船用離心泵減振技術(shù)研究

王小軍 張樂

摘 要：船用離心泵作為船舶主要輔機設(shè)備，其工作時產(chǎn)生的振動噪聲嚴重影響船舶運行環(huán)境，因此對其減振降噪的研究極為重要。本文從離心泵的研究現(xiàn)狀出發(fā)，梳理了當前常用的減振技術(shù)，詳細介紹了浮筏隔振系統(tǒng)，并對部分新型減振手段進行概述，為船用離心泵的減振技術(shù)研究提供指導(dǎo)方向。

關(guān)鍵詞：船用離心泵;浮筏;減振

中圖分類號：U674? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0106-03

船用離心泵被廣泛運用于現(xiàn)代船舶，其能將機械能轉(zhuǎn)化為流體動能和壓力能，是船舶正常工作的重要輔機設(shè)備。船用離心泵在運行時產(chǎn)生的振動不僅與船舶整體機組配置有關(guān)，同時也與泵的制造材料、結(jié)構(gòu)剛度分布、流道形狀等有著密切聯(lián)系。由于船舶的艙室空間有限，船用離心泵工作時產(chǎn)生的過量振動及其誘發(fā)的輻射噪聲會對船舶運行環(huán)境造成很大污染，也嚴重威脅了船員的生活環(huán)境，因此為保證船舶安全可靠的運行，船用離心泵的減振技術(shù)研究格外重要[1-3]。

1離心泵研究現(xiàn)狀

與一般的水泵不同，船用離心泵不僅要滿足水力性能的需求，同時也要滿足振動噪聲控制的要求。目前船用離心泵的研究相對較少，其設(shè)計和優(yōu)化主要是借鑒并利用其他類型的離心泵研究成果和經(jīng)驗。

1.1國外研究現(xiàn)狀

Abdulrahman[4]等重點研究了離心泵葉輪葉片葉尖處早期故障的振動響應(yīng)，并提出相應(yīng)的故障檢測與診斷措施，研究結(jié)果表明，葉片通過頻率處的幅值及軸頻處的高次諧波可以作為故障檢測與診斷的有效特征。Adamkowski等[5]對某發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)離心泵泵軸斷裂的原因進行了大量研究和分析，研究結(jié)果表明，泵軸扭轉(zhuǎn)振動和壓力波動的共振是造成泵軸斷裂的主要原因，而該壓力波動與泵軸轉(zhuǎn)速頻率和葉輪葉片數(shù)相關(guān)。AR Mohanty等[6]利用振動信號和電機電流信號對離心泵的葉輪狀態(tài)進行診斷，利用該診斷方法對離心泵不同葉輪條件下（如正常葉輪和缺陷葉輪）的狀態(tài)進行分析，可觀察到明顯差異，表明該診斷方法較為可靠。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

談明高等[7]建立了離心泵空化誘導(dǎo)振動噪聲試驗測試系統(tǒng)，以某單級單吸離心泵為研究對象，控制其他幾何參數(shù)不變，僅改變?nèi)~輪葉片數(shù)量，測出不同葉片數(shù)下離心泵的振動噪聲信號，探究了離心泵葉輪葉片數(shù)量對其振動噪聲的影響。劉厚林等[8]對單級單吸離心泵進行研究，控制其他幾何參數(shù)不變，僅改變?nèi)~輪出口寬度，測出不同葉輪出口寬度下離心泵的振動噪聲信號，探究了離心泵葉輪出口寬度對其振動噪聲的影響。Lu等[9]對比分析了離心泵葉輪在空化過程中不同位置處的流動特性和振動信號，研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)監(jiān)測點振動水平的變化可以對空化漸變過程進行有效檢測。Gao等[10]對汽蝕引起的離心泵振動特性進行研究，結(jié)果表明：離心泵振動水平的升降趨勢與相應(yīng)的空化狀態(tài)緊密相關(guān)。

2 傳統(tǒng)減振技術(shù)

船用離心泵作為船舶運行的重要輔機，研究其減振技術(shù)本質(zhì)上是研究船舶機械設(shè)備的減振技術(shù)。當前廣泛運用的減振技術(shù)按照控制方式可以分為被動控制和主動控制兩類。被動控制通過在激勵源和傳遞途徑之間添加阻尼系統(tǒng)以對振動能量進行衰減。主動控制通過在系統(tǒng)中引入次級振源，經(jīng)監(jiān)測控制后使系統(tǒng)對次級振源和主振源的響應(yīng)相互抵消，從而有效控制低頻線譜。

2.1被動隔振

船舶機械設(shè)備的隔振歷經(jīng)單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振，實現(xiàn)了多次技術(shù)跨越，減振降噪能力也獲得了大幅提升。浮筏隔振系統(tǒng)利用高彈性阻尼元件將眾多機械設(shè)備與船體分離，可以有效地對振動傳遞能量進行衰減，以達到降低輻射噪聲的目的，其具有優(yōu)良的隔振效果，近年來一直是船舶減振降噪技術(shù)研究的重點和熱點，在實際工程上應(yīng)用十分廣泛[11-12]。圖1為浮筏隔振系統(tǒng)示意圖。

