一種新型艦船管路隔振器設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

周冉輝，王 鋒，劉建勛

(1. 海軍裝備部，北京 100841；2. 中國(guó)艦船研究院，北京 100192；3. 渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧 葫蘆島 125005)

0 引 言

艦船內(nèi)部管路布置比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲可通過管路傳至船體結(jié)構(gòu)，管路成為艦船振動(dòng)和噪聲的傳播主要途徑，因此開展艦船管路振動(dòng)噪聲控制能夠有效地提高艦船的振動(dòng)噪聲性能[1-2]。

艦船的振動(dòng)和噪聲控制主要方法包括：降低振動(dòng)噪聲源特性，選用低振動(dòng)噪聲的設(shè)備；降低傳遞路徑的振動(dòng)傳遞效率、增加傳遞損失，選用有效的隔振裝置。其中得益于多種形式、材料的高性能減振元器件，隔振設(shè)計(jì)成為減振降噪最廣泛、有效的措施[3]。管路隔振器是一種彈性支撐裝置，其能有效地減小振動(dòng)和噪聲傳遞至艦船結(jié)構(gòu)，但實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的整體隔振效果必須要求隔振器設(shè)計(jì)的完整性和匹配性，不能出現(xiàn)“聲短路”環(huán)節(jié)，分散的“隔振點(diǎn)”之間也必須在隔振性能上匹配[4]。

本文針對(duì)艦船系統(tǒng)管路隔振需求，通過管路隔振元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了一種新型管路隔振元件的設(shè)計(jì)和研制。通過隔振器性能試驗(yàn)可知，其具有相對(duì)頻率低和優(yōu)越的隔振性能。同時(shí)設(shè)計(jì)的隔振器具有占用空間小、安裝工藝簡(jiǎn)單、規(guī)格可選余地大、覆蓋范圍廣，能夠較好地兼容正向、吊掛、側(cè)裝多種安裝形式等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 管路隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 管路隔振系統(tǒng)功能需求分析

艦船管路系統(tǒng)通過布置一定數(shù)量的支撐，定位管路并避免管路承受不必要的應(yīng)力，即克服管路及內(nèi)部介質(zhì)的重力，以避免管路變形、承受靜彎曲應(yīng)力；約束管路徑向振動(dòng)，避免管路承受過大的動(dòng)載荷導(dǎo)致的疲勞應(yīng)力；減隔振功能，減小管路振動(dòng)向艇體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)專遞。常規(guī)管路系統(tǒng)支撐示意圖如圖1 所示。

圖 1 管路系統(tǒng)支撐示意圖Fig. 1 Pipeline system surpport

由于艦船航行工況比較復(fù)雜，所以針對(duì)系統(tǒng)管路的固定有很高的抗沖擊和可靠要求，其約束在管路截面360°范圍的徑向都要起作用。

1.2 管路隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艦船管路隔振裝置結(jié)構(gòu)可以分為彈性元件和支撐結(jié)構(gòu)，通過彈性元件實(shí)現(xiàn)減振的功能，通過支撐結(jié)構(gòu)來保持彈性元件形狀及其均勻變形，連接管路與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路的彈性支撐和可靠固定的功能。管路隔振器簡(jiǎn)化理論模型如圖2 所示。

艦船管路隔振裝置設(shè)計(jì)過程中考慮到其與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安裝連接，管路隔振模型可演化為圖3 所示的形式。該形式有利于尺寸控制，可以利用管路下方及下側(cè)方空間進(jìn)行隔振元件配置，固定結(jié)構(gòu)不受彈性元件和支撐結(jié)構(gòu)約束，更易于設(shè)計(jì)，安裝更為方便同樣兼顧了側(cè)掛、吊掛安裝。

圖 2 管路隔振模型Fig. 2 The Pipeline isolation model

圖 3 分層式管路隔振器方案理論結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The theoretical structure diagram of layered pipeline vibration isolator

