科考船上的應(yīng)用

孔憲才1張彬2
（1中國科學(xué)院海洋研究所 青島 2660712中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所 上海 201108）

摘要：本文在闡述雙層隔振技術(shù)工作原理基礎(chǔ)上，通過該技術(shù)在我國新型海洋科學(xué)綜合考察船上的應(yīng)用實(shí)例，重點(diǎn)介紹了雙層隔振裝置的組成、結(jié)構(gòu)功能，以及實(shí)船測試效果。

關(guān)鍵詞：雙側(cè)隔振 浮筏 減振器 振動(dòng) 噪聲

0　引言

船舶振動(dòng)和噪聲主要是船舶動(dòng)力機(jī)械（主機(jī)、輔機(jī)、螺旋槳、推進(jìn)系統(tǒng)等）和輔助機(jī)械（泵、風(fēng)機(jī)等）在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和令人不舒適的聲音。船舶振動(dòng)和噪聲不僅關(guān)系到船舶航行安全，例如駕駛室內(nèi)振動(dòng)和噪聲過高會影響船舶的操控指揮，聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)噪聲過高會嚴(yán)重影響聲吶設(shè)備的正常工作并干擾聲吶對水下目標(biāo)（暗礁、沉船、潛艇等）的探測，而且船舶振動(dòng)和噪聲還會影響乘員和旅客的健康與環(huán)境的舒適，間接地影響船舶的操作和運(yùn)行管理。為此國際海事組織從安全和環(huán)境舒適角度出發(fā)對船舶振動(dòng)和噪聲也提出了限定值標(biāo)準(zhǔn)。我國也出臺了《海洋船舶噪聲級規(guī)定 》（GB5979－1986）和《內(nèi)河船舶噪聲級規(guī)定》（GB5980－2009），來指導(dǎo)船舶的建造，2013年我國批準(zhǔn)加入《2006年海事勞工公約》，對海上工作人員的生活舒適度也給出了明確要求。

科學(xué)家乘坐科學(xué)考察船到預(yù)先規(guī)劃的海域，通過探測儀器設(shè)備獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和樣品資料來揭示海洋秘密，并為人類的生存和發(fā)展來服務(wù)。因此有效降低船舶噪聲，提高儀器設(shè)備測量的精準(zhǔn)度是海洋科學(xué)考察船所必須具有的一個(gè)性能現(xiàn)就新型海洋科學(xué)綜合考察船柴油發(fā)電機(jī)組所采用的雙層隔振降噪措施和其取得成效進(jìn)行簡要介紹。

1　雙層隔振技術(shù)原理

對于船舶最大的動(dòng)力源-主機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會傳遞到上層建筑的生活艙室、工作艙室和設(shè)備艙室，這些振動(dòng)又會以彈性波的方式沿著船體的龍骨、縱桁、橫梁等結(jié)構(gòu)材質(zhì)進(jìn)行傳遞，并使之相鄰的空氣產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生輻射聲波和結(jié)構(gòu)噪聲。由于結(jié)構(gòu)噪聲衰減速率低，可以傳遞到很遠(yuǎn)的地方，因而會造成大面積的噪聲污染。因此減少船舶主機(jī)（電力推進(jìn)船舶的柴油發(fā)電機(jī)組）的振動(dòng)外傳是船舶減振降噪的第一要?jiǎng)?wù)。

最早出現(xiàn)的隔振形式是單層隔振，即在設(shè)備和支撐基座之間布置適量的減震器（減震基座），其理論已非常成熟并在設(shè)備安裝和船舶建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是簡單有效，技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)性好，隔振效果一般在10-20dB之間，對小型設(shè)備和回轉(zhuǎn)型的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，由于本身振動(dòng)較小，基本滿足要求。但是對于大型設(shè)備，尤其是大型柴油機(jī)組，由于其質(zhì)量大，振動(dòng)幅度大，僅靠以上簡單的單層減振措施，其效果不能滿足對高要求船舶的需求。

圖1　單層隔振示意

為提高減振效果，改進(jìn)單層隔振方式的不足，科研人員經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)將單層隔振發(fā)展為雙層隔振。雙層隔振裝置是一種高效的隔振裝置，它的基本結(jié)構(gòu)是將運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備用隔振器（上隔振器）安裝在一個(gè)阻尼很大并有一定質(zhì)量的中間筏體上，再將筏體通過隔振器（下隔振器）安裝裝在船體上，在設(shè)計(jì)計(jì)算恰當(dāng)?shù)那闆r下，雙層隔振裝置可利用動(dòng)力機(jī)械與中間筏體的“慣性效應(yīng)”減少低頻振動(dòng)的傳遞，并利用中間筏體內(nèi)的“阻尼效應(yīng)”衰減高頻能量，從而達(dá)到很高的隔振效率。研究表明，雙層隔振系統(tǒng)可達(dá)到低頻35dB、中高頻50dB的隔振效果。這兒的一個(gè)重要問題就是，要想獲得理想的隔振效果，除配置性能優(yōu)異的減振器外，需要合理配置雙層隔振器并選用較大質(zhì)量比（中間筏體質(zhì)量/設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的濕式質(zhì)量）的中間筏體。然而，過大的中間筏體質(zhì)量，在船舶總體設(shè)計(jì)、總縱強(qiáng)度計(jì)算和有效載重量方面面臨著諸多技術(shù)問題，這也一定程度上限制了雙層隔振技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

