船用分油機(jī)振動(dòng)特性分析及噪聲控制技術(shù)

吳 遠(yuǎn)，靳亞奇，熊書馳

（滬東重機(jī)有限公司，上海）

船用分油機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)高速離心機(jī)，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下因?yàn)檗D(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中，或者是零件摩擦碰撞等原因會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。為保障分油機(jī)正常運(yùn)行，需要對(duì)振動(dòng)噪聲加以抑制。利用傳感器等監(jiān)測(cè)元件獲取分油機(jī)各部位的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)，在確定振動(dòng)源與噪聲源后，分析原因并采取相應(yīng)的控制措施，維護(hù)船舶的安全運(yùn)行。

1 船用分油機(jī)的振動(dòng)特性分析

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的船用分油機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試系統(tǒng)主要由B&K 數(shù)據(jù)采集分析儀、PULSE 數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)模態(tài)分析、噪聲測(cè)試分析、機(jī)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(nèi)置信號(hào)放大電路，能直接輸出電壓信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)示意

在分油機(jī)的振動(dòng)特性測(cè)試中，考慮到船用分油機(jī)的外殼為金屬材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中使用磁力安裝座吸附在分油機(jī)外殼上，再將傳感器固定到磁力安裝座上，防止分油機(jī)運(yùn)行過程中因?yàn)檎駝?dòng)導(dǎo)致傳感器位移、掉落。

1.2 測(cè)試過程

在分油機(jī)表面布置了12 個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，其中4 個(gè)位于機(jī)腳、5 個(gè)位于分離筒蓋、2 個(gè)位于電機(jī)、1 個(gè)位于分油機(jī)本體。以分油機(jī)本體為中心，在距離分油機(jī)1 m 的位置布置9 個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝噪聲傳感器，測(cè)量分油機(jī)運(yùn)行過程中周圍空氣噪聲，測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 噪聲測(cè)點(diǎn)布置

布置好測(cè)點(diǎn)并連接測(cè)試儀器后，實(shí)驗(yàn)人員啟動(dòng)船用分油機(jī)。使分油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min 并且穩(wěn)定運(yùn)行90 s 后，從分油機(jī)的注水口注水。觀察到出水口有水流出后，表明分油機(jī)內(nèi)形成水封，結(jié)束注水。維持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)測(cè)試儀器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和噪聲測(cè)試[1]。根據(jù)船用分油機(jī)的說明書可知，振動(dòng)加速度的響應(yīng)峰值在10 Hz 到1 800 Hz 之間，本次實(shí)驗(yàn)選取10 Hz～1 000 Hz 頻段作為分析頻段，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到該頻段內(nèi)空氣噪聲測(cè)點(diǎn)頻譜圖和振動(dòng)加速度頻譜圖。

1.3 結(jié)果與分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得振動(dòng)加速度譜線和空氣噪聲譜線，可以得出以下結(jié)論：

（1） 振動(dòng)能量集中分布在600 Hz 以下的低頻段，而600～1 000 Hz 只出現(xiàn)了2 個(gè)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(dòng)能量和噪聲能量出現(xiàn)了同時(shí)增大的現(xiàn)象；機(jī)腳振動(dòng)加速度譜線中該處信號(hào)峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他峰值。由于120.7 Hz 是分油機(jī)分離筒的激勵(lì)頻率，由此可得分油機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，將會(huì)通過機(jī)腳傳遞到機(jī)座進(jìn)而傳遞給船體，最終導(dǎo)致船體振動(dòng)。

（3） 對(duì)比來看，振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的變化規(guī)律比較一致。這里以3 號(hào)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和3 號(hào)噪聲測(cè)點(diǎn)為例，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)所得信號(hào)在部分頻段表現(xiàn)出較強(qiáng)的相干性。其中，分離筒蓋振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的相干性明顯超出其他部分，表明分油機(jī)中分離筒蓋的振動(dòng)對(duì)噪聲影響最大[2]。

2 船用分油機(jī)振動(dòng)噪聲的控制技術(shù)

2.1 振動(dòng)噪聲控制思路

對(duì)于分油機(jī)等常規(guī)機(jī)電設(shè)備，減小其振動(dòng)噪聲除了可以延長使用壽命外，還能減輕振動(dòng)噪聲對(duì)工作人員健康的危害。根據(jù)控制對(duì)象的不同，目前常用的振動(dòng)噪聲控制方法有3 種，即面向振動(dòng)源或噪聲源的源頭控制，以及傳播途徑控制和目標(biāo)保護(hù)。其中，源頭控制的效果最好，但是需要在分油機(jī)的設(shè)計(jì)與制造階段針對(duì)振動(dòng)噪聲源采取控制措施。對(duì)于本文這種已經(jīng)投入使用的機(jī)電設(shè)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(dòng)噪聲控制思路大體一致：工作人員在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量、分析，如噪聲級(jí)測(cè)量、頻譜分析等。然后以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，對(duì)比實(shí)際測(cè)量結(jié)果，求出兩者之間的差值，即為需要降低的量。最后采取相關(guān)的技術(shù)措施降低振動(dòng)高噪聲，使其達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 隔振設(shè)計(jì)

