船舶管路系統(tǒng)振動分析與控制研究

李方宇 徐歡 徐飛

摘 要 在船舶行駛過程中，各種問題的發(fā)生是在所難免的，尤其是管路系統(tǒng)振動，其嚴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)振動問題已引起業(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)振動的根本原因，且重視對振動控制措施的探索，借此以確保船舶運行的安全性。基于此，本文就船舶管路系統(tǒng)振動及其控制措施進行研究，以期對優(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 噪聲

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0001-03

對船舶管路系統(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，不但會對船上人員的日常生活及工作產(chǎn)生極大的影響，而且還會影響到船舶各類系統(tǒng)、設(shè)備的穩(wěn)定運行。所以，分析掌握引起船舶管路系統(tǒng)振動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)振動的基本特征

在船舶行駛過程中，對內(nèi)部各系統(tǒng)有著比較高的要求;內(nèi)部系統(tǒng)是傳播動力設(shè)備不可或缺的部分，可提供船舶正常運行所需的動力，并且還會形成各式各樣的振動。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，則會將振動傳至船體結(jié)構(gòu)。[1]所以，應(yīng)對管路系統(tǒng)振動進行嚴格控制，降低振動噪聲，確保傳播安全。相關(guān)研究表明：造成船舶管路系統(tǒng)振動的原因主要有以下兩點：

1.在動力設(shè)備運作過程中，向管路系統(tǒng)傳遞振動。動力設(shè)備與管路系統(tǒng)是相互連通的，如果設(shè)備發(fā)生振動，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。在此過程中，管路系統(tǒng)振動有著與動力設(shè)備完全相同的頻譜特征，振動峰值通常會在低頻位置出現(xiàn)。

2.船舶管路系統(tǒng)中流體形成的影響。當動力設(shè)備輸送流體時，則會進行流體做工，由于受管路系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)設(shè)備特征造成的影響，通常會引起旋流或空化問題，從而對管路產(chǎn)生撞擊，形成極強的振動。在此情形下，管路系統(tǒng)不但會遭受流體動力噪聲造成的影響，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，因為具備通道和流道面積改變的特征，極易引起振動，因為此些設(shè)備相對集中，所以噪聲也是高度集中的，具備高頻特征，對管路系統(tǒng)有著程度各異的影響。因為引起管路系統(tǒng)振動的原因有所差異，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)振動對船舶產(chǎn)生的負面影響，應(yīng)當根據(jù)實際情況，充分掌握船舶管路系統(tǒng)振動的基本特征及形成原因，而后采取針對性的措施，以確保船舶運行的安全性。

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

2.1 管路機械振動的影響

船舶由于機械運動而形成擾動力激勵，且輻射的噪聲量級和船體所受的激振力密切相關(guān)，因為結(jié)構(gòu)機械阻抗、振動加速度是極易通過測量獲取的參數(shù)，同時激振力可以用阻抗與加速度的乘積來表示，所以激振力可經(jīng)由結(jié)構(gòu)機械阻抗及振動加速度取得。在對船舶總體噪聲影響進行分析和比較時，同樣可以參考振源的振動加速度及結(jié)構(gòu)的阻抗參數(shù)進行全方位的判斷。[2]在船舶隱蔽行駛條件下，機械設(shè)備是引起船舶總體噪聲的根本擾動源，設(shè)備形成的擾動力大多是經(jīng)由管路支撐工件與設(shè)備安裝支撐結(jié)構(gòu)傳播至船體激勵船舶振動而引起噪聲。根據(jù)具體的測量數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，管路馬腳處的振動加速度級與機械設(shè)備安裝基座的振動加速度級相比大約高7-10dB，但相應(yīng)的阻抗差距卻超過20dB。根據(jù)激振力與阻抗、加速度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，管路對船舶造成的激振力與機械設(shè)備對船體造成的激振力相比低10dB左右，由此可知，由管路機械振動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)以上對機械振動激勵力量級的研究可知，管路振動對于船舶的激勵力與機械設(shè)備經(jīng)由機腳對船舶得到激勵力相比來說是完全可以忽略的。然而，管路引起的振動噪聲在中高頻段有著非常高的分量。在此頻段范圍內(nèi)，管路馬腳的振動加速度與設(shè)備安裝基座面板的振動加速度相比要高15dB左右。因為馬腳與艇體直接相連的，馬腳振動量級與周圍部位的振動量級大致相同。但是，基座面板與船體間仍有較大的距離，機腳中高頻振動在向船體傳遞的過程中也會有不同程度的衰減。所以，在中高頻段，管路馬腳對于船體的振動激勵力與設(shè)備機腳經(jīng)由安裝基座結(jié)構(gòu)對船體的激振力相比要高。在中高頻段，管路系統(tǒng)振動對于船舶總體噪聲具有非常大的影響。[3]