該技術(shù)主要用于對舒適度要求高的豪華旅游船，對作戰(zhàn)精度要求高的艦艇、潛艇，以及對水下輻射噪聲要求高的科學(xué)考察船。

圖2　雙層隔振示意

2　新型科學(xué)綜合考察船上的具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用

為使船舶獲取理想的減振效果，為海洋調(diào)查工作者們提供理想而舒適的生活和工作環(huán)境，更好地獲取高質(zhì)量和沒有噪音干擾的探測數(shù)據(jù)，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“科學(xué)”號在設(shè)計(jì)之初，就進(jìn)行了充分調(diào)研，和國際國內(nèi)減振降噪技術(shù)的研究，并在設(shè)計(jì)人員的共同努力下，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙4臺發(fā)電機(jī)組的減振降噪，并獲得了非常理想的減振成效，創(chuàng)下了國內(nèi)功率最大柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用。

2.1船舶機(jī)艙設(shè)計(jì)規(guī)劃和布局

“科學(xué)”輪采用電力推進(jìn)裝置，主電站由3臺2610kW主柴油發(fā)電機(jī)組和1臺758kW主柴油發(fā)電機(jī)組組成，經(jīng)過配電板、推進(jìn)變壓器進(jìn)行送變電后，再經(jīng)過變頻器將動(dòng)力送至推進(jìn)電機(jī)，以此來驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)。4臺主柴油發(fā)電機(jī)組的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程、直列式、單作用、筒型活塞、直接噴射帶廢氣渦輪增壓器和中冷卻器不可逆轉(zhuǎn)船用中速柴油機(jī)。

圖3　船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)框

根據(jù)船型和機(jī)艙布局，在充分利用機(jī)艙空間的基礎(chǔ)上，確定對四臺主柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了錯(cuò)位布置。如下圖4所示。

圖4　機(jī)艙內(nèi)底柴油發(fā)電機(jī)組平面布置

為此在減振降噪的技術(shù)設(shè)計(jì)上，對1、4號柴油發(fā)電組分別采用獨(dú)立的雙層隔振；對2、3號柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行有機(jī)組合，使用同一個(gè)中間筏體，采用浮筏結(jié)構(gòu)模式。

2.2目的和具體要求

海洋科學(xué)綜合考察船柴油發(fā)電機(jī)組使用的隔振裝置采用積極隔振方式，其目的在于減小柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)向基座的傳遞。隔振器具有合適的剛度，在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生與振動(dòng)位移成正比的恢復(fù)力；同時(shí)它又有一定的阻尼，在振動(dòng)時(shí)又產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的阻尼力。隔振裝置使得柴電機(jī)組傳遞到基座上的傳遞力減到很小，振動(dòng)得到有效的衰減，從而達(dá)到減振目的。隔振系統(tǒng)裝置中配備具有限位功用的限位器，在柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生過大位移移動(dòng)。

經(jīng)過充分計(jì)算，制定如下設(shè)計(jì)要求：

在1#柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)腳至船體基座處，雙層隔振裝置的總加速度振級落差≥40dB（10Hz～10kHz）；正常使用狀態(tài)下，雙層隔振裝置在使用周期內(nèi)的總加速度振級落差≥32dB（10Hz～10kHz）；

浮筏隔振裝置在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作時(shí)，應(yīng)滿足在柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)腳至船體基座處，單臺機(jī)組開機(jī)情況下，浮筏隔振裝置的總加速度振級落差≥42dB（10Hz～10kHz）；2、3#機(jī)組均開機(jī)情況下，浮筏隔振裝置的總加速度振級落差≥40dB（10Hz～10kHz）；正常使用狀態(tài)下，雙層隔振裝置在使用周期內(nèi)的總加速度振級落差≥32dB （10Hz～10kHz）；

由于4#柴油機(jī)是4缸柴油機(jī)，本身振動(dòng)較大，且其主要在停泊和非科學(xué)考察作業(yè)時(shí)使用，對其要求就低一些。雙層隔振裝置在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作時(shí)，應(yīng)滿足在柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)腳至船體基座處，雙層隔振裝置的總加速度振級落差≥38dB（10Hz～10kHz）；正常使用狀態(tài)下，雙層隔振裝置在使用周期內(nèi)的總加速度振級落差≥30dB（10Hz ～10kHz）；