管路隔振器設(shè)計(jì)時(shí)，可利用彈性材料的拉壓、剪切和兩者混合的變形模式產(chǎn)生的彈性，實(shí)現(xiàn)減振的功能。圓筒型結(jié)構(gòu)具有外形規(guī)則易成型、外部有包覆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，選擇圓筒型作為元件支撐結(jié)構(gòu)方案。綜合上述管路隔振模型和彈性元件結(jié)構(gòu)，形成管路隔振器整體結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。隔振元件采用了軸對(duì)稱的布置方式，能夠較好地解決側(cè)掛、吊掛等安裝方向不同導(dǎo)致的變形不均的問題。

圖 4 管路隔振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 The new type pipeline isolator's structure

2 管路隔振器樣機(jī)研制

基于本文的艦船管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)某一外徑為220 mm 的艦船海水系統(tǒng)管路，研制了管路隔振器樣機(jī)。按照?qǐng)D4 的方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管路隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖及組成構(gòu)件如圖5 所示。

設(shè)計(jì)的艦船隔振器樣機(jī)中的彈性材料選擇丁腈橡膠，其他結(jié)構(gòu)材料選擇Q345 牌號(hào)碳鋼。

針對(duì)本設(shè)計(jì)的艦船隔振器樣機(jī)經(jīng)理論計(jì)算，該管路單個(gè)隔振器載荷為3 400 N，設(shè)計(jì)額定變形2 mm，固有頻率≤20 Hz。

圖 5 管路隔振器示意圖Fig. 5 The new type pipeline isolator

3 管路隔振器樣機(jī)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的管路隔振器的性能，開展管路隔振器靜剛度、額定載荷和固有頻率、隔振性能、沖擊性能、破壞載荷性能等試驗(yàn)研究。

3.1 隔振器靜剛度和額定載荷固有頻率測(cè)試

在進(jìn)行隔振器靜剛度試驗(yàn)過程中，參照“GB/T15168-2013 振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”開展管路隔振器靜動(dòng)剛度試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)設(shè)備采用MTS 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)。減振器的靜動(dòng)特性試驗(yàn)一般采取整機(jī)試驗(yàn)的方法，但由于本樣機(jī)管路隔振器口徑較大，且要包含固定管路的結(jié)構(gòu)和必要的工裝，致使力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上無法進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，因此本實(shí)驗(yàn)過程中采取考核單個(gè)減振套筒的方式進(jìn)行，即管路隔振器整機(jī)剛度分解為2 個(gè)并聯(lián)的減振套筒剛度，每個(gè)減振套筒承載一半的整機(jī)載荷。管路隔振器靜動(dòng)剛度特性試驗(yàn)裝置如圖6 所示。

載荷從零加載至1.25 倍額定載荷，加載速度≤1 mm/min，同時(shí)記錄各點(diǎn)加載時(shí)的變形值。管路隔振器載荷與靜變形關(guān)系曲線如圖7 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出載荷與靜變形基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，在額定載荷下靜變形為1.79 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

采用“GB/T 15168-2013 振動(dòng)與沖擊隔離器靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試方法”的橢圓法，利用輸入力-變形遲滯回線求隔離器的固有頻率[5]。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算管路隔振器在額定載荷下固有頻率為19.13 Hz。

3.2 隔振器額定載荷隔振性能

為了檢驗(yàn)隔振器的隔振性能，參照“GB/T15168-2013 振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”開展管路隔振器隔振效果試驗(yàn)[5]。實(shí)驗(yàn)過程中激振器采用懸吊安裝，使激振系統(tǒng)安裝頻率為測(cè)試下限頻率0.3 倍以下，激振力作用在管路隔振支架輸入點(diǎn)的中心點(diǎn)上。試驗(yàn)臺(tái)通過空氣彈簧及其過渡板施加靜載荷，對(duì)管路隔振支架按額定（或使用）載荷施加預(yù)緊變形。激振力選取10～10 kHz 白噪聲激勵(lì)。

