科考船泵浦設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”戰略的提出，人們對海洋資源開發和探索的需求日益增長。各研究院、高校、國家機關等機構，陸續完成了科考船的立項、批復和建造，甚至一些民間組織也順勢而上?？瓶即鳛榫C合性平臺，集深海大洋科學研究、人才培養、高新技術研發應用為一體，積極推動國家實現海洋強國。

泵浦設備在現代船舶中應用十分廣泛，是船舶重要的輔機設備。泵浦設備的本質是將電能轉化成機械能，在船舶設計過程中，泵被用來輸送淡水、海水、燃油、滑油、動力油等，根據其用途不同，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。根據泵的工作原理不同，可以分為容積式和葉輪式。

國內很多學者、技術人員對泵浦設備在船舶設計中的減振降噪設計做了大量研究。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定性。船體結構的聲學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，對泵浦設備的彈性安裝方式進行歸納總結。

1 科考船振動噪聲要求

國內外一些組織機構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主要針對漁業資源調查船，評估船舶在11 kn航速時發現魚群的能力，是目前最嚴苛的衡準。

目前，國內的科考船水下輻射噪聲指標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，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設備的船舶，如海洋平臺供給船、科考船、調查船等，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）。主要針對漁業資源調查或作業的船舶，包括“Heavy Towing”和“Light Search”。

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

以上5種符號的水聲數據對比如圖1所示。

圖1 挪威船級社水下輻射噪聲指標對比

為了提升我國在船舶設計和建造領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]，為業界提供了船舶入級服務。滿足測試要求的船舶可授予附加標志：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《船上噪聲等級規則》，作為強制性文件規定了船舶不同類型艙室的噪聲限值。對于常規等級的科考船，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，科考船布置數量較多的實驗室，用于科學考察、人員辦公，考慮到人員的舒適性，噪聲限值不應高于60 dB。此類艙室布置一般距離機器艙室較近，振動噪聲風險較大，需要重點關注。

2 泵的振動傳遞分析

相比船舶主機、柴油發電機組、螺旋槳等激勵源，單個泵的振動能量較小。但科考船泵浦設備數量多、布置范圍大，艙室類型和數量多，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）設備本體-基座-船體結構-輻射水下噪聲或自噪聲。泵浦設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構（如雙層底、舷側外板等），船體結構的振動會輻射水下噪聲或自噪聲，泵浦設備異常的振動可能導致船舶水下噪聲超標，并且影響水聽器、單波束、多波束等聲學設備的性能或工作效率。

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

3）設備管路-船體結構-引起艙室振動和噪聲。管路支撐結構不僅會傳遞振動，同時也會引起結構的2次振動，產生結構共振，這是相對容易忽略的傳播路徑。

4）設備空氣噪聲-引起附近艙室的噪聲。設備本體的空氣噪聲一般不大，但開關閥、調節閥等開啟過程中的異常噪聲也會引發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 泵浦減振設計

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

3.1 隔振裝置

為了表明科考船滿足特定的水下作業環境要求，在設計過程中會考慮取得相應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，為泵浦設備設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

單層隔振為設備和設備安裝基座間設置一層隔振器，雙層隔振為設備和安裝基座間設置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。在隔振裝置設計時應避免發生共振，即系統的固有頻率應避開設備的激勵頻率，同時需進行穩定性校核。

3.2 安裝基座及船體結構優化

泵浦設備安裝基座結構較弱、阻抗較低，對設備振動傳遞的抑制不足。通過結構的聲學優化，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構向外傳遞[8]。在結構優化時可遵循以下原則：1）基座面板應具有一定的厚度，不小于10 mm，具體根據泵浦設備的重量和振動烈度確定；2）泵浦設備安裝位置處應為強結構，包括泵浦設備與基座之間、安裝基座和船體結構之間，必要時可設置加筋板。此外，通過在基座、船底等傳遞路徑上敷設阻尼材料，對減小振動響應也有效。

3.3 管路支撐

通過設備隔振安裝和優化船體結構是最顯而易見和有效的減振降噪控制措施。泵浦設備的進出管路支撐形式經常被忽視，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，應避免管徑突變、彎管的半徑應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，管夾與管路不應有剛性接觸；2）管路支撐需連接至桁材、加強筋等強結構處，不允許直接焊接至板格中間；3）管路支撐間距需根據管路口徑、介質、流速等，管路彎頭處建議支撐。

當出現管路支撐點結構弱或強度不夠時，需要進行調整，按照效果依次推薦的方法有：1）支撐點位置選擇強結構，如強橫梁、縱桁、艙壁交叉等；2）支撐點位置選擇較強結構，如球扁鋼等；3）當支撐點位置為甲板面板格弱結構時，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 測試數據及減振分析

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

管路支撐形式常被忽視。泵浦設備進出口管路支撐連接至非強結構處，可對相應艙室帶來較大的負面影響，如圖4所示，管路支撐焊接至甲板板格的中部，導致上方艙室振動噪聲超標。結構的二次振動，一方面會導致艙室振動較大，另一方面會導致艙室噪聲過大，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。經過支撐結構的修改和加強，艙室噪聲減低至58 dB。

發生管路支撐形式不良引發結構振動、艙室噪聲超標問題后，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構處

圖5 結構修改前后的艙室噪聲頻譜

5 結語

針對科考船振動噪聲的特殊要求，從泵浦設備減振降噪角度出發，結合以往的科考船建造經驗，分析泵浦設備在科考船中的安裝要求，得出以下結論：

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

2）對于有水下輻射噪聲要求的科考船來說，泵浦設備隔振安裝能夠有效避免由于此類設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。