船用可曲撓橡膠接頭隔振效果試驗

段孟強(qiáng)，程用超，陳林雄，李耀飛，李 侃

（1. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍代表室，遼寧葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

0 引言

管路系統(tǒng)作為艦船的主要系統(tǒng)之一，連接艦船上所有的主、輔機(jī)械設(shè)備，是引起艦船輻射噪聲的主要通道之一。管路系統(tǒng)是艦船上設(shè)備結(jié)構(gòu)噪聲傳遞僅次于結(jié)構(gòu)性支撐隔振固定件的“第二聲通道”[1-2]。為提高艦船的聲隱身性能，降低第二聲通道的設(shè)備結(jié)構(gòu)噪聲傳遞，國內(nèi)外在艦船的管路系統(tǒng)中加入了大量的減振接管[3]。我國在二十世紀(jì)五六十年代已著手研制減振接管（主要通過仿制前蘇聯(lián)的相關(guān)接管），研發(fā)產(chǎn)品主要為25AB型和PXG型橡膠接管，而這些減振接管只起到位移補(bǔ)償?shù)淖饔?，隔振效果不佳[4]。為打破歐美等發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖，我國新開發(fā)了袖套式撓性接管和球形橡膠撓性接管[5]，其中，我國艦船常用的JYXR系列和JYXR(P)系列為袖套式撓性接管，CKXT系列和CKST系列為球形橡膠可曲撓接頭。

針對艦船上大量的減振接管需求，如何選取減振接管型號、衡量各型減振接管的性能效果成為艦船設(shè)計研究工作者的主要工作。袖套式撓性接管平衡性好，耐壓能力強(qiáng)，但隔振效果較差，常用于中高壓管路系統(tǒng)；球形橡膠撓性接管泛用性強(qiáng)，隔振效果非常好，但耐壓能力弱，常用于管路壓力≯1 MPa的系統(tǒng)。而中低壓管路在艦船管路系統(tǒng)中占較大比重，CKST系列橡膠可曲撓接頭用途更為廣泛。本文設(shè)計減振接管隔振效果試驗臺架，驗證試驗室測量船舶管路隔振性能的可行性，以進(jìn)口金屬軟管和國產(chǎn)CKST橡膠接頭為研究對象，通過試驗測試對比其隔振效果，給各艦船設(shè)計研究者提供減振接管選取的試驗依據(jù)。試驗表明：在管路系統(tǒng)輸送加壓介質(zhì)時，昂貴的進(jìn)口金屬軟管在隔振效果方面相對國產(chǎn)的CKST橡膠可曲撓接頭無明顯優(yōu)勢。

1 隔振裝置的基本原理

減振接管作為一種被動隔振裝置，其隔振原理與一般隔振器的隔振原理類似，可以簡化為彈簧和阻尼系統(tǒng)，其力學(xué)簡化模型如圖1所示，m1為近振源端等效質(zhì)量，m2為遠(yuǎn)振源端等效質(zhì)量，K為減振接管的等效剛度，Ce為減振接管的等效阻尼系數(shù)。

圖1 減振接管力學(xué)簡化模型

以激振器橫向激勵為例，F(xiàn)1為減振接管近振源端激勵力，F(xiàn)2為減振接管遠(yuǎn)振源端響應(yīng)力，那么該模型的力平衡方程為

式中：x1、x2分別為減振接管前、后法蘭位移。

圖2 隔振效率與頻率比關(guān)系曲線

由圖（2）可得以下結(jié)論：

1）當(dāng)頻率比λ＝1時，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，減振接管將會放大振動。

2）只有當(dāng)頻率比λ＞2時，減振接管才有隔振效果。

3）當(dāng)頻率比 5＞λ以后，隔振效果變化不大，通常建議λ取2.5～5.0。

4）阻尼效應(yīng)可有效減少共振時的振動放大倍數(shù)。

5）當(dāng)頻率比λ＜2時，增加阻尼反而會使減振接管隔振效果變差。

為了取得較好的隔振效果，減振接管系統(tǒng)應(yīng)具有較低的固有頻率和較小的阻尼；若共振頻率激勵無法避免且激勵持續(xù)時間長，可適當(dāng)增加減振接管系統(tǒng)的阻尼。以上結(jié)論可作為減振接管設(shè)計選型的參考依據(jù)。

