船舶管路系统的动力学特性研究及减振降噪

梁勇刚

摘 要：近年来，船舶工业的发展使得船舶推进系统的功率进一步增大，船舶航速明显提升，但这也使得船体振动更加严重，不仅影响船体安全性，也使得噪声更大。管路系统作为船舶的核心构成部分，若振动过于剧烈，会导致管道的耐久性受到影响，进而出现管道损坏的情况，影响管道系统的安全稳定运行。基于此，本文以船舶管路系统中输流管路为例，具体研究管路系统的动力学特性，并探讨相应的减振降噪措施。

关键词：减振降噪;管路系统;船舶;动力学特性

目前，船舶管路系统在结构上越来越复杂，并且振动问题日益凸显，以船舶输流管路为例，其剧烈振动不仅会导致管路损坏的风险增加，引发漏液事故，威胁船舶运行安全，同时也会导致船体噪声增大，影响船舶的舒适性。从目前关于船舶-管路系统减振降噪问题的研究现状来看，主要集中在空管参数的研究，忽视了输流管道内部流体的影响，这就导致最终制定的减振降噪方案存在一定的局限性，无法取得预期的效果[1]。基于此，本文选择船舶管路系统动力学特性作为切入点，并结合管路系统流固耦合效应的影响，提出针对性的减振降噪措施。

1.导致船舶管路系统振动问题严重的原因分析

管路系统是船舶的核心构成部分，因此管路系统振动剧烈会加剧船体振动，从当前船舶工业的发展情况来看，导致船舶管路系统振动问题严重的原因主要表现在三方面：其一是受科学技术发展以及船舶行业发展需求变化的影响，船舶航行速度显著提升，船舶上采用的动力设备、泵、风机等设备功率增大，这使得船舶管路系统激增力显著增大，进而使得管路系统振动更加剧烈[2]。其二是受社会发展需求变化的影响，船舶类型更加多样化，在新型船舶设计上，为满足多元化的使用需求，导致船舶管路系统构成愈加复杂，这也使得船舶管路系统的振动特性难以把握，很难制定出针对性的减振降噪措施。其三是船舶管路系统不同部分的功能不同，因此在材料使用以及设备选择方面差异性较大，不同材料、设备的特性不同，比如质量、阻尼以及刚度等，这使得管路系统的振动特性极为复杂，其振动规律难以有效把握。

2.船舶管路系统动力学特性分析

以船舶输流管道为例，在研究其减振降噪措施时，不仅要考虑空管状态的情况，同时也要考虑输流时的情况。输流管路看系统在输流情况下，管路内部流体和管壁相互作用产生的流固耦合效应是导致管路系统振动的重要原因之一，关于这个问题，一方面要考虑管道内部流体的附加质量以及流体离心力产生的附加刚度、科氏力产生的附加阻尼对管路系统结构的影响;一方面还要考虑管道内部流体通过负阻尼以及压力脉动向管路系统结构灌输能量产生的影响。

关于船舶输流管路流固耦合的问题，其复杂程度较高，当管道内部流体流动时，会产生类似于轴向压力的离心力以及类似于陀螺力作用的科氏力。输流管道固有频率会随着管道内部流体的流速增快而降低，且流速在处于某个临界值时固有频率会降到零，此时输流管路会出现静力发散失稳的情况。科氏力相位和管路振动速度相位在一个周期内一半相同一半相反，整体表现出复模态的特征[3]。此外，在特定条件下，管路还可能出现颤振的情况，主要原因是管路刚度偏低，在流体高速运动的作用下，会产生大幅振动，甚至出现严重的静变形[4]，从而影响输流管路正常运行，甚至还可能导致输流管路系统被破坏，进而影响船舶的安全性。

