船舶管路系統振動分析與控制研究

李方宇 徐歡 徐飛

摘 要 在船舶行駛過程中，各種問題的發生是在所難免的，尤其是管路系統振動，其嚴重影響著船舶的正常行駛。所以，隨著船舶行業的迅速發展，管路系統振動問題已引起業內人員的高度關注，致力于分析研究造成管路系統振動的根本原因，且重視對振動控制措施的探索，借此以確保船舶運行的安全性?；诖?，本文就船舶管路系統振動及其控制措施進行研究，以期對優化船舶管路系統、確保船舶行駛的安全性有所助益。

關鍵詞 船舶 管路系統 振動 噪聲

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0001-03

對船舶管路系統而言，可根據輸送流體的不同將其分成以下幾種類型，主要包括燃油管路、通風管路、液壓管路、滑油管路、淡水管路、海水管路等等。如果船舶的管路系統發生振動，不但會對船上人員的日常生活及工作產生極大的影響，而且還會影響到船舶各類系統、設備的穩定運行。所以，分析掌握引起船舶管路系統振動的原因及有效控制技術是十分必要的。

1 船舶管路系統振動的基本特征

在船舶行駛過程中，對內部各系統有著比較高的要求;內部系統是傳播動力設備不可或缺的部分，可提供船舶正常運行所需的動力，并且還會形成各式各樣的振動。船舶管路系統具備廣泛分布的特征，如果管路系統出現振動，則會將振動傳至船體結構。[1]所以，應對管路系統振動進行嚴格控制，降低振動噪聲，確保傳播安全。相關研究表明：造成船舶管路系統振動的原因主要有以下兩點：

1.在動力設備運作過程中，向管路系統傳遞振動。動力設備與管路系統是相互連通的，如果設備發生振動，則可將能量傳遞到管路系統處，從而引起管路系統的振動。在此過程中，管路系統振動有著與動力設備完全相同的頻譜特征，振動峰值通常會在低頻位置出現。

2.船舶管路系統中流體形成的影響。當動力設備輸送流體時，則會進行流體做工，由于受管路系統內有關設備特征造成的影響，通常會引起旋流或空化問題，從而對管路產生撞擊，形成極強的振動。在此情形下，管路系統不但會遭受流體動力噪聲造成的影響，而且還聚集著水流噪聲，大都聚集于高頻區域。除此以外，管路系統中的元件或者閥門，因為具備通道和流道面積改變的特征，極易引起振動，因為此些設備相對集中，所以噪聲也是高度集中的，具備高頻特征，對管路系統有著程度各異的影響。因為引起管路系統振動的原因有所差異，所以其呈現出的特征也是完全不同的。為了有效控制管路系統振動對船舶產生的負面影響，應當根據實際情況，充分掌握船舶管路系統振動的基本特征及形成原因，而后采取針對性的措施，以確保船舶運行的安全性。

2 管路系統振動與船舶總體噪聲的關聯分析

2.1 管路機械振動的影響

船舶由于機械運動而形成擾動力激勵，且輻射的噪聲量級和船體所受的激振力密切相關，因為結構機械阻抗、振動加速度是極易通過測量獲取的參數，同時激振力可以用阻抗與加速度的乘積來表示，所以激振力可經由結構機械阻抗及振動加速度取得。在對船舶總體噪聲影響進行分析和比較時，同樣可以參考振源的振動加速度及結構的阻抗參數進行全方位的判斷。[2]在船舶隱蔽行駛條件下，機械設備是引起船舶總體噪聲的根本擾動源，設備形成的擾動力大多是經由管路支撐工件與設備安裝支撐結構傳播至船體激勵船舶振動而引起噪聲。根據具體的測量數據分析可以發現，管路馬腳處的振動加速度級與機械設備安裝基座的振動加速度級相比大約高7-10dB，但相應的阻抗差距卻超過20dB。根據激振力與阻抗、加速度的關系可以發現，管路對船舶造成的激振力與機械設備對船體造成的激振力相比低10dB左右，由此可知，由管路機械振動引起的激振力是可以忽略的。

2.2 管路流體噪聲的影響

根據以上對機械振動激勵力量級的研究可知，管路振動對于船舶的激勵力與機械設備經由機腳對船舶得到激勵力相比來說是完全可以忽略的。然而，管路引起的振動噪聲在中高頻段有著非常高的分量。在此頻段范圍內，管路馬腳的振動加速度與設備安裝基座面板的振動加速度相比要高15dB左右。因為馬腳與艇體直接相連的，馬腳振動量級與周圍部位的振動量級大致相同。但是，基座面板與船體間仍有較大的距離，機腳中高頻振動在向船體傳遞的過程中也會有不同程度的衰減。所以，在中高頻段，管路馬腳對于船體的振動激勵力與設備機腳經由安裝基座結構對船體的激振力相比要高。在中高頻段，管路系統振動對于船舶總體噪聲具有非常大的影響。[3]

