艦船管路安裝參數(shù)對其振動傳遞特性影響試驗研究

吳江海，孫凌寒，孫玉東，尹志勇

(中國船舶科學(xué)研究中心，船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

艦船管路系統(tǒng)在實現(xiàn)流體介質(zhì)傳輸、流體動力和流體信息傳遞功能的同時，總是伴隨產(chǎn)生振動和噪聲。管路系統(tǒng)振動噪聲一方面影響著管路系統(tǒng)的正常工作性能，縮短管路元件的壽命，過大的振動可造成接頭松動，引起流體泄漏和破壞；另一方面當機械噪聲與螺旋槳噪聲得到有效的控制后，管路噪聲成為艦船水下輻射噪聲的主要困難與障礙，關(guān)系著艦船的隱蔽性能與作戰(zhàn)能力。因此管路系統(tǒng)振動噪聲受到各國海軍的高度重視，各國研制了撓性接管、彈性支撐、動力吸振器、管口消聲器等設(shè)備從結(jié)構(gòu)振動傳遞與管內(nèi)流體介質(zhì)傳遞兩個途徑進行管路系統(tǒng)減振降噪。當設(shè)備與方法達到一定水平時，實際建造過程中的安裝工藝會影響管路元器件的機械阻抗，進而改變元器件與管路系統(tǒng)的阻抗匹配，影響管路減隔振器件的振動傳遞特性。因此艦船低噪聲建造工藝技術(shù)被提出，即在艦船建造過程中，研究制定低噪聲建造工藝規(guī)程和檢驗驗收方法。目前國內(nèi)外相關(guān)的研究還比較少，張生樂等[1]選取某型船舶上典型管路為研究對象，進行了彈性馬腳隔振器底部螺栓安裝緊固力矩變化對振動傳遞影響的試驗研究，結(jié)果表明，調(diào)整隔振器底部螺栓緊固力矩對彈性馬腳隔振效果及船體結(jié)構(gòu)振動影響不大。潘國雄等[2]對DN32彈性通艙件設(shè)計并實現(xiàn)軸向偏差、角度偏差和軸向與角度組合工藝安裝偏差，并進行振動測試，評判不同的安裝偏差對DN32彈性通艙件隔振性能的影響。試驗測試結(jié)果表明隨著工藝差值的增加，所造成的振動加速度級增量也隨之變大，安裝過程中的工藝偏差會使得彈性通艙件的隔振性能變差。謝迪波等[3]就理想情況下分析了撓性接管在不同的邊界條件和布置情況下，對管路中彎曲波的振動隔離性能，分析結(jié)果顯示撓性接管能在大部分頻段上有效的隔離彎曲振動，也有可能使振動放大，與其邊界條件與布置情況密切相關(guān)。此外，羌凱等[4]對建造過程中焊接殘余應(yīng)力對圓柱殼的振動特性進行數(shù)值分析。

本文從艦船管路系統(tǒng)安裝工藝參數(shù)出發(fā)，梳理現(xiàn)有的管路彈性支撐、撓性接管等管路減振降噪元器件，分析其安裝工藝參數(shù)對管路系統(tǒng)振動傳遞特性的影響，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 試驗對象

彈性管路支撐與撓性接管是目前廣泛采用的管路減振元器件，能有效的降低機械振動向船體的傳遞。國內(nèi)很多單位對管路彈性支撐與撓性接管開展了大量理論分析與試驗研究，取得了豐碩的成果，開發(fā)了一系列艦船管路彈性支撐與撓性接管產(chǎn)品，并應(yīng)用于實際艦船管路系統(tǒng)中。但是針對減隔振元器件在不同安裝工藝狀態(tài)下的隔振性能研究比較少。

圖 1 試驗?zāi)Ｐ虵ig. 1 Test model

本文中的試驗對象由DN80閉環(huán)管路系統(tǒng)與艙段綜合管路系統(tǒng)兩部分組成。DN80閉環(huán)管路系統(tǒng)如圖1（a）所示，由 1 臺臥式安裝的水泵驅(qū)動。管路進口通徑為DN100，出口通徑為DN80，水泵進水和出水管路與壓力筒連接構(gòu)成回路。系統(tǒng)中共有4個撓性接管，分別位于壓力水筒和水泵的進出口。管路中還安裝了2個剛性支撐和4個彈性支撐，剛性支撐位于壓力水筒出口與水泵進口之間的管路上，彈性支撐位于水泵出口與壓力水筒進口之間的管路上。剛性支撐與彈性支撐通過地腳螺絲和地面剛性連接。試驗過程中，通過對同一元器件在不同安裝參數(shù)下，測試不同工況下相同測點處的振動加速度級和振級落差。該部分管路的試驗我們稱為第 1 部分試驗。

