船用分油机振动特性分析及噪声控制技术

吴 远，靳亚奇，熊书驰

（沪东重机有限公司，上海）

船用分油机本质上是一台高速离心机，在高速转动下因为转子不平衡、不对中，或者是零件摩擦碰撞等原因会产生振动和噪声。为保障分油机正常运行，需要对振动噪声加以抑制。利用传感器等监测元件获取分油机各部位的振动信号和噪声信号，在确定振动源与噪声源后，分析原因并采取相应的控制措施，维护船舶的安全运行。

1 船用分油机的振动特性分析

1.1 测试系统

本文设计的船用分油机振动特性测试系统主要由B&K 数据采集分析仪、PULSE 数据分析软件、传感器和L5-BNC 线4 部分组成。其中，PULSE 分析软件可支持结构模态分析、噪声测试分析、机械故障诊断等功能；传感器采用ICP 型压电式加速度传感器，内置信号放大电路，能直接输出电压信号。测试系统的结构组成如图1 所示。

图1 振动响应测试系统示意

在分油机的振动特性测试中，考虑到船用分油机的外壳为金属材质，实验中使用磁力安装座吸附在分油机外壳上，再将传感器固定到磁力安装座上，防止分油机运行过程中因为振动导致传感器位移、掉落。

1.2 测试过程

在分油机表面布置了12 个振动加速度传感器，其中4 个位于机脚、5 个位于分离筒盖、2 个位于电机、1 个位于分油机本体。以分油机本体为中心，在距离分油机1 m 的位置布置9 个测点安装噪声传感器，测量分油机运行过程中周围空气噪声，测点布置如图2 所示。

图2 噪声测点布置

布置好测点并连接测试仪器后，实验人员启动船用分油机。使分油机转速达到1 500 r/min 并且稳定运行90 s 后，从分油机的注水口注水。观察到出水口有水流出后，表明分油机内形成水封，结束注水。维持当前运行状态，启动测试仪器进行振动测试和噪声测试[1]。根据船用分油机的说明书可知，振动加速度的响应峰值在10 Hz 到1 800 Hz 之间，本次实验选取10 Hz～1 000 Hz 频段作为分析频段，在实验结束后得到该频段内空气噪声测点频谱图和振动加速度频谱图。

1.3 结果与分析

结合实验所得振动加速度谱线和空气噪声谱线，可以得出以下结论：

（1） 振动能量集中分布在600 Hz 以下的低频段，而600～1 000 Hz 只出现了2 个峰值，分别位于800 Hz 和1 000 Hz 附近。

（2） 在低频段的120.7 Hz 处，振动能量和噪声能量出现了同时增大的现象；机脚振动加速度谱线中该处信号峰值远远高于其他峰值。由于120.7 Hz 是分油机分离筒的激励频率，由此可得分油机运行时产生的振动，将会通过机脚传递到机座进而传递给船体，最终导致船体振动。

（3） 对比来看，振动信号与噪声信号的变化规律比较一致。这里以3 号振动测点和3 号噪声测点为例，两个测点所得信号在部分频段表现出较强的相干性。其中，分离筒盖振动信号与噪声信号的相干性明显超出其他部分，表明分油机中分离筒盖的振动对噪声影响最大[2]。

2 船用分油机振动噪声的控制技术

2.1 振动噪声控制思路

对于分油机等常规机电设备，减小其振动噪声除了可以延长使用寿命外，还能减轻振动噪声对工作人员健康的危害。根据控制对象的不同，目前常用的振动噪声控制方法有3 种，即面向振动源或噪声源的源头控制，以及传播途径控制和目标保护。其中，源头控制的效果最好，但是需要在分油机的设计与制造阶段针对振动噪声源采取控制措施。对于本文这种已经投入使用的机电设备来说，只能选择传播途径控制，具体方法有隔振、吸振以及附加阻尼材料等几种方法。虽然各类方法的具体操作方法不同，但是振动噪声控制思路大体一致：工作人员在现场调查的基础上进行测量、分析，如噪声级测量、频谱分析等。然后以相关标准作为依据，对比实际测量结果，求出两者之间的差值，即为需要降低的量。最后采取相关的技术措施降低振动高噪声，使其达到相关标准。

2.2 隔振设计

本文结合船用分油机的结构特点，在4 个机脚处分别安装了隔振器，保证分油机在正常运行时能够减小振动响应的传递，从而达到噪声振动控制的目的，该方法的优点在于简便易行、成本较低。需要注意的是，只有在隔振系统的固有频率低于激励频率的70%时，隔振器才能发挥隔振作用，并且固有频率越低、隔振效果越明显[3]。结合船用分油机的运行工况，在额定转速（5 000 r/min）下激励频率为25 Hz，按照上述要求隔振系统的固有频率应当低于17.5 Hz。同时考虑到固有频率越低、系统稳定性越差，因此最终将隔振器的固有频率设定为10 Hz，既能达到比较理想的隔振效果，同时还能维持系统运行的稳定性。在隔振器型号方面，选择了BE-60 型隔振器，承重可以达到75 kg。

