双层隔振技术在新型海洋科学综合科考船上的应用

孔宪才　张　彬（中国科学院海洋研究所 青岛 6607中国船舶重工集团公司 第七一一研究所 上海 008）



双层隔振技术在新型海洋科学综合科考船上的应用

孔宪才1张彬2
（1中国科学院海洋研究所 青岛 2660712中国船舶重工集团公司 第七一一研究所 上海 201108）

摘要：本文在阐述双层隔振技术工作原理基础上，通过该技术在我国新型海洋科学综合考察船上的应用实例，重点介绍了双层隔振装置的组成、结构功能，以及实船测试效果。

关键词：双侧隔振 浮筏 减振器 振动 噪声

0　引言

船舶振动和噪声主要是船舶动力机械（主机、辅机、螺旋桨、推进系统等）和辅助机械（泵、风机等）在运行时产生的振动和令人不舒适的声音。船舶振动和噪声不仅关系到船舶航行安全，例如驾驶室内振动和噪声过高会影响船舶的操控指挥，声呐导流罩内噪声过高会严重影响声呐设备的正常工作并干扰声呐对水下目标（暗礁、沉船、潜艇等）的探测，而且船舶振动和噪声还会影响乘员和旅客的健康与环境的舒适，间接地影响船舶的操作和运行管理。为此国际海事组织从安全和环境舒适角度出发对船舶振动和噪声也提出了限定值标准。我国也出台了《海洋船舶噪声级规定 》（GB5979－1986）和《内河船舶噪声级规定》（GB5980－2009），来指导船舶的建造，2013年我国批准加入《2006年海事劳工公约》，对海上工作人员的生活舒适度也给出了明确要求。

科学家乘坐科学考察船到预先规划的海域，通过探测仪器设备获取精准的数据和样品资料来揭示海洋秘密，并为人类的生存和发展来服务。因此有效降低船舶噪声，提高仪器设备测量的精准度是海洋科学考察船所必须具有的一个性能现就新型海洋科学综合考察船柴油发电机组所采用的双层隔振降噪措施和其取得成效进行简要介绍。

1　双层隔振技术原理

对于船舶最大的动力源-主机在运行时产生的振动会传递到上层建筑的生活舱室、工作舱室和设备舱室，这些振动又会以弹性波的方式沿着船体的龙骨、纵桁、横梁等结构材质进行传递，并使之相邻的空气产生振动，产生辐射声波和结构噪声。由于结构噪声衰减速率低，可以传递到很远的地方，因而会造成大面积的噪声污染。因此减少船舶主机（电力推进船舶的柴油发电机组）的振动外传是船舶减振降噪的第一要务。

最早出现的隔振形式是单层隔振，即在设备和支撑基座之间布置适量的减震器（减震基座），其理论已非常成熟并在设备安装和船舶建造过程中得到了广泛应用。其优点是简单有效，技术成熟，经济性好，隔振效果一般在10-20dB之间，对小型设备和回转型的运转设备，由于本身振动较小，基本满足要求。但是对于大型设备，尤其是大型柴油机组，由于其质量大，振动幅度大，仅靠以上简单的单层减振措施，其效果不能满足对高要求船舶的需求。

图1　单层隔振示意

为提高减振效果，改进单层隔振方式的不足，科研人员经过技术改进将单层隔振发展为双层隔振。双层隔振装置是一种高效的隔振装置，它的基本结构是将运转设备用隔振器（上隔振器）安装在一个阻尼很大并有一定质量的中间筏体上，再将筏体通过隔振器（下隔振器）安装装在船体上，在设计计算恰当的情况下，双层隔振装置可利用动力机械与中间筏体的“惯性效应”减少低频振动的传递，并利用中间筏体内的“阻尼效应”衰减高频能量，从而达到很高的隔振效率。研究表明，双层隔振系统可达到低频35dB、中高频50dB的隔振效果。这儿的一个重要问题就是，要想获得理想的隔振效果，除配置性能优异的减振器外，需要合理配置双层隔振器并选用较大质量比（中间筏体质量/设备运转状态下的湿式质量）的中间筏体。然而，过大的中间筏体质量，在船舶总体设计、总纵强度计算和有效载重量方面面临着诸多技术问题，这也一定程度上限制了双层隔振技术的应用和发展。

