船用可曲撓橡膠接頭隔振效果試驗

段孟強，程用超，陳林雄，李耀飛，李 侃

（1. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍代表室，遼寧葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

0 引言

管路系統作為艦船的主要系統之一，連接艦船上所有的主、輔機械設備，是引起艦船輻射噪聲的主要通道之一。管路系統是艦船上設備結構噪聲傳遞僅次于結構性支撐隔振固定件的“第二聲通道”[1-2]。為提高艦船的聲隱身性能，降低第二聲通道的設備結構噪聲傳遞，國內外在艦船的管路系統中加入了大量的減振接管[3]。我國在二十世紀五六十年代已著手研制減振接管（主要通過仿制前蘇聯的相關接管），研發產品主要為25AB型和PXG型橡膠接管，而這些減振接管只起到位移補償的作用，隔振效果不佳[4]。為打破歐美等發達國家的技術封鎖，我國新開發了袖套式撓性接管和球形橡膠撓性接管[5]，其中，我國艦船常用的JYXR系列和JYXR(P)系列為袖套式撓性接管，CKXT系列和CKST系列為球形橡膠可曲撓接頭。

針對艦船上大量的減振接管需求，如何選取減振接管型號、衡量各型減振接管的性能效果成為艦船設計研究工作者的主要工作。袖套式撓性接管平衡性好，耐壓能力強，但隔振效果較差，常用于中高壓管路系統；球形橡膠撓性接管泛用性強，隔振效果非常好，但耐壓能力弱，常用于管路壓力≯1 MPa的系統。而中低壓管路在艦船管路系統中占較大比重，CKST系列橡膠可曲撓接頭用途更為廣泛。本文設計減振接管隔振效果試驗臺架，驗證試驗室測量船舶管路隔振性能的可行性，以進口金屬軟管和國產CKST橡膠接頭為研究對象，通過試驗測試對比其隔振效果，給各艦船設計研究者提供減振接管選取的試驗依據。試驗表明：在管路系統輸送加壓介質時，昂貴的進口金屬軟管在隔振效果方面相對國產的CKST橡膠可曲撓接頭無明顯優勢。

1 隔振裝置的基本原理

減振接管作為一種被動隔振裝置，其隔振原理與一般隔振器的隔振原理類似，可以簡化為彈簧和阻尼系統，其力學簡化模型如圖1所示，m1為近振源端等效質量，m2為遠振源端等效質量，K為減振接管的等效剛度，Ce為減振接管的等效阻尼系數。

圖1 減振接管力學簡化模型

以激振器橫向激勵為例，F1為減振接管近振源端激勵力，F2為減振接管遠振源端響應力，那么該模型的力平衡方程為

式中：x1、x2分別為減振接管前、后法蘭位移。

圖2 隔振效率與頻率比關系曲線

由圖（2）可得以下結論：

1）當頻率比λ＝1時，出現共振現象，減振接管將會放大振動。

2）只有當頻率比λ＞2時，減振接管才有隔振效果。

3）當頻率比 5＞λ以后，隔振效果變化不大，通常建議λ取2.5～5.0。

4）阻尼效應可有效減少共振時的振動放大倍數。

5）當頻率比λ＜2時，增加阻尼反而會使減振接管隔振效果變差。

為了取得較好的隔振效果，減振接管系統應具有較低的固有頻率和較小的阻尼；若共振頻率激勵無法避免且激勵持續時間長，可適當增加減振接管系統的阻尼。以上結論可作為減振接管設計選型的參考依據。

2 減振接管隔振效果的試驗研究

2.1 試驗裝置

圖3 減振接管模擬試驗臺架示意圖

用于檢測接管隔振效果的試驗裝置如圖3所示。圖3中，AB段和CD段的管路均通過彈性馬腳固定在基座上，管卡與鋼管之間墊有工業橡膠，以保證彈性安裝；BC段為可拆卸的被檢測減振接管。

壓力表和加速度傳感器等測試設備都經過有關部門校準和標定，使用時均處在其有效期范圍內。

2.2 試驗對象

對比試驗對象為金屬軟管及CKST系列橡膠可曲撓接頭（CKSTDN80PN1.0），其幾何尺寸見表1，實物圖如圖4所示。金屬軟管的安裝狀態有2種：自然安裝和彎曲安裝。自然安裝時，金屬軟管為拉直狀態；彎曲安裝時，金屬軟管處于自然彎曲狀態。

表1 減振接管物理數據對比

圖4 減振接管實物

2.3 試驗內容

2型減振接管隔振效果對比試驗內容主要是在安裝狀態下檢測減振接管兩端法蘭軸向和徑向的振級落差。試驗中，對接管進出口法蘭振動狀況進行實時檢測。

用激振器對試驗管段發出振動信號，信號類型為白噪聲，頻率范圍0～12.8kHz。調節功率放大器使減振接管進口端振級保持一致。測試現場溫度22 ℃，試驗場地無外圍振動信號干擾。試驗臺架如圖5所示。

