船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)分析與控制研究

李方宇 徐歡 徐飛

摘 要 在船舶行駛過(guò)程中，各種問(wèn)題的發(fā)生是在所難免的，尤其是管路系統(tǒng)振動(dòng)，其嚴(yán)重影響著船舶的正常行駛。所以，隨著船舶行業(yè)的迅速發(fā)展，管路系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題已引起業(yè)內(nèi)人員的高度關(guān)注，致力于分析研究造成管路系統(tǒng)振動(dòng)的根本原因，且重視對(duì)振動(dòng)控制措施的探索，借此以確保船舶運(yùn)行的安全性?；诖?，本文就船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)及其控制措施進(jìn)行研究，以期對(duì)優(yōu)化船舶管路系統(tǒng)、確保船舶行駛的安全性有所助益。

關(guān)鍵詞 船舶 管路系統(tǒng) 振動(dòng) 噪聲

中圖分類號(hào)：U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）06-0001-03

對(duì)船舶管路系統(tǒng)而言，可根據(jù)輸送流體的不同將其分成以下幾種類型，主要包括燃油管路、通風(fēng)管路、液壓管路、滑油管路、淡水管路、海水管路等等。如果船舶的管路系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，不但會(huì)對(duì)船上人員的日常生活及工作產(chǎn)生極大的影響，而且還會(huì)影響到船舶各類系統(tǒng)、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，分析掌握引起船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)的原因及有效控制技術(shù)是十分必要的。

1 船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)的基本特征

在船舶行駛過(guò)程中，對(duì)內(nèi)部各系統(tǒng)有著比較高的要求;內(nèi)部系統(tǒng)是傳播動(dòng)力設(shè)備不可或缺的部分，可提供船舶正常運(yùn)行所需的動(dòng)力，并且還會(huì)形成各式各樣的振動(dòng)。船舶管路系統(tǒng)具備廣泛分布的特征，如果管路系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)，則會(huì)將振動(dòng)傳至船體結(jié)構(gòu)。[1]所以，應(yīng)對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，降低振動(dòng)噪聲，確保傳播安全。相關(guān)研究表明：造成船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)的原因主要有以下兩點(diǎn)：

1.在動(dòng)力設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中，向管路系統(tǒng)傳遞振動(dòng)。動(dòng)力設(shè)備與管路系統(tǒng)是相互連通的，如果設(shè)備發(fā)生振動(dòng)，則可將能量傳遞到管路系統(tǒng)處，從而引起管路系統(tǒng)的振動(dòng)。在此過(guò)程中，管路系統(tǒng)振動(dòng)有著與動(dòng)力設(shè)備完全相同的頻譜特征，振動(dòng)峰值通常會(huì)在低頻位置出現(xiàn)。

2.船舶管路系統(tǒng)中流體形成的影響。當(dāng)動(dòng)力設(shè)備輸送流體時(shí)，則會(huì)進(jìn)行流體做工，由于受管路系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)設(shè)備特征造成的影響，通常會(huì)引起旋流或空化問(wèn)題，從而對(duì)管路產(chǎn)生撞擊，形成極強(qiáng)的振動(dòng)。在此情形下，管路系統(tǒng)不但會(huì)遭受流體動(dòng)力噪聲造成的影響，而且還聚集著水流噪聲，大都聚集于高頻區(qū)域。除此以外，管路系統(tǒng)中的元件或者閥門(mén)，因?yàn)榫邆渫ǖ篮土鞯烂娣e改變的特征，極易引起振動(dòng)，因?yàn)榇诵┰O(shè)備相對(duì)集中，所以噪聲也是高度集中的，具備高頻特征，對(duì)管路系統(tǒng)有著程度各異的影響。因?yàn)橐鸸苈废到y(tǒng)振動(dòng)的原因有所差異，所以其呈現(xiàn)出的特征也是完全不同的。為了有效控制管路系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)船舶產(chǎn)生的負(fù)面影響，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，充分掌握船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)的基本特征及形成原因，而后采取針對(duì)性的措施，以確保船舶運(yùn)行的安全性。

