科考船泵浦设备振动传递及减振分析

乐美鑫，董佳欢，杨绪辉

（1.江南造船（集团）有限责任公司，上海201913；2.中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海201108）

0 引言

近年来，随着国家“海洋强国”战略的提出，人们对海洋资源开发和探索的需求日益增长。各研究院、高校、国家机关等机构，陆续完成了科考船的立项、批复和建造，甚至一些民间组织也顺势而上。科考船作为综合性平台，集深海大洋科学研究、人才培养、高新技术研发应用为一体，积极推动国家实现海洋强国。

泵浦设备在现代船舶中应用十分广泛，是船舶重要的辅机设备。泵浦设备的本质是将电能转化成机械能，在船舶设计过程中，泵被用来输送淡水、海水、燃油、滑油、动力油等，根据其用途不同，可分为：1）船舶动力装置用泵，如海水泵、淡水泵、燃油泵、舵机或其他甲板机械的液压泵等；2）船舶通用泵，如舱底水泵、压载水泵、消防泵、日用海水泵、日用淡水泵、热水循环泵等；3）特殊船舶专用泵，如泵水推进器的喷水推进泵、海洋钻井平台的泥浆泵等。根据泵的工作原理不同，可以分为容积式和叶轮式。

国内很多学者、技术人员对泵浦设备在船舶设计中的减振降噪设计做了大量研究。张海燕等[1-3]验证了钢丝绳隔振器在船用泵组中的减振效果，同时校核了浮筏隔振的稳定性。船体结构的声学特性被证明对泵组振动传递也有一定的影响[4-5]。在一些要求比较高的特殊船舶中，为了提高隔振效果，隔振元件常选用固有频率较低的空气弹簧。但对于科考船泵浦设备的振动噪声控制，没有针对性的说明和研究。本文针对科考船的特殊性，对泵浦设备的弹性安装方式进行归纳总结。

1 科考船振动噪声要求

国内外一些组织机构对船舶水下噪声开展了不少的研究，公开的水下辐射噪声衡准有国际海洋勘探委员会（ICES）的Cooperative Research Report No.209（简 称CRR-209），挪威船级社的Silent Class等。CRR-209主要针对渔业资源调查船，评估船舶在11 kn航速时发现鱼群的能力，是目前最严苛的衡准。

目前，国内的科考船水下辐射噪声指标取证主要为挪威船级社Silent等级和中国船级社的Underwater Noise N等级。挪威船级社的Silent衡准，分为5种符号：

1）Silent E（Environmental）。主要针对有水下辐射噪声要求的相关船舶，如集装箱船、滚装船等商船，包括“Transit”和“Quiet”。

2）Silent A（Acoustic）。主要针对安装有声学设备的船舶，如海洋平台供给船、科考船、调查船等，包括“Light Survey”和“Thruster Condition”。

3）Silent S（Seismic）。主要针对震源船等有地震测量要求的船舶。

4）Silent F（Fishery）。主要针对渔业资源调查或作业的船舶，包括“Heavy Towing”和“Light Search”。

5）Silent R（Research）。该符号是Silent衡准中要求最高的，主要针对海洋科考作业中水下噪声要求较高的船舶。

以上5种符号的水声数据对比如图1所示。

图1 挪威船级社水下辐射噪声指标对比

为了提升我国在船舶设计和建造领域的水下辐射噪声控制水平，中国船级社在2018年制订《船舶水下辐射噪声指南》[7]，为业界提供了船舶入级服务。满足测试要求的船舶可授予附加标志：Underwater NoiseN（N=1，2，3），水下辐射噪声限值如表1所示。

表1 中国船级社水下辐射噪声限值

除水下辐射噪声水平较高外，由于科考船的特殊用途，通常充分考虑船员和科研人员的舒适性。国际海事组织（IMO）2012年11月通过《船上噪声等级规则》，作为强制性文件规定了船舶不同类型舱室的噪声限值。对于常规等级的科考船，居住处所的噪声限值为55～75 dB。中国船级社（CCS）的部分舱室噪声限值如表2所示。

表2 中国船级社对舱室噪声的限值要求（dB）

此外，科考船布置数量较多的实验室，用于科学考察、人员办公，考虑到人员的舒适性，噪声限值不应高于60 dB。此类舱室布置一般距离机器舱室较近，振动噪声风险较大，需要重点关注。

2 泵的振动传递分析

相比船舶主机、柴油发电机组、螺旋桨等激励源，单个泵的振动能量较小。但科考船泵浦设备数量多、布置范围大，舱室类型和数量多，舱室振动噪声要求高，其对船舶振动噪声的影响同样不可忽视。泵浦设备常带来局部舱室振动噪声问题，甚至影响船舶水下辐射噪声和自噪声。

根据泵浦的安装布置要求和振动传递特性，其振动主要传递路径有：

1）设备本体-基座-船体结构-辐射水下噪声或自噪声。泵浦设备本身的机械振动通过其安装机脚传递至船体基座，又从船体基座传递至船体结构（如双层底、舷侧外板等），船体结构的振动会辐射水下噪声或自噪声，泵浦设备异常的振动可能导致船舶水下噪声超标，并且影响水听器、单波束、多波束等声学设备的性能或工作效率。

