科考船泵浦設(shè)備振動傳遞及減振分析

樂美鑫，董佳歡，楊緒輝

（1.江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海201913；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海201108）

0 引言

近年來，隨著國家“海洋強國”戰(zhàn)略的提出，人們對海洋資源開發(fā)和探索的需求日益增長。各研究院、高校、國家機關(guān)等機構(gòu)，陸續(xù)完成了科考船的立項、批復(fù)和建造，甚至一些民間組織也順勢而上?？瓶即鳛榫C合性平臺，集深海大洋科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、高新技術(shù)研發(fā)應(yīng)用為一體，積極推動國家實現(xiàn)海洋強國。

泵浦設(shè)備在現(xiàn)代船舶中應(yīng)用十分廣泛，是船舶重要的輔機設(shè)備。泵浦設(shè)備的本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化成機械能，在船舶設(shè)計過程中，泵被用來輸送淡水、海水、燃油、滑油、動力油等，根據(jù)其用途不同，可分為：1）船舶動力裝置用泵，如海水泵、淡水泵、燃油泵、舵機或其他甲板機械的液壓泵等；2）船舶通用泵，如艙底水泵、壓載水泵、消防泵、日用海水泵、日用淡水泵、熱水循環(huán)泵等；3）特殊船舶專用泵，如泵水推進器的噴水推進泵、海洋鉆井平臺的泥漿泵等。根據(jù)泵的工作原理不同，可以分為容積式和葉輪式。

國內(nèi)很多學(xué)者、技術(shù)人員對泵浦設(shè)備在船舶設(shè)計中的減振降噪設(shè)計做了大量研究。張海燕等[1-3]驗證了鋼絲繩隔振器在船用泵組中的減振效果，同時校核了浮筏隔振的穩(wěn)定性。船體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性被證明對泵組振動傳遞也有一定的影響[4-5]。在一些要求比較高的特殊船舶中，為了提高隔振效果，隔振元件常選用固有頻率較低的空氣彈簧。但對于科考船泵浦設(shè)備的振動噪聲控制，沒有針對性的說明和研究。本文針對科考船的特殊性，對泵浦設(shè)備的彈性安裝方式進行歸納總結(jié)。

1 科考船振動噪聲要求

國內(nèi)外一些組織機構(gòu)對船舶水下噪聲開展了不少的研究，公開的水下輻射噪聲衡準(zhǔn)有國際海洋勘探委員會（ICES）的Cooperative Research Report No.209（簡 稱CRR-209），挪威船級社的Silent Class等。CRR-209主要針對漁業(yè)資源調(diào)查船，評估船舶在11 kn航速時發(fā)現(xiàn)魚群的能力，是目前最嚴(yán)苛的衡準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)的科考船水下輻射噪聲指標(biāo)取證主要為挪威船級社Silent等級和中國船級社的Underwater Noise N等級。挪威船級社的Silent衡準(zhǔn)，分為5種符號：

1）Silent E（Environmental）。主要針對有水下輻射噪聲要求的相關(guān)船舶，如集裝箱船、滾裝船等商船，包括“Transit”和“Quiet”。

2）Silent A（Acoustic）。主要針對安裝有聲學(xué)設(shè)備的船舶，如海洋平臺供給船、科考船、調(diào)查船等，包括“Light Survey”和“Thruster Condition”。

3）Silent S（Seismic）。主要針對震源船等有地震測量要求的船舶。

4）Silent F（Fishery）。主要針對漁業(yè)資源調(diào)查或作業(yè)的船舶，包括“Heavy Towing”和“Light Search”。

5）Silent R（Research）。該符號是Silent衡準(zhǔn)中要求最高的，主要針對海洋科考作業(yè)中水下噪聲要求較高的船舶。

以上5種符號的水聲數(shù)據(jù)對比如圖1所示。

圖1 挪威船級社水下輻射噪聲指標(biāo)對比

為了提升我國在船舶設(shè)計和建造領(lǐng)域的水下輻射噪聲控制水平，中國船級社在2018年制訂《船舶水下輻射噪聲指南》[7]，為業(yè)界提供了船舶入級服務(wù)。滿足測試要求的船舶可授予附加標(biāo)志：Underwater NoiseN（N=1，2，3），水下輻射噪聲限值如表1所示。

表1 中國船級社水下輻射噪聲限值

除水下輻射噪聲水平較高外，由于科考船的特殊用途，通常充分考慮船員和科研人員的舒適性。國際海事組織（IMO）2012年11月通過《船上噪聲等級規(guī)則》，作為強制性文件規(guī)定了船舶不同類型艙室的噪聲限值。對于常規(guī)等級的科考船，居住處所的噪聲限值為55～75 dB。中國船級社（CCS）的部分艙室噪聲限值如表2所示。