筏架的阻尼、尺寸和質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)會對其性能造成較大影響。張華良等[13]建立浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型，分析了筏架質(zhì)量、筏架剛度以及筏架結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)對浮筏隔振性能的影響。王新海等[14]以立式船用離心泵為研究對象，建立了浮筏正面開腔體各幾何參數(shù)與浮筏質(zhì)量、離心泵振動特性之間的近似模型，通過計算參數(shù)最優(yōu)解，使浮筏減振能力進一步提高。

2.2 主動隔振

主動控制可以消除低頻振動線譜，且可根據(jù)船舶航行的實際工況進行實時改變，是一種重要的減振技術(shù)。黃建德等[15]對離心泵進行進口靜壓頻譜分析和進口流動可視化觀察，找尋低頻脈動最強的區(qū)域，通過使用高壓水源和噴嘴向水泵進口處噴射水流，有效地抑制了離心泵的低頻脈動。然而，純粹的主動隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗能較大，適用條件比較有限，因此人們提出主被動混合隔振技術(shù)，該技術(shù)通過將被動隔振器和作動器集成，可同時獲得寬頻隔振效果和線譜控制效果。陳糾等[16]提出一種主動浮筏隔振技術(shù)，該技術(shù)將泵集中布置在浮筏上，利用浮筏隔振與主動隔振相結(jié)合的方式對泵類設(shè)備進行主被動混合隔振，經(jīng)可行性驗證后表明，該技術(shù)可對泵的寬頻振動和特征線譜進行有效抑制。

3新型減振技術(shù)

3.1 顆粒阻尼減振

顆粒阻尼減振技術(shù)通過將微小顆粒物質(zhì)按一定的填充率放入振動體的有限密閉空間中，利用顆粒與顆粒以及顆粒與容器壁之間的碰撞摩擦對振動能量進行耗散。目前顆粒阻尼減振技術(shù)的物理機制尚不明晰，但因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高效能等優(yōu)點，人們已將其運用于多個領(lǐng)域，如齒輪減振[17]，重型壓縮機機組減振[18]，機場風塔減振[19]，機床刀具減振[20]，火箭引擎減振[21]，航天器結(jié)構(gòu)減振[22]等。顆粒阻尼減振技術(shù)作為一種較為新穎的減振技術(shù)，將對船用離心泵的振動噪聲控制技術(shù)研究起到積極的推動作用。

3.2 聲子晶體減振

聲子晶體是具有彈性波帶隙的周期性結(jié)構(gòu)材料，其可阻止彈性波在某一頻率范圍內(nèi)傳遞，這為減振技術(shù)的發(fā)展提供了一種新思路。姜超君[23]等根據(jù)典型船用離心泵機腳的振動特性，設(shè)計出一種聲子晶體薄板，該聲子晶體薄板以硅橡膠為基體、以鉛為散射體，將其引入艙段減振設(shè)計中進行振動響應(yīng)分析，結(jié)果表明：引入聲子晶體可在帶隙作用范圍內(nèi)有效抑制振動傳遞，使艙段外殼的振動響應(yīng)減小。

目前聲子晶體減振的應(yīng)用受到多種限制，使其工程實用化變得困難：①基體材料的應(yīng)用限制，如硅橡膠[24]、碳化硅[25]、環(huán)氧樹脂[26]、蜂窩鋁[27]、混合材料[28]，各類型聲學(xué)超材料[29]等;②各類型聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計形式及結(jié)構(gòu)制造工藝的復(fù)雜性限制。

4結(jié)語

船用離心泵的減振技術(shù)歷經(jīng)幾十年發(fā)展實現(xiàn)了幾次跨越，但未來仍有很長的路要走。傳統(tǒng)的減振技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展日趨成熟，但也漸漸達到瓶頸。新型減振技術(shù)雖然具有廣闊應(yīng)用前景，但其機理研究尚少，同時工程應(yīng)用實例不多，將其廣泛運用于船用離心泵的減振降噪還需要進行大量研究。

參考文獻：

[1]秦鋒， 孫明太， 周利輝. 主動聲納浮標對純機動規(guī)避潛艇探測效能研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版）， 2013， 28（3）： 46-51.

[2]黃國富， 常煜， 張海民， 等. 低振動噪聲船用離心泵的水力設(shè)計[J]. 船舶力學(xué)， 2009， 13（2）： 313-318.

[3]司喬瑞， 林剛， 袁壽其， 等. 高效低噪無過載離心泵多目標水力優(yōu)化設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2016， 32（4）： 69-77.

[4] Abdulrahman Al?braik， Osama Hamomd， F.Gu， et al. Diagnosis of Impeller Faults in a Centrifugal Pump Using Vibration Signals[C]. Eleventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies， 10th?12th June 2014， Manchester， UK.

