船用分油機振動特性分析及噪聲控制技術

吳 遠，靳亞奇，熊書馳

（滬東重機有限公司，上海）

船用分油機本質上是一臺高速離心機，在高速轉動下因為轉子不平衡、不對中，或者是零件摩擦碰撞等原因會產生振動和噪聲。為保障分油機正常運行，需要對振動噪聲加以抑制。利用傳感器等監測元件獲取分油機各部位的振動信號和噪聲信號，在確定振動源與噪聲源后，分析原因并采取相應的控制措施，維護船舶的安全運行。

1 船用分油機的振動特性分析

1.1 測試系統

本文設計的船用分油機振動特性測試系統主要由B&K 數據采集分析儀、PULSE 數據分析軟件、傳感器和L5-BNC 線4 部分組成。其中，PULSE 分析軟件可支持結構模態分析、噪聲測試分析、機械故障診斷等功能；傳感器采用ICP 型壓電式加速度傳感器，內置信號放大電路，能直接輸出電壓信號。測試系統的結構組成如圖1 所示。

圖1 振動響應測試系統示意

在分油機的振動特性測試中，考慮到船用分油機的外殼為金屬材質，實驗中使用磁力安裝座吸附在分油機外殼上，再將傳感器固定到磁力安裝座上，防止分油機運行過程中因為振動導致傳感器位移、掉落。

1.2 測試過程

在分油機表面布置了12 個振動加速度傳感器，其中4 個位于機腳、5 個位于分離筒蓋、2 個位于電機、1 個位于分油機本體。以分油機本體為中心，在距離分油機1 m 的位置布置9 個測點安裝噪聲傳感器，測量分油機運行過程中周圍空氣噪聲，測點布置如圖2 所示。

圖2 噪聲測點布置

布置好測點并連接測試儀器后，實驗人員啟動船用分油機。使分油機轉速達到1 500 r/min 并且穩定運行90 s 后，從分油機的注水口注水。觀察到出水口有水流出后，表明分油機內形成水封，結束注水。維持當前運行狀態，啟動測試儀器進行振動測試和噪聲測試[1]。根據船用分油機的說明書可知，振動加速度的響應峰值在10 Hz 到1 800 Hz 之間，本次實驗選取10 Hz～1 000 Hz 頻段作為分析頻段，在實驗結束后得到該頻段內空氣噪聲測點頻譜圖和振動加速度頻譜圖。

1.3 結果與分析

結合實驗所得振動加速度譜線和空氣噪聲譜線，可以得出以下結論：

（1） 振動能量集中分布在600 Hz 以下的低頻段，而600～1 000 Hz 只出現了2 個峰值，分別位于800 Hz 和1 000 Hz 附近。

（2） 在低頻段的120.7 Hz 處，振動能量和噪聲能量出現了同時增大的現象；機腳振動加速度譜線中該處信號峰值遠遠高于其他峰值。由于120.7 Hz 是分油機分離筒的激勵頻率，由此可得分油機運行時產生的振動，將會通過機腳傳遞到機座進而傳遞給船體，最終導致船體振動。

（3） 對比來看，振動信號與噪聲信號的變化規律比較一致。這里以3 號振動測點和3 號噪聲測點為例，兩個測點所得信號在部分頻段表現出較強的相干性。其中，分離筒蓋振動信號與噪聲信號的相干性明顯超出其他部分，表明分油機中分離筒蓋的振動對噪聲影響最大[2]。

2 船用分油機振動噪聲的控制技術

2.1 振動噪聲控制思路

對于分油機等常規機電設備，減小其振動噪聲除了可以延長使用壽命外，還能減輕振動噪聲對工作人員健康的危害。根據控制對象的不同，目前常用的振動噪聲控制方法有3 種，即面向振動源或噪聲源的源頭控制，以及傳播途徑控制和目標保護。其中，源頭控制的效果最好，但是需要在分油機的設計與制造階段針對振動噪聲源采取控制措施。對于本文這種已經投入使用的機電設備來說，只能選擇傳播途徑控制，具體方法有隔振、吸振以及附加阻尼材料等幾種方法。雖然各類方法的具體操作方法不同，但是振動噪聲控制思路大體一致：工作人員在現場調查的基礎上進行測量、分析，如噪聲級測量、頻譜分析等。然后以相關標準作為依據，對比實際測量結果，求出兩者之間的差值，即為需要降低的量。最后采取相關的技術措施降低振動高噪聲，使其達到相關標準。

2.2 隔振設計

本文結合船用分油機的結構特點，在4 個機腳處分別安裝了隔振器，保證分油機在正常運行時能夠減小振動響應的傳遞，從而達到噪聲振動控制的目的，該方法的優點在于簡便易行、成本較低。需要注意的是，只有在隔振系統的固有頻率低于激勵頻率的70%時，隔振器才能發揮隔振作用，并且固有頻率越低、隔振效果越明顯[3]。結合船用分油機的運行工況，在額定轉速（5 000 r/min）下激勵頻率為25 Hz，按照上述要求隔振系統的固有頻率應當低于17.5 Hz。同時考慮到固有頻率越低、系統穩定性越差，因此最終將隔振器的固有頻率設定為10 Hz，既能達到比較理想的隔振效果，同時還能維持系統運行的穩定性。在隔振器型號方面，選擇了BE-60 型隔振器，承重可以達到75 kg。