2）设备管路-船体结构-辐射水下辐射噪声或自噪声。泵浦设备运行过程中，进、出水管路的振动通过管路支撑结构传递至船体结构，引起结构振动，从而带来水声问题。

3）设备管路-船体结构-引起舱室振动和噪声。管路支撑结构不仅会传递振动，同时也会引起结构的2次振动，产生结构共振，这是相对容易忽略的传播路径。

4）设备空气噪声-引起附近舱室的噪声。设备本体的空气噪声一般不大，但开关阀、调节阀等开启过程中的异常噪声也会引发附近舱室的噪声问题。

图2 泵浦振动噪声传递路径

从振源、传递路径、接收者等角度开展振动控制，是最有效的方法。通过泵浦设备振动传递路径的分析，为解决此类问题提供了工作思路和具体方法。

3 泵浦减振设计

泵浦减振设计的主要目的是抑制设备的振动噪声向外传递，避免引起局部结构振动、舱室噪声、水下辐射噪声超标等问题。泵浦的减振设计可以从设备本体、安装基座、船体结构、管路安装等方面出发。

3.1 隔振装置

为了表明科考船满足特定的水下作业环境要求，在设计过程中会考虑取得相应的水下辐射噪声入级符号或证书，例如挪威船级社的Silent等级、中国船级社的Underwater NoiseN等级。泵浦设备作为振动激励源，振动部件主要为电机、叶轮等，激励频率一般为20 Hz以上，为泵浦设备设置隔振装置是控制水下辐射噪声的有效措施，常用的有单层隔振、双层隔振和浮筏隔振。隔振装置由隔振元件（隔振器）、安装平台（如有）、挠性接管等组成，如图3所示。

图3 某冷却泵单层隔振装置示意图

单层隔振为设备和设备安装基座间设置一层隔振器，双层隔振为设备和安装基座间设置2层隔振器，浮筏隔振为多台泵采用公共的安装平台，同时进行隔振安装。单层隔振的隔振效果为15～20 dB，双层隔振的隔振效果达30 dB以上。在隔振装置设计时应避免发生共振，即系统的固有频率应避开设备的激励频率，同时需进行稳定性校核。

3.2 安装基座及船体结构优化

泵浦设备安装基座结构较弱、阻抗较低，对设备振动传递的抑制不足。通过结构的声学优化，进行阻抗匹配，能够一定程度上抑制振动通过安装基座或船体结构向外传递[8]。在结构优化时可遵循以下原则：1）基座面板应具有一定的厚度，不小于10 mm，具体根据泵浦设备的重量和振动烈度确定；2）泵浦设备安装位置处应为强结构，包括泵浦设备与基座之间、安装基座和船体结构之间，必要时可设置加筋板。此外，通过在基座、船底等传递路径上敷设阻尼材料，对减小振动响应也有效。

3.3 管路支撑

通过设备隔振安装和优化船体结构是最显而易见和有效的减振降噪控制措施。泵浦设备的进出管路支撑形式经常被忽视，然而管路振动也是引起局部振动和辐射噪声的一个重要原因。从管路形式和布置角度，应避免管径突变、弯管的半径应不小于三倍名义管径。穿舱管路在和甲板或舱壁连接处采用弹性连接。选择合适的弹性吊架、管夹或者弹性支撑尤为重要。

为了满足科考船的减振降噪要求，在管路支撑需遵循以下原则：1）进出口管路弹性安装，可采用橡胶U型管夹，管夹与管路不应有刚性接触；2）管路支撑需连接至桁材、加强筋等强结构处，不允许直接焊接至板格中间；3）管路支撑间距需根据管路口径、介质、流速等，管路弯头处建议支撑。

当出现管路支撑点结构弱或强度不够时，需要进行调整，按照效果依次推荐的方法有：1）支撑点位置选择强结构，如强横梁、纵桁、舱壁交叉等；2）支撑点位置选择较强结构，如球扁钢等；3）当支撑点位置为甲板面板格弱结构时，可采用扁钢或角钢加强，延伸至相邻的骨材；4）在支撑点位置的底部焊接一块垫板，厚度推荐不小于10 mm。

4 测试数据及减振分析

经过大量实船测试，在10 Hz～10 kHz频段范围内，泵浦设备安装机脚的振动加速度达105 dB以上，其中部分设备振动较大，可达135 dB以上。设备弹性安装后可以将传递至船体结构的振动减少至100 dB以内，从而避免此类设备对科考船水下辐射噪声产生负面影响。

管路支撑形式常被忽视。泵浦设备进出口管路支撑连接至非强结构处，可对相应舱室带来较大的负面影响，如图4所示，管路支撑焊接至甲板板格的中部，导致上方舱室振动噪声超标。结构的二次振动，一方面会导致舱室振动较大，另一方面会导致舱室噪声过大，实测可达约70 dB。这对于科考船的实验室、居住处所等舱室不可接受。经过支撑结构的修改和加强，舱室噪声减低至58 dB。

发生管路支撑形式不良引发结构振动、舱室噪声超标问题后，将图4龙门形式的支撑移动至附近加强筋处，并用角钢加强。如图5所示，为舱室声压级1/3倍频程谱图（31.5 Hz～8 kHz），其中160 Hz中心频率为泵的激励频率，修改前后降低约10 dB，总的舱室噪声明显改善。

图4 进出口管路支撑连接至非强结构处

图5 结构修改前后的舱室噪声频谱

5 结语

针对科考船振动噪声的特殊要求，从泵浦设备减振降噪角度出发，结合以往的科考船建造经验，分析泵浦设备在科考船中的安装要求，得出以下结论：

1）针对振动噪声要求较高的科考船，从设备本体、船体结构、管路安装等角度对泵浦设备的弹性安装进行了较全面的分析，为后续船舶和同类型船舶的设计建造提供了参考；

2）对于有水下辐射噪声要求的科考船来说，泵浦设备隔振安装能够有效避免由于此类设备振动异常带来的影响；

3）不良的管路支撑形式对科考船局部舱室的振动噪声带来的影响，远比想像的大，为解决船舶振动噪声问题时，提供了思路。