船舶機艙管路振動原因及原位抑制策略研究

古成中， 劉勇， 羅日榮， 邱曉軍（91663部隊，山東 青島 266012）

0 引言

管路系統是船舶設備不可缺少的組成部分，相當于船舶的血管經絡，關系到各種氣路、水路和油路暢通，影響絕大多數船舶設備性能發揮。船舶管路系統與一般輸流管道相比，具有空間小、布置密集、機械設備多、激勵力頻率復雜等特點，從而導致其振動問題難以避免[1]。目前船廠在管路設計和舾裝過程中，主要關注管路的空間布置等問題，對于管路系統模態特性和周邊設備激勵特征缺乏分析研究，一定程度上惡化了船舶管路系統振動問題。

船舶機艙內部管路分布層層交錯，作為傳遞全船油、水、氣的重要載體，對全船機械設備性能的發揮具有重要作用[2]。以船用推進柴油機為例，一旦滑油、燃油、進排氣或者冷卻水中某一管路功能失效，將會嚴重影響推進柴油機性能發揮甚至會導致功能喪失，因此，開展船舶管路振動研究，尤其是管路振動原位抑制是一個經濟意義重大的課題。

1 船舶管路振動原因分析

管道及其支架和與之相連結的各種設備或裝置構成了一個復雜的機械結構系統，該系統產生振動是由多種原因引起的：一是直接與管路相連的各類動力機械振動傳遞到管路系統；二是管路流體介質脈動，引發管路結構振動；三是管道、流體等介質在某特定條件下發生共振。

1.1 機械結構振動引發的管路振動

船舶機艙有主輔柴油機、各類泵、各類分油機、空壓機等多種動力設備協同工作，其產生的機械振動通過相應的支撐結構傳遞至船體，從而導致機艙環境振動。機艙管路交錯布置于機艙之中，機艙的環境振動會通過管壁、管路支架等部件傳遞至管路，同時，各類動力設備工作過程中產生的振動也會從油、水、氣等流體介質傳遞至相連的管路，從而導致機艙管路系統振動[3]。

1.2 管內流體脈動引發的管路振動

管路輸送流體需通過壓縮機或泵加壓作為動力，這種間歇性的加壓方式必然會導致流體壓力和速度等參數產生脈動，包含壓力脈動和速度脈動。在實際中，由于流體脈動而引起施加在管路中的干擾力，也是壓力脈動、速度脈動的共同結果。脈動狀態的流體遇到彎管頭、異徑管、控制閥、盲板等管道元件，產生一定的周期性干擾力，從而對管路產生周期性激勵，導致管路振動[4]。

以艦艇柴油機滑油循環管路為例，由于滑油在管路中始終處于循環狀態，而柴油機轉速由于各缸交替發火燃燒做功而出現波動，導致機帶滑油泵也出現轉速波動。當油泵轉速降低時，滑油管會出現瞬間低壓；當油泵轉速升高時，滑油管會出現瞬間高壓。所以會導致油壓周期性變化，促使管內滑油呈脈動狀態，造成管內滑油參數不僅隨時間作周期性變化，而且還隨位置變化，將以彈性波的形式在滑油管中進行傳播。

1.3 機械共振引發的管路振動

共振分為兩類：1）流體柱共振。管道系統內所容納的流體稱為流體柱，因為流體可以壓縮、膨脹，故可以看作一個類似彈簧的振動系統，具有一系列的固有頻率，當往復機激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，系統即產生對應該階頻率的共振。2）管道機械共振。由管子、管件和支架組成的管道本身也是一個彈性系統。管道系統根據配管情況、支撐的類型和位置，會有一系列的固有頻率，當激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，便發生管道的機械共振。