加装隔振器后，分油机以额定工况运行时的振动响应和噪声响应均有降低。这里以分油机的机脚为例，在安装隔振器前后机脚4 个测点的振动加速度如表1 所示。

表1 机脚4 个测点振动加速度级比较（单位：dB）

由表1 数据可知，在安装隔振器后，机脚振动加速度的平均振级从原来的139.85 dB 降低到了133.78 dB，振级落差为6.07 dB，隔振效果较为显著。

2.3 阻尼减振设计

阻尼用来描述机械结构在振动过程中的能量耗散，阻尼减振的原理就是将机械能转变成热能等其他能量进行耗散，从而使机械结构减小振动和噪声。通常来说，组成机电设备的铁、铝等金属材料阻尼较小，能量耗散能力有限，因此容易发生振动噪声；相比之下，橡胶、环氧树脂等高分子材料的阻尼较大，能量耗散能力较强，是阻尼减振的理想材料。阻尼损耗因子β 代表了阻尼材料的能量耗散能力，金属材料的β值通常为10-4～10-3，玻璃材料的β 值通常为10-3～10-2，橡胶材料的β 值可以达到10-2～10-1，高分子聚合物的β 值可以达到10。橡胶、环氧树脂等材料虽然能量耗散效果好，但是强度低、承载力差，不能直接作为机电设备的结构材料，需要将其附着在高强地、低阻尼的金属材料表面，组成复合结构吸收能量，达到控制振动噪声的效果。

目前常用的阻尼减振方法有自由阻尼层和约束阻尼层2 种类型。前者是将熔融状态的高分子阻尼材料涂覆在机电设备的金属材料表面，当金属构件发生振动时，振动会在阻尼材料的拉伸、压缩中以热能形式耗散，从而达到减小振动的目的。后者则是采用“层压法”将机械构件的基底、阻尼层、约束层压制成为一个复合系统[4]。在机械构件发生振动时，阻尼层产生剪应力，通过剪切变形耗散能力、减轻振动。复合系统的结构如图3 所示。

图3 附加阻尼层结构示意

在实验中，选择分油机的分离筒盖作为实验对象，设置5 个测点。在筒盖表面涂装了2 层环氧树脂材料和1 层聚氨酯材料，厚度为5 mm。为了加快材料的干固、达到最佳的阻尼减振效果，涂装后使用灯箱烘烤30 min。每涂完1 层，使用灯箱烘烤1 次，在固化后进行振动噪声测试，测试结束后再进行下一层的涂覆。阻尼层1 为第1 层环氧树脂材料，阻尼层2 为第2层环氧树脂材料，阻尼层3 为聚氨酯材料，测试结果如表2 所示。

表2 10 Hz～1 KHz 噪声测试结果（单位：dB）

由表2 数据可知，涂覆阻尼层后对分油机的振动有明显的抑制效果。在3 层阻尼材料涂装完毕后，分油机的振动噪声声压级从原来的74.16 dB 下降到了68.64 dB，降幅为5.52 dB，说明阻尼减振对分油机振动噪声控制起到了良好效果。

2.4 被动吸振设计

动力吸振器的减振降噪原理是在目标振动系统上附加动力吸振器，然后调节该器件的动力参数（振频、刚度等），改变目标振动系统的振动状态，从而达到减振效果[5]。本文设计的被动式吸振器可调节的参数有质量、刚度、阻尼3 个。通过参数调节，让吸振器的固有频率与目标振动系统的振动频率相同，利用吸振器主动产生一个与目标振动系统相反的作用力，两种力抵消后减小振动。实验中仍然选择船用分油机的机脚作为检测对象，安装吸振器前后的振动加速度级对比结果如表3 所示。

表3 吸振前后机脚加速度级对比（单位：dB）

结合表3 数据可知，使用被动式吸振器后分油机机脚的振动加速度级从原来的131.98 dB 下降到了129.38 dB，平均降低了2.6 dB，达到了设计预期。

结束语

船用分油机因为安装问题、材料老化等原因，在运行一段时间后容易出现异常振动并产生噪声，如果处理不及时将会缩短设备寿命并增加维修成本，采取科学的方法进行振动噪声控制尤为关键。本文从切断振动噪声传播途径出发，提出了三种振动噪声控制方案，分别是基于隔振器的隔振措施、基于阻尼材料的减振措施和基于吸振器的吸振措施。从测试结果来看，三种方案均能达到比较理想的振动噪声控制效果。