3 船舶管路系統(tǒng)常見振動現(xiàn)象及控制措施

3.1 機艙管路振動

引起機艙管路振動的原因主要有：

1.管內(nèi)流體脈動。在管路進行流體輸送的過程中，應(yīng)將泵加壓或者壓縮機當作根本動力，此類間歇性的加壓形式必定會造成流體速度、壓力等有關(guān)參數(shù)出現(xiàn)脈動，主要包括速度脈動與壓力脈動。在船舶運行中，因為流體脈動而形成施加于管路內(nèi)的干擾力，同時還是速度和壓力脈動相互作用的結(jié)果。當流體遇到異徑管、彎管頭、盲板以及控制閥等部件時，通常會形成相應(yīng)的周期性干擾力，進而對管路形成周期性激勵，引起管路系統(tǒng)振動。以柴油機滑油循環(huán)管路為例，因為滑油在管路系統(tǒng)內(nèi)長期處在循環(huán)狀態(tài)，柴油機轉(zhuǎn)速因為各缸交替燃燒做功而產(chǎn)生波動，造成機帶滑油泵也發(fā)生轉(zhuǎn)速變化。在油泵轉(zhuǎn)速增加時，滑油管則會產(chǎn)生瞬間高壓;在油泵轉(zhuǎn)速下降時，滑油管則會產(chǎn)生瞬間低壓。因此會引起油壓出現(xiàn)周期性的波動，使得管道中的滑油呈現(xiàn)為脈動狀態(tài)，導(dǎo)致管中滑油參數(shù)不但會隨著時間發(fā)生周期性波動，同時還會隨位置發(fā)生變化。

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

機艙管路振動的控制措施如下：

1.控制管道中流體脈動。第一，不斷改善泵浦等原動機結(jié)構(gòu)參數(shù)及形式等，采用合理、有效的控制方法，使輸出的流量脈動與壓力脈動有所下降;第二，對閥門啟閉方法進行更加科學(xué)的設(shè)計，降低啟閉時的流體脈動;第三，在管路系統(tǒng)中加裝穩(wěn)壓又或是儲能設(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，周圍有著大量的機械設(shè)備，振動環(huán)境十分復(fù)雜。為了實現(xiàn)對管路系統(tǒng)振動的有效控制，往往會利用隔振部件將管路與機械設(shè)備相互隔離開，以降低振動能量的傳遞。加裝隔振部件，可有效隔離機械設(shè)備自振對船體結(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)振動經(jīng)由管路支撐結(jié)構(gòu)對于管路系統(tǒng)的振動激勵，防止發(fā)生間接性激勵管路結(jié)構(gòu)共振的問題。對船用機械設(shè)備來說，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，對激勵源頻率進行控制，使得其能夠回避被測對象的共振頻率;第二，轉(zhuǎn)變被測對象的固有頻率，確保其遠離激勵源頻率。對船舶管路系統(tǒng)來說，其共振主要有管道機械共振與流體柱共振兩種形式。從管道機械共振角度來看，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源頻率;從流體柱共振角度來看，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

從船舶管路系統(tǒng)振動角度來看，壓力管路振動是最常見的問題之一。[5]壓力管路振動的危害性主要表現(xiàn)在以下方面：一方面，壓力管路振動可造成管路撕裂等狀況，造成整個管路系統(tǒng)難以正常運作;另一方面，壓力管路振動或許會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，針對部分用途獨特的船舶而言是無法接受的，比如軍艦、豪華郵輪等等。當前，對壓力管路振動進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、減少彎頭等，以降低振動;（4）安裝蓄能器，以緩解管中介質(zhì)的振動;（5）縮減管路插入部件或者替換低阻尼元件。