加裝隔振器后，分油機以額定工況運行時的振動響應和噪聲響應均有降低。這里以分油機的機腳為例，在安裝隔振器前后機腳4 個測點的振動加速度如表1 所示。

表1 機腳4 個測點振動加速度級比較（單位：dB）

由表1 數據可知，在安裝隔振器后，機腳振動加速度的平均振級從原來的139.85 dB 降低到了133.78 dB，振級落差為6.07 dB，隔振效果較為顯著。

2.3 阻尼減振設計

阻尼用來描述機械結構在振動過程中的能量耗散，阻尼減振的原理就是將機械能轉變成熱能等其他能量進行耗散，從而使機械結構減小振動和噪聲。通常來說，組成機電設備的鐵、鋁等金屬材料阻尼較小，能量耗散能力有限，因此容易發生振動噪聲；相比之下，橡膠、環氧樹脂等高分子材料的阻尼較大，能量耗散能力較強，是阻尼減振的理想材料。阻尼損耗因子β 代表了阻尼材料的能量耗散能力，金屬材料的β值通常為10-4～10-3，玻璃材料的β 值通常為10-3～10-2，橡膠材料的β 值可以達到10-2～10-1，高分子聚合物的β 值可以達到10。橡膠、環氧樹脂等材料雖然能量耗散效果好，但是強度低、承載力差，不能直接作為機電設備的結構材料，需要將其附著在高強地、低阻尼的金屬材料表面，組成復合結構吸收能量，達到控制振動噪聲的效果。

目前常用的阻尼減振方法有自由阻尼層和約束阻尼層2 種類型。前者是將熔融狀態的高分子阻尼材料涂覆在機電設備的金屬材料表面，當金屬構件發生振動時，振動會在阻尼材料的拉伸、壓縮中以熱能形式耗散，從而達到減小振動的目的。后者則是采用“層壓法”將機械構件的基底、阻尼層、約束層壓制成為一個復合系統[4]。在機械構件發生振動時，阻尼層產生剪應力，通過剪切變形耗散能力、減輕振動。復合系統的結構如圖3 所示。

圖3 附加阻尼層結構示意

在實驗中，選擇分油機的分離筒蓋作為實驗對象，設置5 個測點。在筒蓋表面涂裝了2 層環氧樹脂材料和1 層聚氨酯材料，厚度為5 mm。為了加快材料的干固、達到最佳的阻尼減振效果，涂裝后使用燈箱烘烤30 min。每涂完1 層，使用燈箱烘烤1 次，在固化后進行振動噪聲測試，測試結束后再進行下一層的涂覆。阻尼層1 為第1 層環氧樹脂材料，阻尼層2 為第2層環氧樹脂材料，阻尼層3 為聚氨酯材料，測試結果如表2 所示。

表2 10 Hz～1 KHz 噪聲測試結果（單位：dB）

由表2 數據可知，涂覆阻尼層后對分油機的振動有明顯的抑制效果。在3 層阻尼材料涂裝完畢后，分油機的振動噪聲聲壓級從原來的74.16 dB 下降到了68.64 dB，降幅為5.52 dB，說明阻尼減振對分油機振動噪聲控制起到了良好效果。

2.4 被動吸振設計

動力吸振器的減振降噪原理是在目標振動系統上附加動力吸振器，然后調節該器件的動力參數（振頻、剛度等），改變目標振動系統的振動狀態，從而達到減振效果[5]。本文設計的被動式吸振器可調節的參數有質量、剛度、阻尼3 個。通過參數調節，讓吸振器的固有頻率與目標振動系統的振動頻率相同，利用吸振器主動產生一個與目標振動系統相反的作用力，兩種力抵消后減小振動。實驗中仍然選擇船用分油機的機腳作為檢測對象，安裝吸振器前后的振動加速度級對比結果如表3 所示。

表3 吸振前后機腳加速度級對比（單位：dB）

結合表3 數據可知，使用被動式吸振器后分油機機腳的振動加速度級從原來的131.98 dB 下降到了129.38 dB，平均降低了2.6 dB，達到了設計預期。

結束語

船用分油機因為安裝問題、材料老化等原因，在運行一段時間后容易出現異常振動并產生噪聲，如果處理不及時將會縮短設備壽命并增加維修成本，采取科學的方法進行振動噪聲控制尤為關鍵。本文從切斷振動噪聲傳播途徑出發，提出了三種振動噪聲控制方案，分別是基于隔振器的隔振措施、基于阻尼材料的減振措施和基于吸振器的吸振措施。從測試結果來看，三種方案均能達到比較理想的振動噪聲控制效果。