表2 中國船級社對艙室噪聲的限值要求（dB）

此外，科考船布置數(shù)量較多的實驗室，用于科學(xué)考察、人員辦公，考慮到人員的舒適性，噪聲限值不應(yīng)高于60 dB。此類艙室布置一般距離機器艙室較近，振動噪聲風(fēng)險較大，需要重點關(guān)注。

2 泵的振動傳遞分析

相比船舶主機、柴油發(fā)電機組、螺旋槳等激勵源，單個泵的振動能量較小。但科考船泵浦設(shè)備數(shù)量多、布置范圍大，艙室類型和數(shù)量多，艙室振動噪聲要求高，其對船舶振動噪聲的影響同樣不可忽視。泵浦設(shè)備常帶來局部艙室振動噪聲問題，甚至影響船舶水下輻射噪聲和自噪聲。

根據(jù)泵浦的安裝布置要求和振動傳遞特性，其振動主要傳遞路徑有：

1）設(shè)備本體-基座-船體結(jié)構(gòu)-輻射水下噪聲或自噪聲。泵浦設(shè)備本身的機械振動通過其安裝機腳傳遞至船體基座，又從船體基座傳遞至船體結(jié)構(gòu)（如雙層底、舷側(cè)外板等），船體結(jié)構(gòu)的振動會輻射水下噪聲或自噪聲，泵浦設(shè)備異常的振動可能導(dǎo)致船舶水下噪聲超標(biāo)，并且影響水聽器、單波束、多波束等聲學(xué)設(shè)備的性能或工作效率。

2）設(shè)備管路-船體結(jié)構(gòu)-輻射水下輻射噪聲或自噪聲。泵浦設(shè)備運行過程中，進、出水管路的振動通過管路支撐結(jié)構(gòu)傳遞至船體結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)振動，從而帶來水聲問題。

3）設(shè)備管路-船體結(jié)構(gòu)-引起艙室振動和噪聲。管路支撐結(jié)構(gòu)不僅會傳遞振動，同時也會引起結(jié)構(gòu)的2次振動，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，這是相對容易忽略的傳播路徑。

4）設(shè)備空氣噪聲-引起附近艙室的噪聲。設(shè)備本體的空氣噪聲一般不大，但開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥等開啟過程中的異常噪聲也會引發(fā)附近艙室的噪聲問題。

圖2 泵浦振動噪聲傳遞路徑

從振源、傳遞路徑、接收者等角度開展振動控制，是最有效的方法。通過泵浦設(shè)備振動傳遞路徑的分析，為解決此類問題提供了工作思路和具體方法。

3 泵浦減振設(shè)計

泵浦減振設(shè)計的主要目的是抑制設(shè)備的振動噪聲向外傳遞，避免引起局部結(jié)構(gòu)振動、艙室噪聲、水下輻射噪聲超標(biāo)等問題。泵浦的減振設(shè)計可以從設(shè)備本體、安裝基座、船體結(jié)構(gòu)、管路安裝等方面出發(fā)。

3.1 隔振裝置

為了表明科考船滿足特定的水下作業(yè)環(huán)境要求，在設(shè)計過程中會考慮取得相應(yīng)的水下輻射噪聲入級符號或證書，例如挪威船級社的Silent等級、中國船級社的Underwater NoiseN等級。泵浦設(shè)備作為振動激勵源，振動部件主要為電機、葉輪等，激勵頻率一般為20 Hz以上，為泵浦設(shè)備設(shè)置隔振裝置是控制水下輻射噪聲的有效措施，常用的有單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振。隔振裝置由隔振元件（隔振器）、安裝平臺（如有）、撓性接管等組成，如圖3所示。

圖3 某冷卻泵單層隔振裝置示意圖

單層隔振為設(shè)備和設(shè)備安裝基座間設(shè)置一層隔振器，雙層隔振為設(shè)備和安裝基座間設(shè)置2層隔振器，浮筏隔振為多臺泵采用公共的安裝平臺，同時進行隔振安裝。單層隔振的隔振效果為15～20 dB，雙層隔振的隔振效果達30 dB以上。在隔振裝置設(shè)計時應(yīng)避免發(fā)生共振，即系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開設(shè)備的激勵頻率，同時需進行穩(wěn)定性校核。

3.2 安裝基座及船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

泵浦設(shè)備安裝基座結(jié)構(gòu)較弱、阻抗較低，對設(shè)備振動傳遞的抑制不足。通過結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化，進行阻抗匹配，能夠一定程度上抑制振動通過安裝基座或船體結(jié)構(gòu)向外傳遞[8]。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時可遵循以下原則：1）基座面板應(yīng)具有一定的厚度，不小于10 mm，具體根據(jù)泵浦設(shè)備的重量和振動烈度確定；2）泵浦設(shè)備安裝位置處應(yīng)為強結(jié)構(gòu)，包括泵浦設(shè)備與基座之間、安裝基座和船體結(jié)構(gòu)之間，必要時可設(shè)置加筋板。此外，通過在基座、船底等傳遞路徑上敷設(shè)阻尼材料，對減小振動響應(yīng)也有效。