2 管路系統(tǒng)振動(dòng)與船舶總體噪聲的關(guān)聯(lián)分析

2.1 管路機(jī)械振動(dòng)的影響

船舶由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)而形成擾動(dòng)力激勵(lì)，且輻射的噪聲量級(jí)和船體所受的激振力密切相關(guān)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗、振動(dòng)加速度是極易通過(guò)測(cè)量獲取的參數(shù)，同時(shí)激振力可以用阻抗與加速度的乘積來(lái)表示，所以激振力可經(jīng)由結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗及振動(dòng)加速度取得。在對(duì)船舶總體噪聲影響進(jìn)行分析和比較時(shí)，同樣可以參考振源的振動(dòng)加速度及結(jié)構(gòu)的阻抗參數(shù)進(jìn)行全方位的判斷。[2]在船舶隱蔽行駛條件下，機(jī)械設(shè)備是引起船舶總體噪聲的根本擾動(dòng)源，設(shè)備形成的擾動(dòng)力大多是經(jīng)由管路支撐工件與設(shè)備安裝支撐結(jié)構(gòu)傳播至船體激勵(lì)船舶振動(dòng)而引起噪聲。根據(jù)具體的測(cè)量數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，管路馬腳處的振動(dòng)加速度級(jí)與機(jī)械設(shè)備安裝基座的振動(dòng)加速度級(jí)相比大約高7-10dB，但相應(yīng)的阻抗差距卻超過(guò)20dB。根據(jù)激振力與阻抗、加速度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，管路對(duì)船舶造成的激振力與機(jī)械設(shè)備對(duì)船體造成的激振力相比低10dB左右，由此可知，由管路機(jī)械振動(dòng)引起的激振力是可以忽略的。

2.2 管路流體噪聲的影響

根據(jù)以上對(duì)機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)力量級(jí)的研究可知，管路振動(dòng)對(duì)于船舶的激勵(lì)力與機(jī)械設(shè)備經(jīng)由機(jī)腳對(duì)船舶得到激勵(lì)力相比來(lái)說(shuō)是完全可以忽略的。然而，管路引起的振動(dòng)噪聲在中高頻段有著非常高的分量。在此頻段范圍內(nèi)，管路馬腳的振動(dòng)加速度與設(shè)備安裝基座面板的振動(dòng)加速度相比要高15dB左右。因?yàn)轳R腳與艇體直接相連的，馬腳振動(dòng)量級(jí)與周?chē)课坏恼駝?dòng)量級(jí)大致相同。但是，基座面板與船體間仍有較大的距離，機(jī)腳中高頻振動(dòng)在向船體傳遞的過(guò)程中也會(huì)有不同程度的衰減。所以，在中高頻段，管路馬腳對(duì)于船體的振動(dòng)激勵(lì)力與設(shè)備機(jī)腳經(jīng)由安裝基座結(jié)構(gòu)對(duì)船體的激振力相比要高。在中高頻段，管路系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)于船舶總體噪聲具有非常大的影響。[3]

3 船舶管路系統(tǒng)常見(jiàn)振動(dòng)現(xiàn)象及控制措施

3.1 機(jī)艙管路振動(dòng)

引起機(jī)艙管路振動(dòng)的原因主要有：

1.管內(nèi)流體脈動(dòng)。在管路進(jìn)行流體輸送的過(guò)程中，應(yīng)將泵加壓或者壓縮機(jī)當(dāng)作根本動(dòng)力，此類間歇性的加壓形式必定會(huì)造成流體速度、壓力等有關(guān)參數(shù)出現(xiàn)脈動(dòng)，主要包括速度脈動(dòng)與壓力脈動(dòng)。在船舶運(yùn)行中，因?yàn)榱黧w脈動(dòng)而形成施加于管路內(nèi)的干擾力，同時(shí)還是速度和壓力脈動(dòng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)流體遇到異徑管、彎管頭、盲板以及控制閥等部件時(shí)，通常會(huì)形成相應(yīng)的周期性干擾力，進(jìn)而對(duì)管路形成周期性激勵(lì)，引起管路系統(tǒng)振動(dòng)。以柴油機(jī)滑油循環(huán)管路為例，因?yàn)榛驮诠苈废到y(tǒng)內(nèi)長(zhǎng)期處在循環(huán)狀態(tài)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速因?yàn)楦鞲捉惶嫒紵龉Χa(chǎn)生波動(dòng)，造成機(jī)帶滑油泵也發(fā)生轉(zhuǎn)速變化。在油泵轉(zhuǎn)速增加時(shí)，滑油管則會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓;在油泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，滑油管則會(huì)產(chǎn)生瞬間低壓。因此會(huì)引起油壓出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，使得管道中的滑油呈現(xiàn)為脈動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致管中滑油參數(shù)不但會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生周期性波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)隨位置發(fā)生變化。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)。船舶機(jī)艙主要是由主輔柴油機(jī)、空壓機(jī)以及分油機(jī)等各類動(dòng)力設(shè)備所構(gòu)成，其形成的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)由對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)而向船體傳遞，進(jìn)而引起機(jī)艙振動(dòng)。機(jī)艙管路交叉分布于船舶機(jī)艙當(dāng)中，如果機(jī)艙環(huán)境發(fā)生振動(dòng)，則會(huì)經(jīng)過(guò)管路支架、管壁等相關(guān)部件傳遞給管路;并且，各種動(dòng)力設(shè)備在運(yùn)行中形成的振動(dòng)同樣會(huì)通過(guò)氣、水、油等流體介質(zhì)向關(guān)聯(lián)管路傳遞，進(jìn)而引起機(jī)艙管路系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。CD2F8B27-83E8-48A9-AF71-41A742A552CD