艙段綜合管路系統(tǒng)由低頻大尺度艙段結(jié)構(gòu)、模擬實艇的通海及滑油冷卻管路系統(tǒng)、耐壓儲水罐組成。設(shè)計長度約7.5 m，直接約4.2 m，外肋骨結(jié)構(gòu)。艙內(nèi)安裝有浮筏和管路系統(tǒng)，艙段采用氣囊支撐，整體固有頻率低于5 Hz。浮筏上安裝 1 臺6CBLG-7型立式多級離心疏水泵和安裝 1 臺100CLG-30型臥式離心冷卻泵。這些設(shè)備通過管路連接。疏水泵通過通艙管道進水和左舷舷側(cè)閥出水進行循環(huán)泵水工作，冷卻泵通過右舷通海閥進水為換熱器提供冷卻水，滑油泵從滑油艙泵送滑油至冷卻器。該系統(tǒng)從機械設(shè)備的隔振安裝、管路空間結(jié)構(gòu)與布局、管路與結(jié)構(gòu)的連接方式等模擬了真實安裝情況要素。該部分管路的試驗我們稱為第 2 部分試驗。

2 試驗工況

DN80閉環(huán)管路中，主要進行管路系統(tǒng)單個元器件安裝參數(shù)的試驗，測試包括 1 處“彈性支撐”、1 處“撓性接管”、1 處“彎管”和 1 處“直管”拆裝前后相同測點振動加速度級差值。艙段綜合管路系統(tǒng)主要進行管路系統(tǒng)元器件整體安裝參數(shù)對管路系統(tǒng)振動傳遞特性的影響，測試包括 1 處“撓性接管”、1 處“彎管”、1 處“閥門”、1 處“通艙件”、2 處“直管”和 4 處“彈性支撐”。

第 1 部分試驗測點為加速度測點，加速度傳感器主要布置在水泵出口撓性接管前后法蘭、管路支撐馬腳的上下端、彎管前后、壓力水桶進出口撓性接管與管系連接位置處法蘭；第 2 部分試驗測點為加速度測點，加速度傳感器主要布置在主疏水泵出口撓性接管前后法蘭，部分管路支撐的上下端，通艙管件及附近艇體，通海口附近耐壓殼，閥門前后。2 部分的測點見下表。

3 第 1 部分試驗結(jié)果

第 1 部分試驗工況，整個閉環(huán)管路系統(tǒng)水泵轉(zhuǎn)速保持2 900 r/min不變，管內(nèi)流量為102 t/h。對由泵驅(qū)動的DN80閉環(huán)管路進行第 1 部分的 4 個工況試驗，每個試驗工況采用 2 種安裝參數(shù)，并對 2 次拆裝的試驗數(shù)據(jù)進行對比，進行聲學(xué)質(zhì)量檢查。

表 1 試驗測點統(tǒng)計Tab. 1 Test point statistics

3.1 彈性支撐安裝參數(shù)

圖 2 測點布置位置和元器件拆裝位置示意圖Fig. 2 Location of the measuring point and the disassembly position of the components

對圖2中DN80閉環(huán)管路中彈性支撐S1處進行 2次安裝，在安裝過程中為了保持整個管路系統(tǒng)處于同一水平面內(nèi)，在彈性支撐S1處附近0.5 m范圍內(nèi)，采用剛性繩懸吊，再進行安裝。安裝過程中，首先將彈性支撐底部螺栓擰緊，然后再擰緊彈性支撐上部螺栓。2 次安裝過程中，均使用扭力扳手安裝。第 1 次安裝采用40 N·m的力矩，將下端和上端螺栓分別擰緊；第 2 次安裝采用60 N·m的力矩，將下端和上端螺栓分別擰緊。圖3（a）所示為彈性支撐完全拆除的狀態(tài)，圖3（b）為彈性支撐安裝過程情況。