2 減振接管隔振效果的試驗研究

2.1 試驗裝置

圖3 減振接管模擬試驗臺架示意圖

用于檢測接管隔振效果的試驗裝置如圖3所示。圖3中，AB段和CD段的管路均通過彈性馬腳固定在基座上，管卡與鋼管之間墊有工業(yè)橡膠，以保證彈性安裝；BC段為可拆卸的被檢測減振接管。

壓力表和加速度傳感器等測試設(shè)備都經(jīng)過有關(guān)部門校準(zhǔn)和標(biāo)定，使用時均處在其有效期范圍內(nèi)。

2.2 試驗對象

對比試驗對象為金屬軟管及CKST系列橡膠可曲撓接頭（CKSTDN80PN1.0），其幾何尺寸見表1，實物圖如圖4所示。金屬軟管的安裝狀態(tài)有2種：自然安裝和彎曲安裝。自然安裝時，金屬軟管為拉直狀態(tài)；彎曲安裝時，金屬軟管處于自然彎曲狀態(tài)。

表1 減振接管物理數(shù)據(jù)對比

圖4 減振接管實物

2.3 試驗內(nèi)容

2型減振接管隔振效果對比試驗內(nèi)容主要是在安裝狀態(tài)下檢測減振接管兩端法蘭軸向和徑向的振級落差。試驗中，對接管進(jìn)出口法蘭振動狀況進(jìn)行實時檢測。

用激振器對試驗管段發(fā)出振動信號，信號類型為白噪聲，頻率范圍0～12.8kHz。調(diào)節(jié)功率放大器使減振接管進(jìn)口端振級保持一致。測試現(xiàn)場溫度22 ℃，試驗場地?zé)o外圍振動信號干擾。試驗臺架如圖5所示。

圖5 隔振效果臺架模擬試驗

為對比測試2型減振接管的隔振效果，分別將CKST型橡膠接頭和金屬軟管安裝于圖5所示的試驗臺架中，通過振動加速度計分別記錄近振源端法蘭軸向、徑向和遠(yuǎn)振源端法蘭軸向、徑向的振動信號，計算得到減振接管前后的振級落差，進(jìn)而分析各型減振接管的隔振效果。各工況的試驗結(jié)果見表2。

表2 減振接管隔振效果對比

為橫向?qū)Ρ菴KST橡膠可曲接頭自然安裝下、金屬軟管自然安裝下和金屬軟管彎曲安裝下的隔振效果，分別取其在充水0 MPa和充水0.6 MPa這2個工況下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，得到結(jié)果如圖6和圖7所示，可以將隔振效果定位到具體頻段。