本文結(jié)合船用分油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在4 個(gè)機(jī)腳處分別安裝了隔振器，保證分油機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)能夠減小振動(dòng)響應(yīng)的傳遞，從而達(dá)到噪聲振動(dòng)控制的目的，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡便易行、成本較低。需要注意的是，只有在隔振系統(tǒng)的固有頻率低于激勵(lì)頻率的70%時(shí)，隔振器才能發(fā)揮隔振作用，并且固有頻率越低、隔振效果越明顯[3]。結(jié)合船用分油機(jī)的運(yùn)行工況，在額定轉(zhuǎn)速（5 000 r/min）下激勵(lì)頻率為25 Hz，按照上述要求隔振系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)當(dāng)?shù)陀?7.5 Hz。同時(shí)考慮到固有頻率越低、系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，因此最終將隔振器的固有頻率設(shè)定為10 Hz，既能達(dá)到比較理想的隔振效果，同時(shí)還能維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在隔振器型號(hào)方面，選擇了BE-60 型隔振器，承重可以達(dá)到75 kg。

加裝隔振器后，分油機(jī)以額定工況運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)和噪聲響應(yīng)均有降低。這里以分油機(jī)的機(jī)腳為例，在安裝隔振器前后機(jī)腳4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度如表1 所示。

表1 機(jī)腳4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)比較（單位：dB）

由表1 數(shù)據(jù)可知，在安裝隔振器后，機(jī)腳振動(dòng)加速度的平均振級(jí)從原來的139.85 dB 降低到了133.78 dB，振級(jí)落差為6.07 dB，隔振效果較為顯著。

2.3 阻尼減振設(shè)計(jì)

阻尼用來描述機(jī)械結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中的能量耗散，阻尼減振的原理就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能等其他能量進(jìn)行耗散，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)減小振動(dòng)和噪聲。通常來說，組成機(jī)電設(shè)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(fā)生振動(dòng)噪聲；相比之下，橡膠、環(huán)氧樹脂等高分子材料的阻尼較大，能量耗散能力較強(qiáng)，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(dá)到10-2～10-1，高分子聚合物的β 值可以達(dá)到10。橡膠、環(huán)氧樹脂等材料雖然能量耗散效果好，但是強(qiáng)度低、承載力差，不能直接作為機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，需要將其附著在高強(qiáng)地、低阻尼的金屬材料表面，組成復(fù)合結(jié)構(gòu)吸收能量，達(dá)到控制振動(dòng)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(tài)的高分子阻尼材料涂覆在機(jī)電設(shè)備的金屬材料表面，當(dāng)金屬構(gòu)件發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)會(huì)在阻尼材料的拉伸、壓縮中以熱能形式耗散，從而達(dá)到減小振動(dòng)的目的。后者則是采用“層壓法”將機(jī)械構(gòu)件的基底、阻尼層、約束層壓制成為一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)[4]。在機(jī)械構(gòu)件發(fā)生振動(dòng)時(shí)，阻尼層產(chǎn)生剪應(yīng)力，通過剪切變形耗散能力、減輕振動(dòng)。復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 附加阻尼層結(jié)構(gòu)示意

在實(shí)驗(yàn)中，選擇分油機(jī)的分離筒蓋作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)。在筒蓋表面涂裝了2 層環(huán)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(dá)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(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后再進(jìn)行下一層的涂覆。阻尼層1 為第1 層環(huán)氧樹脂材料，阻尼層2 為第2層環(huán)氧樹脂材料，阻尼層3 為聚氨酯材料，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 10 Hz～1 KHz 噪聲測(cè)試結(jié)果（單位：dB）

由表2 數(shù)據(jù)可知，涂覆阻尼層后對(duì)分油機(jī)的振動(dòng)有明顯的抑制效果。在3 層阻尼材料涂裝完畢后，分油機(jī)的振動(dòng)噪聲聲壓級(jí)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(duì)分油機(jī)振動(dòng)噪聲控制起到了良好效果。

2.4 被動(dòng)吸振設(shè)計(jì)

動(dòng)力吸振器的減振降噪原理是在目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)上附加動(dòng)力吸振器，然后調(diào)節(jié)該器件的動(dòng)力參數(shù)（振頻、剛度等），改變目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到減振效果[5]。本文設(shè)計(jì)的被動(dòng)式吸振器可調(diào)節(jié)的參數(shù)有質(zhì)量、剛度、阻尼3 個(gè)。通過參數(shù)調(diào)節(jié)，讓吸振器的固有頻率與目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率相同，利用吸振器主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)與目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)相反的作用力，兩種力抵消后減小振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中仍然選擇船用分油機(jī)的機(jī)腳作為檢測(cè)對(duì)象，安裝吸振器前后的振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 吸振前后機(jī)腳加速度級(jí)對(duì)比（單位：dB）

結(jié)合表3 數(shù)據(jù)可知，使用被動(dòng)式吸振器后分油機(jī)機(jī)腳的振動(dòng)加速度級(jí)從原來的131.98 dB 下降到了129.38 dB，平均降低了2.6 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

結(jié)束語

船用分油機(jī)因?yàn)榘惭b問題、材料老化等原因，在運(yùn)行一段時(shí)間后容易出現(xiàn)異常振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲，如果處理不及時(shí)將會(huì)縮短設(shè)備壽命并增加維修成本，采取科學(xué)的方法進(jìn)行振動(dòng)噪聲控制尤為關(guān)鍵。本文從切斷振動(dòng)噪聲傳播途徑出發(fā)，提出了三種振動(dòng)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(cè)試結(jié)果來看，三種方案均能達(dá)到比較理想的振動(dòng)噪聲控制效果。