船用甲板起重機(jī)噪聲分析及控制措施

葉 凱，陸兆鵬，江 輝

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

0 引言

近年來船舶噪聲問題越來越引起關(guān)注。船舶噪聲不僅對隨船工作人員的工作環(huán)境及健康等造成不利影響，還給航行區(qū)域的海洋環(huán)境以及停泊作業(yè)的港區(qū)環(huán)境等帶來噪聲污染。

2012年11月30日，國際海事組織（IMO）海上安全委員會第91次會議正式通過《船上噪聲等級規(guī)則》，明確船舶相關(guān)區(qū)域噪聲限值要求。該《規(guī)則》作為強制要求，于2014年7月1日起正式實施。營運船舶噪聲級標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。

1 船用甲板起重機(jī)噪聲問題現(xiàn)狀

船用甲板起重機(jī)作為布置在船舶甲板上的配套設(shè)備，在船舶航行期間處于存放狀態(tài)，在船舶靠港進(jìn)行貨物裝卸時投入使用。此時甲板起重機(jī)產(chǎn)生的噪聲會對船舶值班站和居住處所產(chǎn)生影響，需執(zhí)行《船上噪聲等級規(guī)則》中的相關(guān)要求，“當(dāng)船舶貨物裝卸設(shè)備的噪聲可能導(dǎo)致受其作業(yè)影響的值班站和居住處所的噪聲高于最大噪聲級，應(yīng)進(jìn)行測量”?！兑?guī)則》中對船舶值班站和居住處所的噪聲級限值有明確要求，但由于起重機(jī)噪聲僅僅是船舶值班站和居住處所噪聲級的影響因素之一，并不能得出甲板起重機(jī)工作時的噪聲級限值要求。

另一方面，甲板起重機(jī)通常是由碼頭工人進(jìn)行操作使用的，起重機(jī)噪聲大小直接關(guān)系到碼頭工人的作業(yè)環(huán)境和身體健康。相關(guān)研究表明，作業(yè)環(huán)境噪聲超過一定值，就會對人員的作業(yè)效率產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，嚴(yán)重的，將引發(fā)操作失誤，造成安全事故。有鑒于此，《國際勞工組織》第152號公約《碼頭作業(yè)安全和衛(wèi)生公約》明確要求工作場所應(yīng)采取合適的措施，防止作業(yè)人員承受超標(biāo)噪聲產(chǎn)生的有害影響。但《公約》并未給出允許的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

最后，船用甲板起重機(jī)作業(yè)時產(chǎn)生的噪聲也成為了港口噪聲污染的一個組成部分。據(jù)了解，歐洲港口組織（ESPO）與歐洲生態(tài)港（EcoPorts）會定期監(jiān)察歐洲港口當(dāng)局的環(huán)保優(yōu)先級。該組織 2004年的調(diào)查結(jié)果，將噪聲問題列為歐洲港口業(yè)界優(yōu)先關(guān)注環(huán)保問題的第五位；2009年的調(diào)查結(jié)果，將噪聲問題列為歐洲港口業(yè)界優(yōu)先關(guān)注環(huán)保問題的首位；而2016年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則將噪聲問題列為第三位，前兩位分別是空氣質(zhì)量和能源消耗。盡管港口噪聲問題長期以來就是港口環(huán)保問題的重點關(guān)注對象，但對于船用甲板起重機(jī)的噪聲其實并未有專門的論述。

綜上所述，目前并無專門的規(guī)范或明確的標(biāo)準(zhǔn)，來對船用甲板起重機(jī)的噪聲級限值做出規(guī)定。但隨著船舶整體噪聲限值要求越來越嚴(yán)格，相關(guān)碼頭作業(yè)規(guī)范的日趨完善，以及港口環(huán)境噪聲問題獲得的廣泛關(guān)注，船用甲板起重機(jī)噪聲問題終將得到重視，出臺必要的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，明確其噪聲級限值要求。

2 船用甲板起重機(jī)噪聲來源分析

船用甲板起重機(jī)按照動力源主要分為電動液壓型和純電動型。由于電動液壓型甲板起重機(jī)的噪聲來源比純電動型更加復(fù)雜多樣，且實船配套數(shù)量上也更多，因此本文將著重分析電動液壓型船用甲板起重機(jī)的噪聲來源。