3.3 管路支撐

通過設(shè)備隔振安裝和優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)是最顯而易見和有效的減振降噪控制措施。泵浦設(shè)備的進出管路支撐形式經(jīng)常被忽視，然而管路振動也是引起局部振動和輻射噪聲的一個重要原因。從管路形式和布置角度，應(yīng)避免管徑突變、彎管的半徑應(yīng)不小于三倍名義管徑。穿艙管路在和甲板或艙壁連接處采用彈性連接。選擇合適的彈性吊架、管夾或者彈性支撐尤為重要。

為了滿足科考船的減振降噪要求，在管路支撐需遵循以下原則：1）進出口管路彈性安裝，可采用橡膠U型管夾，管夾與管路不應(yīng)有剛性接觸；2）管路支撐需連接至桁材、加強筋等強結(jié)構(gòu)處，不允許直接焊接至板格中間；3）管路支撐間距需根據(jù)管路口徑、介質(zhì)、流速等，管路彎頭處建議支撐。

當(dāng)出現(xiàn)管路支撐點結(jié)構(gòu)弱或強度不夠時，需要進行調(diào)整，按照效果依次推薦的方法有：1）支撐點位置選擇強結(jié)構(gòu)，如強橫梁、縱桁、艙壁交叉等；2）支撐點位置選擇較強結(jié)構(gòu)，如球扁鋼等；3）當(dāng)支撐點位置為甲板面板格弱結(jié)構(gòu)時，可采用扁鋼或角鋼加強，延伸至相鄰的骨材；4）在支撐點位置的底部焊接一塊墊板，厚度推薦不小于10 mm。

4 測試數(shù)據(jù)及減振分析

經(jīng)過大量實船測試，在10 Hz～10 kHz頻段范圍內(nèi)，泵浦設(shè)備安裝機腳的振動加速度達105 dB以上，其中部分設(shè)備振動較大，可達135 dB以上。設(shè)備彈性安裝后可以將傳遞至船體結(jié)構(gòu)的振動減少至100 dB以內(nèi)，從而避免此類設(shè)備對科考船水下輻射噪聲產(chǎn)生負面影響。

管路支撐形式常被忽視。泵浦設(shè)備進出口管路支撐連接至非強結(jié)構(gòu)處，可對相應(yīng)艙室?guī)磔^大的負面影響，如圖4所示，管路支撐焊接至甲板板格的中部，導(dǎo)致上方艙室振動噪聲超標(biāo)。結(jié)構(gòu)的二次振動，一方面會導(dǎo)致艙室振動較大，另一方面會導(dǎo)致艙室噪聲過大，實測可達約70 dB。這對于科考船的實驗室、居住處所等艙室不可接受。經(jīng)過支撐結(jié)構(gòu)的修改和加強，艙室噪聲減低至58 dB。

發(fā)生管路支撐形式不良引發(fā)結(jié)構(gòu)振動、艙室噪聲超標(biāo)問題后，將圖4龍門形式的支撐移動至附近加強筋處，并用角鋼加強。如圖5所示，為艙室聲壓級1/3倍頻程譜圖（31.5 Hz～8 kHz），其中160 Hz中心頻率為泵的激勵頻率，修改前后降低約10 dB，總的艙室噪聲明顯改善。

圖4 進出口管路支撐連接至非強結(jié)構(gòu)處

圖5 結(jié)構(gòu)修改前后的艙室噪聲頻譜

5 結(jié)語

針對科考船振動噪聲的特殊要求，從泵浦設(shè)備減振降噪角度出發(fā)，結(jié)合以往的科考船建造經(jīng)驗，分析泵浦設(shè)備在科考船中的安裝要求，得出以下結(jié)論：

1）針對振動噪聲要求較高的科考船，從設(shè)備本體、船體結(jié)構(gòu)、管路安裝等角度對泵浦設(shè)備的彈性安裝進行了較全面的分析，為后續(xù)船舶和同類型船舶的設(shè)計建造提供了參考；

2）對于有水下輻射噪聲要求的科考船來說，泵浦設(shè)備隔振安裝能夠有效避免由于此類設(shè)備振動異常帶來的影響；

3）不良的管路支撐形式對科考船局部艙室的振動噪聲帶來的影響，遠比想像的大，為解決船舶振動噪聲問題時，提供了思路。