该技术主要用于对舒适度要求高的豪华旅游船，对作战精度要求高的舰艇、潜艇，以及对水下辐射噪声要求高的科学考察船。

图2　双层隔振示意

2　新型科学综合考察船上的具体设计和应用

为使船舶获取理想的减振效果，为海洋调查工作者们提供理想而舒适的生活和工作环境，更好地获取高质量和没有噪音干扰的探测数据，国家重大科技基础设施“科学”号在设计之初，就进行了充分调研，和国际国内减振降噪技术的研究，并在设计人员的共同努力下，成功地实现了机舱4台发电机组的减振降噪，并获得了非常理想的减振成效，创下了国内功率最大柴油发电机组双层隔振技术的实船应用。

2.1船舶机舱设计规划和布局

“科学”轮采用电力推进装置，主电站由3台2610kW主柴油发电机组和1台758kW主柴油发电机组组成，经过配电板、推进变压器进行送变电后，再经过变频器将动力送至推进电机，以此来驱动船舶前进。4台主柴油发电机组的柴油发动机为四冲程、直列式、单作用、筒型活塞、直接喷射带废气涡轮增压器和中冷却器不可逆转船用中速柴油机。

图3　船舶电力推进系统框

根据船型和机舱布局，在充分利用机舱空间的基础上，确定对四台主柴油发电机组进行了错位布置。如下图4所示。

图4　机舱内底柴油发电机组平面布置

为此在减振降噪的技术设计上，对1、4号柴油发电组分别采用独立的双层隔振；对2、3号柴油发电机进行有机组合，使用同一个中间筏体，采用浮筏结构模式。

2.2目的和具体要求

海洋科学综合考察船柴油发电机组使用的隔振装置采用积极隔振方式，其目的在于减小柴油发电机组的振动向基座的传递。隔振器具有合适的刚度，在振动时产生与振动位移成正比的恢复力；同时它又有一定的阻尼，在振动时又产生与振动速度成正比的阻尼力。隔振装置使得柴电机组传递到基座上的传递力减到很小，振动得到有效的衰减，从而达到减振目的。隔振系统装置中配备具有限位功用的限位器，在柴油发电机组产生过大位移移动。

经过充分计算，制定如下设计要求：

在1#柴油发电机组机脚至船体基座处，双层隔振装置的总加速度振级落差≥40dB（10Hz～10kHz）；正常使用状态下，双层隔振装置在使用周期内的总加速度振级落差≥32dB（10Hz～10kHz）；

浮筏隔振装置在柴油发电机组正常工作时，应满足在柴油发电机组机脚至船体基座处，单台机组开机情况下，浮筏隔振装置的总加速度振级落差≥42dB（10Hz～10kHz）；2、3#机组均开机情况下，浮筏隔振装置的总加速度振级落差≥40dB（10Hz～10kHz）；正常使用状态下，双层隔振装置在使用周期内的总加速度振级落差≥32dB （10Hz～10kHz）；

由于4#柴油机是4缸柴油机，本身振动较大，且其主要在停泊和非科学考察作业时使用，对其要求就低一些。双层隔振装置在柴油发电机组正常工作时，应满足在柴油发电机组机脚至船体基座处，双层隔振装置的总加速度振级落差≥38dB（10Hz～10kHz）；正常使用状态下，双层隔振装置在使用周期内的总加速度振级落差≥30dB（10Hz ～10kHz）；