根據(jù)起重機(jī)傳動部件的類型，可以將噪聲來源歸為機(jī)械噪聲和液壓（流體）噪聲兩大類。

2.1 機(jī)械噪聲

機(jī)械零部件之間，由于傳動過程中出現(xiàn)的撞擊、摩擦和振動等，會產(chǎn)生不同程度的噪聲。當(dāng)撞擊、摩擦和振動等超出合理的設(shè)計范圍，可能使噪聲達(dá)到無法接受的程度。船用液壓起重機(jī)機(jī)械噪聲主要包含電動機(jī)噪聲、聯(lián)軸器噪聲以及減速機(jī)、滑輪等其他機(jī)械傳動部件噪聲。

2.1.1 電動機(jī)噪聲

電動機(jī)根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)和功能原理，運行時發(fā)出的噪聲主要有機(jī)械噪聲、電磁噪聲和空氣動力噪聲。電動液壓起重機(jī)通常配有一個主電機(jī)和一個冷卻系統(tǒng)用電機(jī)。

機(jī)械噪聲由低頻噪聲和高頻噪聲2個部分組成。低頻噪聲通常來自于電機(jī)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高頻噪聲則需要考慮其安裝的合理性，以及與外部結(jié)構(gòu)如基座間的共振。電磁噪聲主要是電機(jī)中周期變化的徑向電磁力或不平衡的磁拉力使鐵心發(fā)生磁致伸縮和振動所引起。電磁噪聲還和內(nèi)部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)本身的固有物理特性有關(guān)?？諝庠肼暟ㄉ犸L(fēng)扇、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和氣流沿風(fēng)路流動時形成的氣流噪聲。

2.1.2 聯(lián)軸器噪聲

聯(lián)軸器用于電動機(jī)軸與液壓泵組軸之間的聯(lián)接。當(dāng)起重機(jī)操作時，電動機(jī)通過聯(lián)軸器將能量傳遞出去，聯(lián)軸器在一定載荷條件下做高速回轉(zhuǎn)運動。由于電動機(jī)軸線與泵組軸線不同心，導(dǎo)致聯(lián)軸器做高速非對稱回轉(zhuǎn)運動時，出現(xiàn)振動，從而產(chǎn)生機(jī)械噪聲。

2.1.3 制動噪聲

帶式制動器是液壓甲板起重機(jī)上較為常見的制動裝置。其工作原理為，當(dāng)起重機(jī)進(jìn)行動作制動時，液壓油缸通過動作傳導(dǎo)，使制動器剎車片與機(jī)構(gòu)制動輪表面接觸，利用摩擦力實現(xiàn)動作停止，完成起重機(jī)的制動。在此過程中，由于剎車片與制動輪的接觸面逐漸變大，摩擦力從滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦，因此會產(chǎn)生一定的摩擦噪聲。噪聲的大小與操作起重機(jī)的激烈程度、剎車片與制動輪的圓周方向和沿軸方向的貼合程度有關(guān)。

2.1.4 其他機(jī)械噪聲

甲板起重機(jī)的其他機(jī)械傳動部件，如滑輪組、鋼絲繩以及吊鉤組等，在運行過程中均存在一定程度的碰撞、摩擦等，都會產(chǎn)生不同程度的噪聲。

2.2 液壓噪聲

液壓系統(tǒng)中，由于油液的流速、壓力等的突然變化，與泵、馬達(dá)、閥件以及液壓管路等的相互作用，產(chǎn)生噪聲；而油液中混入的空氣，因壓力變化導(dǎo)致產(chǎn)生的氣泡破裂，造成強烈的液壓沖擊從而形成噪聲。對泵和馬達(dá)而言，上述噪聲原理類似。下文僅對泵的噪聲進(jìn)行展開論述。