圖 3 彈性支撐拆裝Fig. 3 Elastic support disassembly

安裝現(xiàn)場工藝測量參數(shù)包括支撐中心軸距基座距離及支撐距兩端法蘭距離，說明示意如圖4和圖5所示，測量數(shù)據(jù)見表2。

圖 4 支撐中心軸距基座距離示意圖Fig. 4 The distance between the base and the support center

圖 5 支撐距兩端法蘭距離示意圖Fig. 5 The distance between the flange and support

對比兩次不同安裝參數(shù)下，彈性支撐直接相關(guān)的S1測點上端與下端振動加速度，以及與S1測點離得最遠的8#測點。S1支撐兩次拆裝后，上端測點兩次振動加速度級相差1.06 dB，下端測點兩次振動加速度級相差0.6 dB。8#測點兩次振動加速度級相差0.04 dB。由于彈性支撐為隔振元件，需要考察彈性支撐上下的振級落差，第 1 次安裝支撐上下的振級落差為8.75 dB，第 2 次安裝振級落差為7.09 dB。

表 2 彈性支撐安裝工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 2 Deflection data of elastic support installation process

從圖6中可以看出，彈性支撐具有良好的隔振效果，不同安裝參數(shù)下隔振效果都達到了7 dB以上。在100 Hz以前與200 Hz之后具有很好的隔振性能，中頻段100～200 Hz范圍內(nèi)隔振效果不明顯。在 2 種安裝參數(shù)下，上端與下端的振動響應(yīng)變化不大，但由于受不同擠壓力，致使隔振器的隔振性能產(chǎn)生略微的變化，隔振器兩端壓力越大，隔振性能越差。而在遠離支撐處，測點振動幾乎不變。

圖 6 支撐安裝參數(shù)振動測試響應(yīng)Fig. 6 Vibration test response of supporting installation parameters

3.2 直管段安裝參數(shù)

對圖2中DN80閉環(huán)管路中位置二處直管段進行 2次安裝，安裝過程中需測量管系距地面高度、法蘭開檔量及法蘭錯邊量。法蘭開檔量的測量為測量法蘭盤上下端兩法蘭的間距，用下端的間距減去上端的間距，即認為是該法蘭盤的開檔量。法蘭錯邊量的測量為使用高度尺測量 2 個法蘭盤最高點與地面的距離，兩者相差即為法蘭盤錯邊量。安裝現(xiàn)場工藝測量參數(shù)見表3。

表 3 工況2工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 3 Case 2 installation parameters

對比3#，4#測點位置的振動加速度級，如圖7所示，直管段 2 次拆裝后，3#測點兩次振動加速度級相差0.18 dB。4#測點兩次振動加速度級相差0.91 dB。因此不同安裝參數(shù)下，直管對振動傳遞的影響不大。

圖 7 直管安裝振動測試響應(yīng)Fig. 7 Vibration test response of straight pipe installation

表 4 工況3工藝偏差數(shù)據(jù)Tab. 4 Case 3 installation parameters

3.3 彎管段安裝參數(shù)

對圖2中DN80閉環(huán)管路中位置3處彎管進行 2 次安裝。第 1 次安裝的扭力扳手采用60 N·m的力矩，第2 次安裝的扭力扳手采用70 N·m的力矩。試驗過程中同樣測試彎管的管系距地面高度、法蘭錯邊量及法蘭開檔量。安裝現(xiàn)場工藝測量參數(shù)見表5。

表 5 工況四測量數(shù)據(jù)Tab. 5 Case 4 installation parameters

圖 8 彎管安裝振動測試響應(yīng)Fig. 8 Vibration test response of bend pipe installation

考察2#，3#測點位置的振動加速度級。圖8為上述 2 個測點在 2 次安裝后的振動加速度對比情況，由圖9看出，彎管段 2 次安裝后，2#測點 2 次振動加速度級相差0.09 dB，3#測點 2 次振動加速度級相差0.17 dB。因此不同安裝參數(shù)下，彎管對振動傳遞的影響不大。

圖 9 撓性接管安裝振動測試響應(yīng)Fig. 9 Vibration test response of flexible nozzle installation

3.4 撓性接管安裝參數(shù)