由于设计思路和采用的部件大同小异，下面仅就2、3号柴油发电机组浮筏装置的组成和部件工作原理进行描述。

2.3隔振装置的结构组成

2、3号柴油发电机组浮筏隔振装置由上、下层隔振器、中间筏体以及调整垫片、紧固件、接地装置等组成，整个装置的组成见表1。

表1　浮筏隔振装置组成

2.3.1 中间筏体

中间筏体采用了钢质整体焊接框架结构，内部填充高分子聚合物，以增加中间筏架的阻尼作用，进一步降低柴油发电机组产生的振动向船体的传递。中间筏架与柴电机组的质量比达到近0.5，采用双层隔振以后对高频振动的隔离效果十分有效。

图5　中间筏体示意图

2.3.2 上层隔振器

上层隔振器主要用于衰减柴油发电机组的振动向船体基座的传递。由于隔振器的橡胶相对于钢铁有较大的阻尼，能吸收部分振动能量。而隔振器本身的刚度特性也作为隔振系统的一部分将系统振动进行一次有效隔离。

图6　上层隔振器

2.3.3 下层隔振器

下层隔振器用于衰减柴油发电机组振动向船体基座（安装基础）的传递。同样由于隔振器的橡胶相对于钢铁有较大的阻尼，能吸收部分振动能量。而隔振器本身的刚度特性也作为隔振系统的一部分将系统振动进行二次有效隔离。

图7　下层隔振器

2.3.4 限位器

为了满足船舶摇摆和受到冲击时柴油发电机组外界管路的径向和轴向位移要求，柴油发电机组浮筏隔振装置在中间筏体与船体基座之间设置了三向限位器。在中间筏体的左右筏架各安装2只限位器（共4只）。

图8　限位器

2.3.5 压缩锁定器

橡胶隔振器除了有低频、大载荷的特点，还有一个特点就是带有压缩锁定器。压缩锁定器的作用：当柴油发电机组与中间筏架、隔振器安装好在机舱的船体基座上预压后，利用压缩锁定器可使隔振器锁定在预压后的安装高度，便于安装调整垫片（片）。或在需要更换隔振器时，先用千斤顶支承在中间筏架下平面，使柴电机组和中间筏架位置保持不变，再利用该压缩锁定器使需更换的隔振器产生压缩变形，从而不需要抬高柴电机组就能移出隔振器，按同样的方法放进新隔振器，这样更换隔振器就很方便。

图9　压缩锁定器

图10　接口与界面图

2.4 各单元结构之间的联系（接口）

柴油发电机组通过上层隔振器固定在中间筏体上，上层隔振器与公共底座和中间筏体之间用螺栓连接，中间筏体通过下层隔振器固定在船体基座上，下层隔振器与中间筏体和船体基座之间均以螺栓连接。安装和更换极为方便，维护简单。

3　实船测试结果

设备系泊试验阶段，对双层隔振装置进行了全面的测试和验收，测试结果均达到了设计要求。1#机组的双层隔振和2#3#机组的浮筏隔振效果均超过了45dB，超过了40 dB设计要求，4#机组的双层隔振效果达到了41 dB，超过了38 dB的设计要求。

双层隔振设备结构设计合理、建造焊接工艺处理到位。机舱集控室，实测噪声60dB，低于船级社设定的最高舒适度等级中对于机舱集控室70db的要求。在全速航行时全船居住舱室指标达到CCS规定的船员卧室舒适度最高等级的房间为30间（低于52dB），占全船卧室的75%，达到客

图11　2#、3#机组同时运行时的隔振效果（大于45dB）

图12　1#机组运行时的隔振效果（大于45dB）

图13　4#机组运行时的隔振效果（大于41dB）

经海上航行试验测定，振动测量的数据也同样显示了船乘客高级舱室噪音舒适度最高等级的房间为8间（低于45dB），占全船卧室的25%，减振降噪效果明显。

双层隔振减振降噪技术在新型科考船上的成功应用，为双层隔振技术在民用高附件值船舶领域的应用带来了前景，其显著的减振效果为业界所称道，也成了科学考察船、公务船、渔业资源船等对减震降噪要求高的船舶的标准配置。