圖 6 管路隔振器剛度試驗(yàn)裝置Fig. 6 Testing device of new type pipeline isolator

圖 7 管路隔振器載荷與靜變形關(guān)系曲線Fig. 7 Load and Deformation curve of new type pipeline isolator

在白噪聲輸入條件下，3 個(gè)方向、不同頻段隔振效果如表1 所示，主承載方向（Z 方向）隔振效果1/3 倍頻程曲線如圖8 所示。

表 1 管路隔振器隔振效果

圖 8 管路隔振器主承載方向隔振效果1/3 倍頻程曲線圖Fig. 8 Vibration isolation effect of new type pipeline isolator

可知，本文設(shè)計(jì)的隔振器在低頻和高頻段都具有優(yōu)良的隔振性能。

3.3 隔振器抗沖擊性能

為了檢驗(yàn)隔振器的抗沖擊性能，參照“GJB150.18-1986 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法-沖擊試驗(yàn)”中艦船設(shè)備的沖擊試驗(yàn)進(jìn)行管路隔振器沖擊試驗(yàn)[6]。實(shí)驗(yàn)過程中，管路隔振器通過過渡架、支撐槽鋼和水平襯軌固定于中型沖擊機(jī)砧臺(tái)上，將按照隔振器安裝管徑及額定負(fù)載參數(shù)加工的模擬負(fù)載插入管路隔振器中并用扳手將管路隔振器緊固。沖擊試驗(yàn)前后采用敲擊模擬負(fù)載的方法，通過測(cè)量模擬負(fù)載的沖擊加速度響應(yīng)以考察隔振器安裝頻率的變化。

管路隔振器構(gòu)成的彈性系統(tǒng)受沖擊前后的固有頻率分別為18.26 Hz 和17.18 Hz，變化率為5.9%。根據(jù)沖擊過程中基礎(chǔ)及管路響應(yīng)加速度峰值對(duì)比，分析管路隔振器隔沖效果，管路隔振器表現(xiàn)出了良好的隔沖效果，管路隔振器隔沖效果如圖9 所示。

3.4 隔振器破壞載荷性能

為檢驗(yàn)隔振器的破壞載荷性能，參照“CB1359-2002 艦船用橡膠隔振器規(guī)范“開展管路隔振器破壞載荷試驗(yàn)[7]，破壞載荷為15 倍額定載荷。試驗(yàn)設(shè)備為MTS 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

圖 9 管路隔振器隔沖效果Fig. 9 Shock isolation effect of new type pipeline isolator

管路隔振器在主承載方向施加到15 倍額定載荷后，橡膠件未從金屬上剝離、設(shè)有裂痕和其他損傷，金屬件未開焊、斷裂。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的隔振裝置滿足艦船用橡膠隔振器規(guī)范要求，具有很強(qiáng)的抗破壞性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了有效地降低管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，本文設(shè)計(jì)了新型管路隔振器。試制的隔振器樣機(jī)中選擇丁腈橡膠作為彈性結(jié)構(gòu)材料，選擇Q345 碳鋼作為支撐結(jié)構(gòu)材料。從結(jié)構(gòu)形式上可以看出本文設(shè)計(jì)的隔振器具有占用空間小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠較好地兼容正向、吊掛、側(cè)裝多種安裝形式。參照相應(yīng)的規(guī)范，分別對(duì)隔振器進(jìn)行了靜剛度和額定載荷固有頻率、額定載荷隔振性能、抗沖擊性能和破壞載荷性能的試驗(yàn)。通過試驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的隔振器滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，且設(shè)計(jì)的管路隔振器具有相對(duì)頻率低、隔振效果和隔沖性能優(yōu)良。本文研制的隔振器也可應(yīng)用于其他海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)管路系統(tǒng)控制中。