對圖2中DN80閉環(huán)管路中位置4處的撓性接管進行 2 次安裝。第 1 次安裝的扭力扳手采用60 N·m的力矩，第 2 次安裝的扭力扳手采用70 N·m的力矩。試驗過程中測試撓性接管的長度、法蘭錯邊量及法蘭開檔量，安裝現(xiàn)場工藝測量參數(shù)見表5。

考察R2A，R2B，1#測點位置的振動加速度級和振級落差。圖9為上述測點在撓性接管 2 次安裝過程中管路系統(tǒng)的三向振動加速度級對比情況。不同安裝參數(shù)下，R2AX測點 2 次振動加速度級相差0.09 dB，R2AY測點 2 次振動加速度級相差0.15 dB，R2AZ測點2 次振動加速度級相差0.33 dB，R2BX測點 2 次振動加速度級相差0.02 dB，R2BY測點 2 次振動加速度級相差0.72 dB，R2BZ測點 2 次振動加速度級相差0.56 dB，1#測點 2 次振動加速度級相差0.06 dB。第 1 次安裝前后，X方向振級落差為14.15 dB，第 2 次安裝前后，X方向振級落差為13.98 dB，2 次相差0.17 dB；第 1 次安裝前后，Y方向振級落差為20.49 dB，第 2 次安裝前后，Y方向振級落差為19.62 dB，2 次相差0.87 dB；第 1 次安裝前后，Z方向振級落差為8.04 dB, 第 2 次安裝前后，Z方向振級落差為7.81 dB，2 次相差0.23 dB。

圖中可以清楚的看到，撓性接管具有良好的隔振效果，能降低水泵振源向管路系統(tǒng)傳遞振動，其中Y方向的隔振效果最為明顯，達到20 dB，說明撓性接管對振動彎曲波的隔振效果明顯，且200 Hz以后高頻更為顯著。但不同安裝參數(shù)下，撓性接管的隔振性能并沒有發(fā)生較大的變化。較之前面 3 個實驗結(jié)果，筆者認為剛性較大的管路元件對安裝參數(shù)具有較低的靈敏度，而剛度較小的元器件對安裝參數(shù)較為敏感。

表 6 工況5測量數(shù)據(jù)Tab. 6 Case 5 installation parameters

4 第 2 部分試驗結(jié)果

第 2 部分試驗過程中，疏水泵和冷卻泵的轉(zhuǎn)速保持不變，閥門開度保持不變、管內(nèi)壓力保持不變，對圖2右中的測點考察R2A，R2B，S9上下，S10上下，S11上下，S12上下、測點位置的振動加速度級。安裝現(xiàn)場工藝測量參數(shù)見表6。

圖 10 部分二振動測試結(jié)果Fig. 10 Second part vibration test results

將表6處安裝參數(shù)同時考慮以驗證安裝參數(shù)集成對管路系統(tǒng)振動傳遞影響，與第 1 部分試驗不同，該部分的試驗結(jié)果能較為真實的模擬艦船中真實的管路系統(tǒng)。從圖10中看出，撓性接管X方向振級落差相差0.25 dB；Y方向振級落差相差0.83 dB；Z方向振級落差相差0.92 dB；S9支撐振級落差相差0.47 dB；S10支撐振級落差相差0.79 dB；S11支撐振級落差相差0.59 dB；S12支撐振級落差相差0.08 dB。由此可見隔振器與撓性接管具有較好的隔振性能，管路安裝參數(shù)對隔振性能的影響不大。

5 結(jié) 語

本文對管路系統(tǒng)中常見的幾種管路元器件進行安裝參數(shù)對其振動傳遞特性的影響分析。通過試驗得到以下結(jié)論。

1）管路系統(tǒng)中彈性支撐與撓性接管具有較好的隔振性能，但在中頻段，兩者的隔振效果不明顯。撓性接管對管路傳遞的彎曲波具有良好的隔振效果。

2）管路元器件中，剛度較大的元器件對安裝參數(shù)的靈敏度較低，其振動傳遞受安裝參數(shù)的影響較小。

3）不同安裝參數(shù)下，使管路元器件承受不同的初始應(yīng)力，這些初始應(yīng)力可以改變管路元器件的剛度與阻尼，使相同位置處測點的振動幅值減小。但對整個管路系統(tǒng)的振動傳遞、各測點振動加速度總級影響較小。