2.2.1 泵的噪聲

液壓泵的工作過程可視作連續(xù)的吸油和壓油循環(huán)，由此帶來液壓油周期性的壓力和流量脈動，使泵體產(chǎn)生振動，帶來噪聲。其次，吸油腔和壓油腔在泵的工作過程中頻繁互通，造成流體介質(zhì)流量和壓力的突變，出現(xiàn)噪聲。再次，具有較高流速和壓力的流體介質(zhì)，在泵內(nèi)部流道內(nèi)運轉(zhuǎn)，隨著泵內(nèi)流道截面的擴(kuò)大或收縮，以及流道方向的急劇變化，形成流體沖擊噪聲。最后，泵自身轉(zhuǎn)動部分的不平衡，也會引起一定的噪聲。

2.2.2 閥的噪聲

閥件的噪聲一方面包括閥芯與閥體結(jié)構(gòu)間相對摩擦和振動產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，另一方面來自于其功能實現(xiàn)過程中的流體噪聲。節(jié)流閥、換向閥以及溢流閥等功能閥件，作用時內(nèi)部油液在流速、方向和壓力上均會發(fā)生變化，造成閥件本體以及相關(guān)管道內(nèi)壁沖擊振動，從而形成流體噪聲。

1）自激振噪聲。對于壓力閥、單向閥等閥件，閥芯由彈簧支承，在管路系統(tǒng)壓力油的作用下，形成一個相對穩(wěn)定的質(zhì)量——彈簧振動阻尼系統(tǒng)。當(dāng)外部條件變化打破閥件平衡時，閥芯會在油液壓力脈動或其他振動的作用下，產(chǎn)生自激振動和異常噪聲。系統(tǒng)壓力越大、油液溫度越高，閥件的這種自激振動噪聲就越容易出現(xiàn)。

2）液壓沖擊噪聲。當(dāng)液壓閥實現(xiàn)其功能時，會將某個系統(tǒng)油路斷開，或者使2個壓差較大的油路連通。在這2種情況下，均會因為局部壓力突然升高而形成液壓沖擊，帶來振動和噪聲。進(jìn)一步，這種沖擊將通過管路傳播到系統(tǒng)中的其他元件，又產(chǎn)生新的振動和噪聲。

3）高頻振動噪聲。當(dāng)閥件的閥芯與閥體工作部分之間的間隙，由于原始缺陷或使用后的磨損而加大，會造成閥芯在工作時發(fā)生不規(guī)則振動，使得液壓閥處于不穩(wěn)定的高頻振動狀態(tài)，產(chǎn)生高頻噪聲。

2.2.3 氣穴和管路沖擊噪聲

液壓流體介質(zhì)中混入少量空氣，因壓力變化導(dǎo)致產(chǎn)生的氣泡破裂，附近的液壓油將會迅速補充，因局部沖擊而產(chǎn)生流體噪聲。另外，流體介質(zhì)根據(jù)液壓系統(tǒng)功能設(shè)計在元件和管路中運行。隨著管路流向、截面的不斷變化，流體介質(zhì)的壓力、速度也隨著發(fā)生變化，不斷對液壓管路造成沖擊，產(chǎn)生沖擊噪聲。

2.2.4 冷卻風(fēng)機(jī)噪聲

冷卻風(fēng)機(jī)通過風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動，將液壓流體中的熱量散發(fā)到環(huán)境空氣中，實現(xiàn)系統(tǒng)的冷卻。冷卻風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動過程中也會產(chǎn)生一定程度的噪聲。

3 船用甲板起重機(jī)噪聲控制措施

3.1 噪聲控制原則

噪聲控制應(yīng)堅持科學(xué)性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的原則?？茖W(xué)性是指在處理噪聲問題時，應(yīng)通過分析確定噪聲種類和頻率特性，采取合理的降噪措施。先進(jìn)性是擬實施的降噪措施，要在最大限度上兼顧原有設(shè)備技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，切實可行。經(jīng)濟(jì)性則是充分考慮降噪方案的實施成本。所采用方案的降噪效果只要能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可，而不是一味追求將噪聲控制在更低水平。

3.2 噪聲控制途徑

根據(jù)噪聲傳播的一般形式，其控制途徑包括噪聲源的控制、傳播途徑的控制和接受者的防護(hù)。

噪聲源的控制是噪聲控制中最根本和最有效的方法。對于不滿足噪聲要求的設(shè)備，通?？梢裕?）更換聲學(xué)性能更佳的設(shè)備；2）對設(shè)備采取減振降噪措施。