3 船舶管路系統常見振動現象及控制措施

3.1 機艙管路振動

引起機艙管路振動的原因主要有：

1.管內流體脈動。在管路進行流體輸送的過程中，應將泵加壓或者壓縮機當作根本動力，此類間歇性的加壓形式必定會造成流體速度、壓力等有關參數出現脈動，主要包括速度脈動與壓力脈動。在船舶運行中，因為流體脈動而形成施加于管路內的干擾力，同時還是速度和壓力脈動相互作用的結果。當流體遇到異徑管、彎管頭、盲板以及控制閥等部件時，通常會形成相應的周期性干擾力，進而對管路形成周期性激勵，引起管路系統振動。以柴油機滑油循環管路為例，因為滑油在管路系統內長期處在循環狀態，柴油機轉速因為各缸交替燃燒做功而產生波動，造成機帶滑油泵也發生轉速變化。在油泵轉速增加時，滑油管則會產生瞬間高壓;在油泵轉速下降時，滑油管則會產生瞬間低壓。因此會引起油壓出現周期性的波動，使得管道中的滑油呈現為脈動狀態，導致管中滑油參數不但會隨著時間發生周期性波動，同時還會隨位置發生變化。

2.機械結構振動。船舶機艙主要是由主輔柴油機、空壓機以及分油機等各類動力設備所構成，其形成的機械振動經由對應的支撐結構而向船體傳遞，進而引起機艙振動。機艙管路交叉分布于船舶機艙當中，如果機艙環境發生振動，則會經過管路支架、管壁等相關部件傳遞給管路;并且，各種動力設備在運行中形成的振動同樣會通過氣、水、油等流體介質向關聯管路傳遞，進而引起機艙管路系統發生振動。CD2F8B27-83E8-48A9-AF71-41A742A552CD

機艙管路振動的控制措施如下：

1.控制管道中流體脈動。第一，不斷改善泵浦等原動機結構參數及形式等，采用合理、有效的控制方法，使輸出的流量脈動與壓力脈動有所下降;第二，對閥門啟閉方法進行更加科學的設計，降低啟閉時的流體脈動;第三，在管路系統中加裝穩壓又或是儲能設備，以減小管道中流體壓力的變化。

2.控制周邊振源的影響。船舶內部管路系統密集分布，周圍有著大量的機械設備，振動環境十分復雜。為了實現對管路系統振動的有效控制，往往會利用隔振部件將管路與機械設備相互隔離開，以降低振動能量的傳遞。加裝隔振部件，可有效隔離機械設備自振對船體結構的影響;除此以外，還可以間接性地緩解船體結構振動經由管路支撐結構對于管路系統的振動激勵，防止發生間接性激勵管路結構共振的問題。對船用機械設備來說，其經常使用的隔振器包括：金屬類主要有隔振吊架、減震器、鋼絲繩、鋼絲網等隔振器;橡膠類主要有減震器和隔振墊等等。

3.防止流體或者管路共振。第一，對激勵源頻率進行控制，使得其能夠回避被測對象的共振頻率;第二，轉變被測對象的固有頻率，確保其遠離激勵源頻率。對船舶管路系統來說，其共振主要有管道機械共振與流體柱共振兩種形式。從管道機械共振角度來看，往往采取改變支撐狀態、管路分布等方式，使得其固有頻率可完全回避激勵源頻率;從流體柱共振角度來看，可采取調整夜壓力、流體壓力等形式加以控制。[4]

3.2 壓力管路振動

從船舶管路系統振動角度來看，壓力管路振動是最常見的問題之一。[5]壓力管路振動的危害性主要表現在以下方面：一方面，壓力管路振動可造成管路撕裂等狀況，造成整個管路系統難以正常運作;另一方面，壓力管路振動或許會造成空氣噪聲以及向船體結構傳遞而產生結構噪聲，針對部分用途獨特的船舶而言是無法接受的，比如軍艦、豪華郵輪等等。當前，對壓力管路振動進行控制的常用措施主要包括：（1）安裝彈性吊架、彈性支承和阻尼器，構建振動形變空間，避免發生撕裂現象;（2）轉變管路固定頻率，常用手段包含改變壁厚、重新布設支架以及外壁加裝減振阻尼等等;（3）增加管徑、改善管路分布、減少彎頭等，以降低振動;（4）安裝蓄能器，以緩解管中介質的振動;（5）縮減管路插入部件或者替換低阻尼元件。