[5] Adamkowski A， Henke A， Lewandowski M. Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers[J]. Engineering Failure Analysis， 2016， 70（13）： 56-72.

[6] AR Mohanty， PK Pradhan， NP Mahalik， et al. Fault detection in a centrifugal pump using vibration and motor current signature analysis[J]. Automation and Control， Vol. 6， Nos.3/4， 2012.

[7]談明高， 王勇， 劉厚林， 等.葉片數(shù)對離心泵內(nèi)流誘導(dǎo)振動噪聲的影響[J]. 排灌機械工程學(xué)報， 2012， 30（2）： 131-135.

[8]劉厚林， 王勇， 袁壽其， 等.葉輪出口寬度對離心泵流動誘導(dǎo)振動噪聲的影響[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2012， 40（1）： 123-127.

[9] Lu J， Yuan S， Parameswaran S， et al. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2017， 9（4）： 68-78.

[10] Gao B， Guo P， Zhang N， et al. Experimental investigation on cavitating flow induced vibration characteristics of a low specific speed centrifugal pump[J]. Shock and Vibration， 2017， 35（17）： 1-12.

[11]吳小豪， 鄒永久. 船用離心泵狀態(tài)監(jiān)測[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2017， 39（13）： 112-115.

[12]盧永剛， 王洋， 王秀禮， 等. 管道輸油泵流體噪聲模擬及泵噪聲測試方法[J]. 排灌機械工程學(xué)報， 2017， 35（8）： 645-651.

[13]張華良， 傅志方， 瞿祖清. 浮筏隔振系統(tǒng)各主要參數(shù)對系統(tǒng)隔振性能的影響[J]. 振動與沖擊， 2000， 19（2）： 4-8.

[14]王新海， 李鈺， 劉厚林， 等. 浮筏參數(shù)對船用離心泵振動特性的影響[J]. 排灌機械工程學(xué)報， 2019， 37（11）： 929-935.

[15]黃建德， 丁力， 周建華， 等. 離心泵空泡脈動主動控制的實驗研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報， 1998， 32（7）： 10-13.

[16]陳糾， 蔡龍奇， 劉佳， 等. 泵類設(shè)備主動浮筏隔振技術(shù)研究[J]. 核動力工程， 2019， 40（2） ：49-52.

[17] Xiao W， Chen Z， Pan T， et al. Research on the impact of surface properties of particle on damping effect in gear transmission under high speed and heavy load[J]. Mechanical Systems & Signal Processing， 2018， 98： 1116-1131.

[18] Lei X， Wu C， Wu H， et al. A novel composite vibration control method using double-decked floating raft isolation system and particle damper[J]. Journal of Vibration and Control， 2018， 24（19）： 4407-4418.

[19] Tamura Y， Kousaka R， Modi V J. Practical application of nutation damper for suppressing wind-induced vibrations of airport towers[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1992， 43（1-3）： 1919-1930.

[20] P Sam Paul， Prashanth Raja， Philip Aruldhas， et al. Attenuation of vibration in boring tool using spring controlled impact damper[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2018， 232（5）： 776-786.

[21] Moore J J， Palazzolo A B， Gadangi R， et al. A forced response analysis and application of impact dampers to rotor dynamic vibration suppression in a cryogenic environment[J]. Trans.asme J.vib. & Acoustics， 1995， 117（3A）： 300-310.

[22] Oledzki A. A new kind of impact damper-from simulation to real design[J]. Mechanism & Machine Theory， 1981， 16（3）： 247-253.

[23]姜超君， 向陽， 張波， 等. 二維聲子晶體帶隙特性分析與應(yīng)用研究[J]. 噪聲與振動控制， 2018， 38（04）： 12-17.

[24] Mohammadi S， Eftekhar A A， Khelif A， et al. （2007）. Complete phononic bandgaps and bandgap maps in two-dimensional silicon phononic crystal plates[J]. Electronics Letters， 43（16）： 898-899.

[25] Ghasemi Baboly M， Reinke C M， Griffin B A， et al. （2018）. Acoustic waveguiding in a silicon carbide phononic crystals at microwave frequencies[J]. Applied Physics Letters， 112（10）， 103504.

[26] Yan， Xin. （2015）. Band gap characteristics of phononic crystal made from different material[J]. Applied Mechanics and Materials， 723， 778-784.

[27] JC Hsu， FS Lin. （2018）. Measurement of locally resonant band gaps in a surface phononic crystal with inverted conical pillars[J]. Jpn.j.appl.phys， 57（7S1）， 07LB01.

[28] Zhu T， Ertekin E. （2019）. Mixed phononic and non-phononic transport in hybrid lead halide perovskites： glass-crystal duality， dynamical disorder， and anharmonicity[J]. Energy & Environmental Science， 12.

[29] WJ Zhou， XP Li， YS Wang， et al. （2018）. Spectro-spatial analysis of wave packet propagation in nonlinear acoustic metamaterials[J]. Journal of Sound Vibration， 413， 250-269.