由于設(shè)計(jì)思路和采用的部件大同小異，下面僅就2、3號柴油發(fā)電機(jī)組浮筏裝置的組成和部件工作原理進(jìn)行描述。

2.3隔振裝置的結(jié)構(gòu)組成

2、3號柴油發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置由上、下層隔振器、中間筏體以及調(diào)整墊片、緊固件、接地裝置等組成，整個(gè)裝置的組成見表1。

表1　浮筏隔振裝置組成

2.3.1 中間筏體

中間筏體采用了鋼質(zhì)整體焊接框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充高分子聚合物，以增加中間筏架的阻尼作用，進(jìn)一步降低柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)向船體的傳遞。中間筏架與柴電機(jī)組的質(zhì)量比達(dá)到近0.5，采用雙層隔振以后對高頻振動(dòng)的隔離效果十分有效。

圖5　中間筏體示意圖

2.3.2 上層隔振器

上層隔振器主要用于衰減柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)向船體基座的傳遞。由于隔振器的橡膠相對于鋼鐵有較大的阻尼，能吸收部分振動(dòng)能量。而隔振器本身的剛度特性也作為隔振系統(tǒng)的一部分將系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行一次有效隔離。

圖6　上層隔振器

2.3.3 下層隔振器

下層隔振器用于衰減柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)向船體基座（安裝基礎(chǔ)）的傳遞。同樣由于隔振器的橡膠相對于鋼鐵有較大的阻尼，能吸收部分振動(dòng)能量。而隔振器本身的剛度特性也作為隔振系統(tǒng)的一部分將系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行二次有效隔離。

圖7　下層隔振器

2.3.4 限位器

為了滿足船舶搖擺和受到?jīng)_擊時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組外界管路的徑向和軸向位移要求，柴油發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置在中間筏體與船體基座之間設(shè)置了三向限位器。在中間筏體的左右筏架各安裝2只限位器（共4只）。

圖8　限位器

2.3.5 壓縮鎖定器

橡膠隔振器除了有低頻、大載荷的特點(diǎn)，還有一個(gè)特點(diǎn)就是帶有壓縮鎖定器。壓縮鎖定器的作用：當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組與中間筏架、隔振器安裝好在機(jī)艙的船體基座上預(yù)壓后，利用壓縮鎖定器可使隔振器鎖定在預(yù)壓后的安裝高度，便于安裝調(diào)整墊片（片）?；蛟谛枰鼡Q隔振器時(shí)，先用千斤頂支承在中間筏架下平面，使柴電機(jī)組和中間筏架位置保持不變，再利用該壓縮鎖定器使需更換的隔振器產(chǎn)生壓縮變形，從而不需要抬高柴電機(jī)組就能移出隔振器，按同樣的方法放進(jìn)新隔振器，這樣更換隔振器就很方便。

圖9　壓縮鎖定器

圖10　接口與界面圖

2.4 各單元結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系（接口）

柴油發(fā)電機(jī)組通過上層隔振器固定在中間筏體上，上層隔振器與公共底座和中間筏體之間用螺栓連接，中間筏體通過下層隔振器固定在船體基座上，下層隔振器與中間筏體和船體基座之間均以螺栓連接。安裝和更換極為方便，維護(hù)簡單。

3　實(shí)船測試結(jié)果

設(shè)備系泊試驗(yàn)階段，對雙層隔振裝置進(jìn)行了全面的測試和驗(yàn)收，測試結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。1#機(jī)組的雙層隔振和2#3#機(jī)組的浮筏隔振效果均超過了45dB，超過了40 dB設(shè)計(jì)要求，4#機(jī)組的雙層隔振效果達(dá)到了41 dB，超過了38 dB的設(shè)計(jì)要求。

雙層隔振設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、建造焊接工藝處理到位。機(jī)艙集控室，實(shí)測噪聲60dB，低于船級社設(shè)定的最高舒適度等級中對于機(jī)艙集控室70db的要求。在全速航行時(shí)全船居住艙室指標(biāo)達(dá)到CCS規(guī)定的船員臥室舒適度最高等級的房間為30間（低于52dB），占全船臥室的75%，達(dá)到客

圖11　2#、3#機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)的隔振效果（大于45dB）

圖12　1#機(jī)組運(yùn)行時(shí)的隔振效果（大于45dB）

圖13　4#機(jī)組運(yùn)行時(shí)的隔振效果（大于41dB）

經(jīng)海上航行試驗(yàn)測定，振動(dòng)測量的數(shù)據(jù)也同樣顯示了船乘客高級艙室噪音舒適度最高等級的房間為8間（低于45dB），占全船臥室的25%，減振降噪效果明顯。

雙層隔振減振降噪技術(shù)在新型科考船上的成功應(yīng)用，為雙層隔振技術(shù)在民用高附件值船舶領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了前景，其顯著的減振效果為業(yè)界所稱道，也成了科學(xué)考察船、公務(wù)船、漁業(yè)資源船等對減震降噪要求高的船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置。