船舶管系舾裝減振降噪研究

張鵬鷹

摘 要：船舶管路系統遍布艦船每一個角落，是艦船整體減振降噪的重要環節。管路系統的振動與噪聲是泵、閥、附件、管路及介質綜合作用的結果。除管路系統本身減振降噪外，管路系統與設備及船體需進行有效的振動與噪聲隔離。本文重點針對水管路及油管路系統，從振動與噪聲的產生、傳導及減振降噪三方面進行了研究，并提出了有效的減振降噪方法，成功指導了工程實踐，起到了良好的效果。

關鍵詞：船舶 ?管路 ?減振降噪 ?研究

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

1 管路系統振動與噪聲危害

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

2 流體動力學方程

流體的運動規律遵循物理學三大定律，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。流體動力學基本方程組就是這三大定律的描述。

液體流動時的三個基本方程是連續性方程、伯努利方程、動量方程。

2.1 n連續性方程

ρv1A1=ρv2A2=常量

（管路兩端的兩個流通面積分別是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

實際流體的動力學基本方程組要復雜的多，同時流體動力學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系，如密度、比熱、粘性系數和熱傳導系數隨溫度、壓強的變化關系等。雖然目前尚不能求得流體動力學基本方程組解析解，但通過研究這一方程組的性質具有極其重要的意義。因實際流體流動的過程遵循這一基本方程組。是管路系統減振降噪的理論基礎。液體管路的振動和噪聲是不可避免的，但可以通過系統的優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 水管路系統振動與噪聲

水管路系統由泵、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振動與噪聲的根源。

（1）不穩定的水流中存在著壓力脈動，經葉片向輸送介質傳遞能量時就會產生壓力脈動，因而是引起離心水泵振動的原因?？拷~輪部分或在葉輪進、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。水流繞流葉片，在葉片正面和背面產生漩渦和脫流以及流體的分離都會導致離心泵內的流體處于不穩定和不平衡狀態。水泵進口流速和壓力分布不均勻，泵進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組振動的原因。如小流量運行時產生的振動，流量低于額定流量的二分之一時高轉速、大型泵的軸和葉輪產生激烈振動。支撐水泵和電機的基座平面度差或剛性差等原因，也會導致機組發生振動。進水流道設計不合理或與機組不配套會使進水條件惡化，產生漩渦，誘發氣蝕或加重機組及泵房振動。

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

（3）流體壓力脈動也是產生船舶水管路噪聲的主要根源。除引發噪聲外，管路中液體攜帶氣泡破碎產生的空化噪聲，當泵入口及調節閥等部位的局部壓力低于液體介質的飽和蒸汽壓時會產生氣泡，管路中的氣泡一旦進入壓力正常區域時就會發生破碎，產生噪聲。管路中的彎頭、支管等引起液流方向、狀態突然變化而產生的噪聲。輸水管道內壓力急劇變化和水錘作用等，也常常導致泵房和機組產生振動。不適當的真空度也會引起振動與噪聲。

4 油管路系統振動與噪聲

油管路系統一般為齒輪泵或螺桿泵，相對于離心泵的水系統，油管路系統的壓力高、液流狀態變化大、介質的粘度大，振動和噪聲大。

（1）液壓管路系統的振動與噪聲源為：①機械的振動和噪聲，如回轉體的不平衡或安裝不當引起振動和噪聲，如系統管道支承不良及基礎的缺陷或液壓泵與電機軸不同心，以及連軸節松動，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，使相應的工作產生周期性的流量和壓力過程中，使相應的工作腔產生周期性的流量和壓力的變化，進而引起泵的流量和壓力脈動，造成液壓泵的構件產生振動，而構件的振動又引起了與其相接觸的空氣產生疏密變化的振動，進而產生噪聲的聲壓傳播出去。第二，液壓泵的空穴現象，如果液壓油吸入管道阻力過大，此時液壓油來不及充滿泵的吸油腔，造成吸油腔內局部真空，形成負壓，如果這個壓力恰好達到了油的空氣分離壓力時，原來溶解在油液內的空氣便會大量析出，形成游離狀態的氣泡，隨著泵的轉動，這種帶有氣泡的油液轉入高壓區，此時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，液壓泵內的機械振動引起液壓系統的振動和噪聲。③液壓閥的振動和噪聲。第一，閥內可動零件的機械接觸產生的噪聲。第二，流體聲，由于液壓閥進行節流、換向、溢流時，方向及背壓發生種種變化，導致閥件及管道壁面產生振動，從而產生噪聲。按其產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，當管路的長度恰好等于振動壓力波長一半的整數倍時，管路會產生強烈的高頻噪聲。此外，外部振源也可能引起管路的共振。當管路的截面積突然變化（急劇擴大、縮小或急轉彎）時，都會使其中的液流發生變化，易產生紊流而發出噪聲。endprint

（2）滑油系統振動和噪聲源主要滑油預供泵及滑油備用泵引起，閥的開啟、泵的啟動、系統的卸載或外載負荷變化等，在由穩定狀態過渡到新的穩定狀態的短暫時刻，管道內部將產生沖擊波，在一定條件下，油管與泵或閥相結合就會產生管道系統中油液的持續振動。當滑油溫度較低時，滑油系統的振動和噪聲會較大。當管路布置不合理時，滑油在急彎管路流動時，滑油系統的振動和噪聲會增大。管路的長度剛好等于發生共振的管路長度時，會產生強烈的高頻振動。

5 減振降噪措施

對管路系統振動噪聲的控制從聲源和傳播途徑兩方面進行。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備、部件。②采用重心定位方法將泵等設備安裝在具有隔振功能的基礎上。③管路的布置應避免管路系統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，油箱設計合理。泵的吸油阻力盡量減小。防止液壓閥產生空穴現象。

（2）傳播途徑控制。

①隔離振動，振源隔離或整個系統隔離。在管道上設置隔振元件，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，同時要避免濾油器堵塞，泵的吸油高度盡量減小。防止管道內紊流和旋流的產生，對液壓管路設計時，管道截面積應盡量避免突然擴大或縮小，如采用彎管，其曲率半徑應為管道直徑的五倍以上，這些措施可有效防止管路內紊流和旋流的產生。⑥避免系統發生共振，液壓系統的振動性質、振幅與管道長度、材料、支承形式及位置和聯結構件的性質等因素有關。為了防止共振，可把配管系統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，需要從配管系統的固有頻率上進行調整?？赏ㄟ^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行改變的措施來消除。⑦滑油管路的布置應保證船舶在一定的橫傾和縱傾的范圍內可靠地供油。同時應盡可能縮短管子的長度。⑧滑油循環泵的布置應使吸入管的長度盡可能的短，因此油泵應盡可能靠近機器設備或循環油柜。⑨為了減少管路的阻力和管路的振動現象，在滑油循環泵到過濾器的管路上應用的彎頭盡可能少，一般不應采用直角彎頭。并縮短此管路的長度。管路轉彎處應盡量彎管，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備，過濾器分為粗濾器和細濾器兩種，一般為雙聯式，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，同時也減少了振動和噪聲，提高了過濾效果。濾器前后要裝設壓力表，管路中還應設低壓報警器，以檢測和控制滑油的壓力。

參考文獻

[1] 陳玉璞，王惠民.流體動力學[M].清華大學出版社，2013.

[2] 龔存忠，張文平，柳貢民，等.汽輪發電機組滑油管路高頻噪聲的消除[J].船舶工程，2009，31（B09）：54-55，123.

[3] 程廣福，靳軍，張李偉，等.船舶水管路噪聲及其控制研究[J].噪聲與振動控制，2004（2）：31-33，44.endprint