3.3 主機燃油供給管路振動

引起主機燃油供給管路振動的原因主要有：

1.管路現(xiàn)場放樣不合理的設(shè)計。船舶主機燃油的供給管路往往是“千回百折”的，存在非常多的拐點，艙底與管路間有著較遠的距離，管道支撐太長、管碼強度偏低，如此便為主機燃油供給管路構(gòu)建起相應(yīng)的振動空間，同時管路抵抗振動的能力相對較弱，以上則會導(dǎo)致燃油供給管路發(fā)生更加嚴重的振動。

2.柴油機振動的影響。船舶主機往往采用的是柴油機，如果柴油機的回轉(zhuǎn)發(fā)生問題，比如不穩(wěn)定、不平衡等，則極易引起振動問題，因為其底座安裝有彈性設(shè)備，如此便容易造成主機燃油供給管路發(fā)生振動。如果船舶處在高速行駛的狀態(tài)，柴油機的自振強度則會有所提升，進而將此振動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。如果柴油機處在額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，相應(yīng)的振動頻率計算公式如下：額定轉(zhuǎn)速×柴油機數(shù)量/2/60，此類振動主要源自于缸體發(fā)火，相應(yīng)地產(chǎn)生了不平衡的側(cè)推力，進而造成振動。

3.高壓脈沖的影響。柴油機噴油并非是持續(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)生瞬時低壓，壓縮以后又會引起瞬時高壓，柴油機每運作兩個周期后，柴油機便會進行一次噴油。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，管路振動幅度同樣會有所上升。

主機燃油供給管路振動的控制措施如下：

1.對管路固有頻率進行調(diào)整。優(yōu)化燃油管路分布情況，減少彎管數(shù)目，同時需相應(yīng)地調(diào)整管路支撐高度，在此前提下加裝多個管子支架，使得布局更加密集，并且應(yīng)確保支架強度符合要求，進而實現(xiàn)調(diào)節(jié)燃油管路頻率的目標。

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

3.加裝管路蓄能設(shè)備。柴油機具備自身相應(yīng)的運行方式及工作機理，這代表著燃油總管內(nèi)壓力脈動的產(chǎn)生是不可避免的，也恰是由于受脈動的影響，才會引起管路系統(tǒng)的振動，在振動達到特定強度時，需以合理的方式對脈動能量進行控制，進而實現(xiàn)減振的目標。經(jīng)過加裝管路蓄能設(shè)備，可有效降低管內(nèi)壓力脈動強度。在選擇蓄能設(shè)備的過程中，需根據(jù)船舶的具體特征，主要包含機艙的工作原理、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。可考慮將蓄能設(shè)備安裝于主機的進油管路系統(tǒng)中，即主機與回油管路相連的地方;并且利用高壓軟管將主機構(gòu)造與外部管路相互分離開，進而實現(xiàn)對主機振動的集中性控制，降低振動傳播，以提高機械隔振的效果。

4.嚴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所需要的供油壓力，所需的壓力值大約為0.5～0.962MPa，可對燃油供給泵壓力值進行適當?shù)恼{(diào)整，然而其根本前提為應(yīng)滿足柴油機的各項要求。

4 結(jié)論

綜上所述，船舶管路系統(tǒng)振動對船舶的安全行駛有著極大的負面影響，所以需強化對船舶管系振動的控制。從船舶管系振動角度來看，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。現(xiàn)階段，船舶管路系統(tǒng)常見的振動現(xiàn)象主要有機艙管路振動、壓力管路振動、主機燃油供給管路振動等等。我們應(yīng)不斷創(chuàng)新管系振動控制技術(shù)，以有效控制船舶管系振動，進而確保船舶行駛的安全性。

參考文獻：

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[2] 胡義，劉佳佳，李武超，等.基于STM32的船舶管路振動應(yīng)急處理系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2017，32（05）： 53-56.

[3] 余欣.船舶管路中高頻振動成因分析及控制策略研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（07）：26.

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[5] 梁向東.管路振動噪聲對船舶總體聲隱身特性的影響[J].噪聲與振動控制，2010，30（06）：127-128，135.CD2F8B27-83E8-48A9-AF71-41A742A552CD