圖5 隔振效果臺架模擬試驗

為對比測試2型減振接管的隔振效果，分別將CKST型橡膠接頭和金屬軟管安裝于圖5所示的試驗臺架中，通過振動加速度計分別記錄近振源端法蘭軸向、徑向和遠振源端法蘭軸向、徑向的振動信號，計算得到減振接管前后的振級落差，進而分析各型減振接管的隔振效果。各工況的試驗結果見表2。

表2 減振接管隔振效果對比

為橫向對比CKST橡膠可曲接頭自然安裝下、金屬軟管自然安裝下和金屬軟管彎曲安裝下的隔振效果，分別取其在充水0 MPa和充水0.6 MPa這2個工況下的測試數據進行1/3倍頻程分析，得到結果如圖6和圖7所示，可以將隔振效果定位到具體頻段。

圖6 管路充水0 MPa隔振效果分析

圖7 管路充水0.6 MPa隔振效果分析

2.4 試驗結果

根據表2所測減振接管在各工況下的隔振效果，可以得到如下結論：

1）在無水狀態下，金屬軟管較國產橡膠接頭隔振效果更佳。

2）打壓狀態時，在相同工況下，國產橡膠接頭的隔振效果較金屬軟管高約15 dB。

3）充水打壓后，金屬軟管的隔振效果急劇下降，并有隨壓力增大而下降的趨勢；國產橡膠接頭隔振效果雖也有下降，但幅度不大，趨勢也不明顯。

4）在打壓狀態下，金屬軟管徑向隔振效果較軸向略好。

5）金屬軟管彎曲安裝時，徑向隔振效果較直線安裝略有下降，軸向時的隔振效果下降趨勢不明顯。

根據圖6和圖7中的1/3倍頻程分析，可將隔振效果定位到具體頻段，得出如下結論：

1）頻率范圍在10～315 Hz時，2型減振接管均無明顯隔振效果。

2）頻率范圍在315～8 000 Hz時，減振接管具有隔振效果，且在1 000 Hz以上時，隔振效果尤為明顯。

3）在2個工況下，金屬軟管自然安裝和彎曲安裝的隔振效果區別不大。

4）在管路充水0 MPa時，2型減振接管的軸向隔振效果區別不大。

5）在管路充水0 MPa時，CKST橡膠可曲撓接頭的徑向隔振效果比金屬軟管略佳，且頻率范圍在100～1 000 Hz時尤為明顯。

6）在管路沖水0.6 MPa時，CKST橡膠可曲撓接頭的隔振效果明顯優于金屬軟管，特別在315～4 000 Hz頻率范圍內尤為明顯。

3 分析

根據隔振裝置的基本原理和試驗結果，對進口金屬軟管和國產橡膠接頭的隔振效果對比試驗現象進行分析：在無水狀態下，進口金屬軟管和國產橡膠接頭均處于較軟狀態，即剛度較小狀態，使得系統固有頻率較小，頻率比λ較大，根據式（2）可知，λ越大隔振效果越好；而在打壓狀態時，進口金屬軟管和國產橡膠接頭會變硬，即剛度變大，從而使得頻率比λ變小，導致隔振效果變差。根據試驗結果，進口金屬軟管在打壓狀態下的剛度變化非常大，大大降低了金屬軟管的隔振效果，而國產橡膠可曲撓接頭在打壓狀態下的剛度變化不大，使得其隔振效果下降較少。

根據橫向對比的1/3倍頻程分析可知，減振接管的隔振效果主要體現在315～8 000 Hz中高頻頻率范圍內，而在打壓狀態CKST橡膠可曲撓接頭的隔振效果明顯優于金屬軟管也是體現在315～4 000 Hz頻率范圍內。對于多自由度阻尼系統的受迫振動，運動情況比較復雜，數學模型無法準確進行模擬，特別對于減振接管類的管路系統，結構復雜、自由度多，具有很多階復雜的固有頻率。簡單的數學模型只能較為準確地模擬出前幾階固有頻率的振動特性，而對于中高頻范圍內的高階固有頻率振動特性只能根據經驗公式來推斷。

在隔振器的研究中，根據經驗阻尼效應的隔振效果主要體現在中高頻范圍內，因此可以推斷：減振接管的頻率在315～8 000 Hz時，優異的隔振效果主要是由減振接管的阻尼效應導致的。根據圖2可以看出：阻尼效應對減振接管在共振峰附近的隔振效果影響十分明顯；而在315～8 000 Hz中高頻段時，減振接管系統可能存在局部共振，CKST系列橡膠可曲撓接頭的大阻尼系數更好地降低了共振峰，使其隔振效果明顯優于金屬軟管。

4 結論

本文根據隔振理論，設計了船舶減振接管隔振效果的試驗臺架，并選用國產橡膠減振接頭和進口金屬軟管進行隔振效果對比試驗，驗證了試驗臺架設計的可行性，為減振接管隔振效果的試驗研究提供參考。同時，根據本文的試驗研究成果，CKST系列橡膠可曲撓接頭在隔振效果方面的隔振效果優于進口金屬軟管；就進口金屬軟管的優勢而言，其在抗壓和位移補償能力方面的性能仍有待學者進一步研究。