3.船舶管路系统减振降噪措施

3.1减振措施

关于船舶管路系统的减振措施，就目前的相关研究以及实际应用情况来看，阻振质量是一项有效的措施。阻振质量原本是一种结构噪声控制手段，在板类结构的应用中已经极为成熟，目前其开始被应用到管道减振当中，从实际效果来看，相当不错，具有较高的可行性以及可操作性。针对同一管道，振动波的传递损失与阻隔块质量以及回转半径密切相关，根据相关研究显示，当处于低频区域时，阻振质量影响管路振动弯曲波的效果不太明显，但是随入射弯曲波的频率提升，阻振质量的效果会逐渐增加，隔振效果明显[5]。而阻振质量所产生的隔振效果和阻隔块质量以及回转半径呈正相关，即阻隔块质量越大隔振效果越好，回转半径越大，阻振效果越好，反之则越差。一般情况下，在输流管路上安装阻振质量其实际效果要略逊于空管，因此要有效降低输流管路的振动，必须要增加阻振质量，这样才能取得预期的效果。

3.2降噪措施

要解决船舶管路系统的噪声问题，首选肯定是从噪声源入手，从噪声源控制噪声可以一劳永逸。从船舶管路系统的噪声源来看，离心风机是主要的噪声源，其噪声在很大程度上决定了船舶管路系统的噪声大小，而要解决离心风机的噪声问题首先需要确定噪声源，以便制定针对性的降噪方案。关于离心风机的噪声源可以分为两种，二者形成的原理不同，其一是气动噪声，具体又可以分为离散噪声与宽频噪声，其中宽频噪声是叶片和气流的相互作用导致边界层分离所形成的漩涡产生的;离散噪声是离心风机的叶轮在周期性运行过程中，离心风机内部气流产生的周期性脉动与机壳相互作用产生的[6]。导致机械噪声的原因则比较复杂，比如叶轮、蜗壳磨损或者损坏时，振动加剧进而产生噪声，或者叶轮的刚度不足，在气流冲击作用下叶片振动产生噪声。为了有效明确离心风机的噪声源，笔者进行了监测试验，主要是监测离心风机叶片与蜗舌在离心风机运行过程中哪部分所产生的噪声最大。通过对监测试验数据进行分析，发现离心风机的叶片与蜗舌部分风压随着运行时间的变化表现出明显的周期性，但是二者的变化周期明显不同，风压变化的趋势差异性较大，这表明二者产生的噪声类型不同，其中以蜗舌顶部风压最大，因此可以认定蜗舌部分是影响离心风机噪声大小的关键，这意味着离心风机的降噪问题应重点集中在蜗舌部分。

通过离心风机的运行过程进行研究分析，发现蜗舌时影响离心风机噪声大小的关键性因素，因此可以通过对离心风机蜗舌部分进行优化来达到降低噪声的目的。通过反复试验分析，发现离心风机蜗舌的圆弧半径控制在25mm，蜗舌间隙控制在33mm，蜗舌倾斜角控制在18°，离心风机所产生的噪声最小。经过对比试验发现，改进优化后的离心风机在200Hz与400Hz时，噪声峰值显著降低，表明通过优化蜗舌参数可以显著改善离心风机的噪声问题，可以取得良好的降噪效果。

结束语：

综上所述，关于船舶管路系统减振降噪问题，本文在深入研究管路系统动力学特定的基础上，提出利用阻振质量降低管路系统振动与通过优化离心风机蜗舌部分降低离心风机噪声的措施，并且取得了良好的效果，对于解决船舶管路系统减振降噪问题具有一定的积极意义。

参考文献：

[1]管卫华， 林用满， 卢锦程，等. 船舶舱室空调通风管路减振降噪方法研究[J]. 舰船科学技术， 2018， v.40（14）：14-16.

[2]王勇， 赵大为， 江山，等. 船舶管路系统弹性隔振试验[J]. 噪声与振动控制， 2013（03）：163-166.

[3]梁师清， 徐建龙， 胡毅，等. 船舶管路系统振动控制研究[J]. 舰船科学技术， 2018， 040（007）：52-57.

[4]彭云飞， 何海洋， 黎申，等. 管路弹性穿舱件减振机理研究及仿真分析[J]. 舰船科学技术， 2011（08）：119-122.

[5]廖庆斌， 王晓东， 马士虎. 舰船管路系统振动和噪声源机理分析[J]. 舰船科学技术， 2010， 32（004）：23-27.

[6]陈嘉伟， 张辉， 倪其军. 某科考船动力系统减振降噪技术研究[J]. 青岛远洋船员职业学院学报， 2017， 038（003）：1-4.

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