機(jī)艙管路振動(dòng)的控制措施如下：

1.控制管道中流體脈動(dòng)。第一，不斷改善泵浦等原動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及形式等，采用合理、有效的控制方法，使輸出的流量脈動(dòng)與壓力脈動(dòng)有所下降;第二，對(duì)閥門(mén)啟閉方法進(jìn)行更加科學(xué)的設(shè)計(jì)，降低啟閉時(shí)的流體脈動(dòng);第三，在管路系統(tǒng)中加裝穩(wěn)壓又或是儲(chǔ)能設(shè)備，以減小管道中流體壓力的變化。

2.控制周邊振源的影響。船舶內(nèi)部管路系統(tǒng)密集分布，周?chē)兄罅康臋C(jī)械設(shè)備，振動(dòng)環(huán)境十分復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)的有效控制，往往會(huì)利用隔振部件將管路與機(jī)械設(shè)備相互隔離開(kāi)，以降低振動(dòng)能量的傳遞。加裝隔振部件，可有效隔離機(jī)械設(shè)備自振對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響;除此以外，還可以間接性地緩解船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)經(jīng)由管路支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于管路系統(tǒng)的振動(dòng)激勵(lì)，防止發(fā)生間接性激勵(lì)管路結(jié)構(gòu)共振的問(wèn)題。對(duì)船用機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)，其經(jīng)常使用的隔振器包括：金屬類主要有隔振吊架、減震器、鋼絲繩、鋼絲網(wǎng)等隔振器;橡膠類主要有減震器和隔振墊等等。

3.防止流體或者管路共振。第一，對(duì)激勵(lì)源頻率進(jìn)行控制，使得其能夠回避被測(cè)對(duì)象的共振頻率;第二，轉(zhuǎn)變被測(cè)對(duì)象的固有頻率，確保其遠(yuǎn)離激勵(lì)源頻率。對(duì)船舶管路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其共振主要有管道機(jī)械共振與流體柱共振兩種形式。從管道機(jī)械共振角度來(lái)看，往往采取改變支撐狀態(tài)、管路分布等方式，使得其固有頻率可完全回避激勵(lì)源頻率;從流體柱共振角度來(lái)看，可采取調(diào)整夜壓力、流體壓力等形式加以控制。[4]

3.2 壓力管路振動(dòng)

從船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)角度來(lái)看，壓力管路振動(dòng)是最常見(jiàn)的問(wèn)題之一。[5]壓力管路振動(dòng)的危害性主要表現(xiàn)在以下方面：一方面，壓力管路振動(dòng)可造成管路撕裂等狀況，造成整個(gè)管路系統(tǒng)難以正常運(yùn)作;另一方面，壓力管路振動(dòng)或許會(huì)造成空氣噪聲以及向船體結(jié)構(gòu)傳遞而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，針對(duì)部分用途獨(dú)特的船舶而言是無(wú)法接受的，比如軍艦、豪華郵輪等等。當(dāng)前，對(duì)壓力管路振動(dòng)進(jìn)行控制的常用措施主要包括：（1）安裝彈性吊架、彈性支承和阻尼器，構(gòu)建振動(dòng)形變空間，避免發(fā)生撕裂現(xiàn)象;（2）轉(zhuǎn)變管路固定頻率，常用手段包含改變壁厚、重新布設(shè)支架以及外壁加裝減振阻尼等等;（3）增加管徑、改善管路分布、減少?gòu)濐^等，以降低振動(dòng);（4）安裝蓄能器，以緩解管中介質(zhì)的振動(dòng);（5）縮減管路插入部件或者替換低阻尼元件。

3.3 主機(jī)燃油供給管路振動(dòng)

引起主機(jī)燃油供給管路振動(dòng)的原因主要有：

1.管路現(xiàn)場(chǎng)放樣不合理的設(shè)計(jì)。船舶主機(jī)燃油的供給管路往往是“千回百折”的，存在非常多的拐點(diǎn)，艙底與管路間有著較遠(yuǎn)的距離，管道支撐太長(zhǎng)、管碼強(qiáng)度偏低，如此便為主機(jī)燃油供給管路構(gòu)建起相應(yīng)的振動(dòng)空間，同時(shí)管路抵抗振動(dòng)的能力相對(duì)較弱，以上則會(huì)導(dǎo)致燃油供給管路發(fā)生更加嚴(yán)重的振動(dòng)。