圖6 管路充水0 MPa隔振效果分析

圖7 管路充水0.6 MPa隔振效果分析

2.4 試驗結(jié)果

根據(jù)表2所測減振接管在各工況下的隔振效果，可以得到如下結(jié)論：

1）在無水狀態(tài)下，金屬軟管較國產(chǎn)橡膠接頭隔振效果更佳。

2）打壓狀態(tài)時，在相同工況下，國產(chǎn)橡膠接頭的隔振效果較金屬軟管高約15 dB。

3）充水打壓后，金屬軟管的隔振效果急劇下降，并有隨壓力增大而下降的趨勢；國產(chǎn)橡膠接頭隔振效果雖也有下降，但幅度不大，趨勢也不明顯。

4）在打壓狀態(tài)下，金屬軟管徑向隔振效果較軸向略好。

5）金屬軟管彎曲安裝時，徑向隔振效果較直線安裝略有下降，軸向時的隔振效果下降趨勢不明顯。

根據(jù)圖6和圖7中的1/3倍頻程分析，可將隔振效果定位到具體頻段，得出如下結(jié)論：

1）頻率范圍在10～315 Hz時，2型減振接管均無明顯隔振效果。

2）頻率范圍在315～8 000 Hz時，減振接管具有隔振效果，且在1 000 Hz以上時，隔振效果尤為明顯。

3）在2個工況下，金屬軟管自然安裝和彎曲安裝的隔振效果區(qū)別不大。

4）在管路充水0 MPa時，2型減振接管的軸向隔振效果區(qū)別不大。

5）在管路充水0 MPa時，CKST橡膠可曲撓接頭的徑向隔振效果比金屬軟管略佳，且頻率范圍在100～1 000 Hz時尤為明顯。

6）在管路沖水0.6 MPa時，CKST橡膠可曲撓接頭的隔振效果明顯優(yōu)于金屬軟管，特別在315～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)尤為明顯。

3 分析

根據(jù)隔振裝置的基本原理和試驗結(jié)果，對進(jìn)口金屬軟管和國產(chǎn)橡膠接頭的隔振效果對比試驗現(xiàn)象進(jìn)行分析：在無水狀態(tài)下，進(jìn)口金屬軟管和國產(chǎn)橡膠接頭均處于較軟狀態(tài)，即剛度較小狀態(tài)，使得系統(tǒng)固有頻率較小，頻率比λ較大，根據(jù)式（2）可知，λ越大隔振效果越好；而在打壓狀態(tài)時，進(jìn)口金屬軟管和國產(chǎn)橡膠接頭會變硬，即剛度變大，從而使得頻率比λ變小，導(dǎo)致隔振效果變差。根據(jù)試驗結(jié)果，進(jìn)口金屬軟管在打壓狀態(tài)下的剛度變化非常大，大大降低了金屬軟管的隔振效果，而國產(chǎn)橡膠可曲撓接頭在打壓狀態(tài)下的剛度變化不大，使得其隔振效果下降較少。

根據(jù)橫向?qū)Ρ鹊?/3倍頻程分析可知，減振接管的隔振效果主要體現(xiàn)在315～8 000 Hz中高頻頻率范圍內(nèi)，而在打壓狀態(tài)CKST橡膠可曲撓接頭的隔振效果明顯優(yōu)于金屬軟管也是體現(xiàn)在315～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)。對于多自由度阻尼系統(tǒng)的受迫振動，運(yùn)動情況比較復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型無法準(zhǔn)確進(jìn)行模擬，特別對于減振接管類的管路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度多，具有很多階復(fù)雜的固有頻率。簡單的數(shù)學(xué)模型只能較為準(zhǔn)確地模擬出前幾階固有頻率的振動特性，而對于中高頻范圍內(nèi)的高階固有頻率振動特性只能根據(jù)經(jīng)驗公式來推斷。

在隔振器的研究中，根據(jù)經(jīng)驗阻尼效應(yīng)的隔振效果主要體現(xiàn)在中高頻范圍內(nèi)，因此可以推斷：減振接管的頻率在315～8 000 Hz時，優(yōu)異的隔振效果主要是由減振接管的阻尼效應(yīng)導(dǎo)致的。根據(jù)圖2可以看出：阻尼效應(yīng)對減振接管在共振峰附近的隔振效果影響十分明顯；而在315～8 000 Hz中高頻段時，減振接管系統(tǒng)可能存在局部共振，CKST系列橡膠可曲撓接頭的大阻尼系數(shù)更好地降低了共振峰，使其隔振效果明顯優(yōu)于金屬軟管。

4 結(jié)論

本文根據(jù)隔振理論，設(shè)計了船舶減振接管隔振效果的試驗臺架，并選用國產(chǎn)橡膠減振接頭和進(jìn)口金屬軟管進(jìn)行隔振效果對比試驗，驗證了試驗臺架設(shè)計的可行性，為減振接管隔振效果的試驗研究提供參考。同時，根據(jù)本文的試驗研究成果，CKST系列橡膠可曲撓接頭在隔振效果方面的隔振效果優(yōu)于進(jìn)口金屬軟管；就進(jìn)口金屬軟管的優(yōu)勢而言，其在抗壓和位移補(bǔ)償能力方面的性能仍有待學(xué)者進(jìn)一步研究。