3.3 主機燃油供給管路振動

引起主機燃油供給管路振動的原因主要有：

1.管路現場放樣不合理的設計。船舶主機燃油的供給管路往往是“千回百折”的，存在非常多的拐點，艙底與管路間有著較遠的距離，管道支撐太長、管碼強度偏低，如此便為主機燃油供給管路構建起相應的振動空間，同時管路抵抗振動的能力相對較弱，以上則會導致燃油供給管路發生更加嚴重的振動。

2.柴油機振動的影響。船舶主機往往采用的是柴油機，如果柴油機的回轉發生問題，比如不穩定、不平衡等，則極易引起振動問題，因為其底座安裝有彈性設備，如此便容易造成主機燃油供給管路發生振動。如果船舶處在高速行駛的狀態，柴油機的自振強度則會有所提升，進而將此振動傳遞至與其相連的燃油供給管路中，導致與其相連的燃油供給管路出現振動。如果柴油機處在額定轉速的狀態，相應的振動頻率計算公式如下：額定轉速×柴油機數量/2/60，此類振動主要源自于缸體發火，相應地產生了不平衡的側推力，進而造成振動。

3.高壓脈沖的影響。柴油機噴油并非是持續性的，高壓油泵在具體吸油環節極易導致燃油總管路產生瞬時低壓，壓縮以后又會引起瞬時高壓，柴油機每運作兩個周期后，柴油機便會進行一次噴油。如果脈沖頻率與燃油管路固有頻率相同或者兩者呈倍數關系時，管路振動幅度同樣會有所上升。

主機燃油供給管路振動的控制措施如下：

1.對管路固有頻率進行調整。優化燃油管路分布情況，減少彎管數目，同時需相應地調整管路支撐高度，在此前提下加裝多個管子支架，使得布局更加密集，并且應確保支架強度符合要求，進而實現調節燃油管路頻率的目標。

2.對管路尺寸進行調整。主機燃油供給管路的內徑并非是完全相同的，如果管路內徑比較小、且與主機內部燃油總管的直徑存在較大差距時，在流量不變的情況下，則會造成主機外燃油管路極高的內部壓力，基于該點則需增加管路的通徑，如此才可實現對管路振動的高效控制。

3.加裝管路蓄能設備。柴油機具備自身相應的運行方式及工作機理，這代表著燃油總管內壓力脈動的產生是不可避免的，也恰是由于受脈動的影響，才會引起管路系統的振動，在振動達到特定強度時，需以合理的方式對脈動能量進行控制，進而實現減振的目標。經過加裝管路蓄能設備，可有效降低管內壓力脈動強度。在選擇蓄能設備的過程中，需根據船舶的具體特征，主要包含機艙的工作原理、內部架構、空間大小等等，優先選擇結構穩定、體積小、易于安裝的蓄能設備?？煽紤]將蓄能設備安裝于主機的進油管路系統中，即主機與回油管路相連的地方;并且利用高壓軟管將主機構造與外部管路相互分離開，進而實現對主機振動的集中性控制，降低振動傳播，以提高機械隔振的效果。

4.嚴格控制燃油總管的供油壓力。正常情況下，燃油供泵出口位置處的壓力通常被設置成固定的壓力值，該數值一般是0.92MPa，燃油相應的脈沖能量同樣會跟隨其壓力的加大不斷升高。燃油供泵的根本作用就是提供柴油機所需要的供油壓力，所需的壓力值大約為0.5～0.962MPa，可對燃油供給泵壓力值進行適當的調整，然而其根本前提為應滿足柴油機的各項要求。

4 結論

綜上所述，船舶管路系統振動對船舶的安全行駛有著極大的負面影響，所以需強化對船舶管系振動的控制。從船舶管系振動角度來看，其具有十分明顯的特征，且與船舶的總體噪聲存在著極其密切的聯系?，F階段，船舶管路系統常見的振動現象主要有機艙管路振動、壓力管路振動、主機燃油供給管路振動等等。我們應不斷創新管系振動控制技術，以有效控制船舶管系振動，進而確保船舶行駛的安全性。

參考文獻：

[1] 吳江海，尹志勇，孫凌寒，等.船舶充液管路振動響應計算與試驗[J].振動·測試與診斷，2019，39（04）：832-837，908.

[2] 胡義，劉佳佳，李武超，等.基于STM32的船舶管路振動應急處理系統設計[J].自動化與儀表，2017，32（05）： 53-56.

[3] 余欣.船舶管路中高頻振動成因分析及控制策略研究[J].山東工業技術，2017（07）：26.

[4] 梁春雨，張新玉.基于ANSYS和Flowmaster的船舶主機燃油供給管系振動優化仿真分析[J].中國修船， 2013，26（02）：14-16.

[5] 梁向東.管路振動噪聲對船舶總體聲隱身特性的影響[J].噪聲與振動控制，2010，30（06）：127-128，135.CD2F8B27-83E8-48A9-AF71-41A742A552CD