2.柴油機(jī)振動(dòng)的影響。船舶主機(jī)往往采用的是柴油機(jī)，如果柴油機(jī)的回轉(zhuǎn)發(fā)生問(wèn)題，比如不穩(wěn)定、不平衡等，則極易引起振動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)槠涞鬃惭b有彈性設(shè)備，如此便容易造成主機(jī)燃油供給管路發(fā)生振動(dòng)。如果船舶處在高速行駛的狀態(tài)，柴油機(jī)的自振強(qiáng)度則會(huì)有所提升，進(jìn)而將此振動(dòng)傳遞至與其相連的燃油供給管路中，導(dǎo)致與其相連的燃油供給管路出現(xiàn)振動(dòng)。如果柴油機(jī)處在額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，相應(yīng)的振動(dòng)頻率計(jì)算公式如下：額定轉(zhuǎn)速×柴油機(jī)數(shù)量/2/60，此類振動(dòng)主要源自于缸體發(fā)火，相應(yīng)地產(chǎn)生了不平衡的側(cè)推力，進(jìn)而造成振動(dòng)。

3.高壓脈沖的影響。柴油機(jī)噴油并非是持續(xù)性的，高壓油泵在具體吸油環(huán)節(jié)極易導(dǎo)致燃油總管路產(chǎn)生瞬時(shí)低壓，壓縮以后又會(huì)引起瞬時(shí)高壓，柴油機(jī)每運(yùn)作兩個(gè)周期后，柴油機(jī)便會(huì)進(jìn)行一次噴油。如果脈沖頻率與燃油管路固有頻率相同或者兩者呈倍數(shù)關(guān)系時(shí)，管路振動(dòng)幅度同樣會(huì)有所上升。

主機(jī)燃油供給管路振動(dòng)的控制措施如下：

1.對(duì)管路固有頻率進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化燃油管路分布情況，減少?gòu)澒軘?shù)目，同時(shí)需相應(yīng)地調(diào)整管路支撐高度，在此前提下加裝多個(gè)管子支架，使得布局更加密集，并且應(yīng)確保支架強(qiáng)度符合要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)燃油管路頻率的目標(biāo)。

2.對(duì)管路尺寸進(jìn)行調(diào)整。主機(jī)燃油供給管路的內(nèi)徑并非是完全相同的，如果管路內(nèi)徑比較小、且與主機(jī)內(nèi)部燃油總管的直徑存在較大差距時(shí)，在流量不變的情況下，則會(huì)造成主機(jī)外燃油管路極高的內(nèi)部壓力，基于該點(diǎn)則需增加管路的通徑，如此才可實(shí)現(xiàn)對(duì)管路振動(dòng)的高效控制。

3.加裝管路蓄能設(shè)備。柴油機(jī)具備自身相應(yīng)的運(yùn)行方式及工作機(jī)理，這代表著燃油總管內(nèi)壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生是不可避免的，也恰是由于受脈動(dòng)的影響，才會(huì)引起管路系統(tǒng)的振動(dòng)，在振動(dòng)達(dá)到特定強(qiáng)度時(shí)，需以合理的方式對(duì)脈動(dòng)能量進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減振的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)加裝管路蓄能設(shè)備，可有效降低管內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度。在選擇蓄能設(shè)備的過(guò)程中，需根據(jù)船舶的具體特征，主要包含機(jī)艙的工作原理、內(nèi)部架構(gòu)、空間大小等等，優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小、易于安裝的蓄能設(shè)備?？煽紤]將蓄能設(shè)備安裝于主機(jī)的進(jìn)油管路系統(tǒng)中，即主機(jī)與回油管路相連的地方;并且利用高壓軟管將主機(jī)構(gòu)造與外部管路相互分離開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)振動(dòng)的集中性控制，降低振動(dòng)傳播，以提高機(jī)械隔振的效果。

4.嚴(yán)格控制燃油總管的供油壓力。正常情況下，燃油供泵出口位置處的壓力通常被設(shè)置成固定的壓力值，該數(shù)值一般是0.92MPa，燃油相應(yīng)的脈沖能量同樣會(huì)跟隨其壓力的加大不斷升高。燃油供泵的根本作用就是提供柴油機(jī)所需要的供油壓力，所需的壓力值大約為0.5～0.962MPa，可對(duì)燃油供給泵壓力值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，然而其根本前提為應(yīng)滿足柴油機(jī)的各項(xiàng)要求。

4 結(jié)論

綜上所述，船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)船舶的安全行駛有著極大的負(fù)面影響，所以需強(qiáng)化對(duì)船舶管系振動(dòng)的控制。從船舶管系振動(dòng)角度來(lái)看，其具有十分明顯的特征，且與船舶的總體噪聲存在著極其密切的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，船舶管路系統(tǒng)常見(jiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象主要有機(jī)艙管路振動(dòng)、壓力管路振動(dòng)、主機(jī)燃油供給管路振動(dòng)等等。我們應(yīng)不斷創(chuàng)新管系振動(dòng)控制技術(shù)，以有效控制船舶管系振動(dòng)，進(jìn)而確保船舶行駛的安全性。

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