當(dāng)對噪聲源采取措施之后仍達(dá)不到總體降噪要求時，就需要在噪聲的傳播途徑上直接采取聲學(xué)措施，包括吸聲、隔聲、阻尼減振等常用噪聲控制技術(shù)。

噪聲控制的最后一環(huán)是個人防護(hù)。對于噪聲強度很大但是人很少去的地方，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，可以考慮人員被動保護(hù)方案，如可以帶上耳塞、耳罩或防聲頭盔等，減少噪聲造成的傷害。

3.3 船用甲板起重機(jī)噪聲控制措施

根據(jù)甲板起重機(jī)噪聲來源分析，以及實踐中對各噪聲源的噪聲貢獻(xiàn)評價，確定噪聲控制措施如下。

3.3.1 機(jī)械噪聲控制

對于電動機(jī)的噪聲控制，首先應(yīng)在滿足功能和使用需求的前提下，選擇功率較小、品牌可靠的電機(jī)，以降低電機(jī)工作時的電磁噪聲和散熱風(fēng)扇噪聲。其次，制訂合理的安裝方式，提高電機(jī)與基座連接的穩(wěn)定性，在基座上設(shè)置減震墊，減小電機(jī)工作時的振動，實現(xiàn)對噪聲的控制。最后，在滿足散熱需求的基礎(chǔ)上，可以給電機(jī)安裝隔聲罩，有效降低電機(jī)運行時對周圍環(huán)境的噪聲影響。

研究表明，當(dāng)電動機(jī)與泵組同軸度大于0.02 mm時，就會出現(xiàn)明顯振動，發(fā)出噪聲；當(dāng)同軸度超過0.08 mm時，振動將變得強烈，噪聲很大。因此，聯(lián)軸器的噪聲控制，關(guān)鍵在于提高聯(lián)軸器安裝時，電動機(jī)與泵組間的同軸度。另外，選擇彈性聯(lián)軸器，也能有效降低系統(tǒng)工作時聯(lián)軸器的振動和噪聲。

起重機(jī)制動器噪聲首先和剎車片與制動輪間隙的均勻性有關(guān)，但實際上也和吊機(jī)的操作手法有關(guān)聯(lián)，使用過程中的急停急起當(dāng)然會引起較大的制動噪聲。因此對起重機(jī)制動噪聲的控制，一方面要提高剎車片與制動輪之間在圓周和軸向上的間隙要求，實現(xiàn)制動時剎車片與制動輪的同步貼合，減小制動噪聲；另一方面，對于操作者也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶嵝雅c提示，避免野蠻操作而帶來的噪聲。

3.3.2 液壓噪聲控制

對于液壓泵的噪聲，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，合理選擇液壓泵的額定工作壓力、排量等，降低泵內(nèi)液壓沖擊；同時在泵的進(jìn)出口管路設(shè)置上，在滿足流量需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能使管路流向的變化區(qū)域遠(yuǎn)離泵組。另外，在做好泵組安裝的前提下，仍可以考慮隔聲罩的選用。

由于液壓閥件通常會引起高頻噪聲，因此在設(shè)計時，控制閥件應(yīng)優(yōu)先考慮采用液壓軟管。另外，合理選擇閥件規(guī)格，也是進(jìn)行閥件噪聲控制的重要措施。

對于氣穴引起的噪聲，一方面應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)計有效的放氣裝置，減少混入系統(tǒng)中的空氣。另外，應(yīng)向操作者明確，起重機(jī)在新加油或更換油液時，應(yīng)進(jìn)行充分的排氣操作。

4 結(jié)論

船用甲板起重機(jī)的噪聲分析及防護(hù)，既具有一般工程機(jī)械噪聲分析和防護(hù)的特點，也應(yīng)滿足船舶噪聲的相關(guān)要求。本文在展望未來船舶噪聲要求日趨嚴(yán)格的基礎(chǔ)上，針對典型船用甲板起重機(jī)的系統(tǒng)組成，提出了相應(yīng)的控制和優(yōu)化措施，為未來船用起重機(jī)噪聲控制噪聲限值提供了參考。