2 管路振動抑制技術

在船舶管路振動控制研究中，主要從三個方面入手：1）降低周邊振源對管路振動的影響，通過隔振元件降低泵、壓縮機、柴油機等動力設備與管路之間振動傳遞；2）降低管內流體脈動效應，優化管路結構和管路布置、在管路中加裝緩壓裝置，如蓄能器、膨脹水箱等緩壓元件；3）調整設備布置及管道走向可以改變管路的固有頻率，為了不使管道產生共振，必須使管路的各階固有頻率避開主要激勵源頻率。

2.1 降低周邊振源影響

船舶管路布置密集，周邊機械設備眾多、振動環境復雜。為了有效控制管路振動，通常會通過隔振元件將管路與其它機械設備隔離，以減少振動能量傳遞。為了起到隔振作用，通常應控制機械設備的激勵頻率與其加裝減震器后系統的固有頻率之比滿足

針對相關機械設備設計加裝科學合理的隔振元件，可以隔離設備自振對船體結構的振動激勵和振動傳遞，與此同時，也能夠間接降低船體結構振動通過管路支撐結構對管路的振動激勵，避免出現間接激勵管路結構共振現象。船用機械設備常采用的隔振器中有：橡膠類包括隔振墊、減震器等，金屬類包括減震器、隔振吊架、鋼絲網和鋼絲繩隔振器等。

2.2 降低管內流體脈動

降低管內流體脈動方法主要有：一是進一步優化泵浦等原動機結構形式和參數等，采取科學合理的控制措施，降低所輸出的壓力脈動和流量脈動；二是科學合理設計閥門的啟閉方法，減緩啟閉過程中流體脈動；三是在管路安裝儲能或穩壓設備，降低管內流體壓力波動。

2.3 避免管路或流體共振

避免共振一般有兩種途徑：1）控制激勵源頻率，使其避開被測體共振頻率；2）改變被測體固有頻率，使其遠離激勵源頻率。對于船舶管路而言，其共振分為兩類，一是流體柱共振，二是管道機械共振。對于流體柱共振，可以通過改變流體壓力、調整夜壓力波動等方式進行調整。對于管道機械共振，通常采用改變管路布置及支撐狀態，使其固有頻率避開激勵源頻率。

3 船舶管路振動原位抑制實例

船舶管路振動原位抑制是指在不影響船舶正常航行或影響較小的情況下，對管路振動進行現場處理，以保證船舶能夠按計劃完成原定航行路線。以下通過筆者跟船遠航過程中解決管路振動過大案例，總結管路振動原位抑制的一般原則和基本步驟。

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3.1 基本情況

某混裝船遠航期間主機滑油機帶泵振動劇烈，滑油管路固定馬腳多次出現斷裂或開焊故障，嚴重影響了航行計劃。通過監測發現滑油管路振動通過馬腳等固定件傳遞給機艙甲板和船體，導致機艙內所有設備都處于高振動的惡劣環境中，出現了多起電氣電子設備因機艙振動劇烈而產生嚴重損壞等故障。

圖1 滑油管路振動測點示意圖

3.2 管路振動監測

為了確定管路振動劇烈主要原因，本文以滑油管路振動最明顯的AD段為研究對象，在主機主要工況下實施跟蹤監測，具體測點為機帶泵出口管路（A點）、彎頭處（B點）、距彎頭1 m（C點）和2.5 m處（D點），如圖1所示。通過對管路各工況振動狀態跟蹤監測發現：滑油管路在主機工作轉速范圍內，A、B、C和D四個測點振動速度有效值（2～1000 mm/s通頻值）先隨轉速上升而增加，在主機轉速480 r/min左右時滑油管路振動速度有效值達到最高值237.8 Hz（A點），此時主要振動成分集中在66 Hz左右，具體振動趨勢見圖2。由此可以初步判定，滑油管路在66 Hz左右可能存在某階模態共振。

圖2 滑油管路各測點振動情況

3.3 管路模態測試

為了更好地掌握管路固有特性，進一步確定滑油管路在66 Hz左右是否存在共振點，本文對該混裝船滑油管路中振動較為劇烈管子進行了試驗模態測試。振動模態測試必須進行激勵，激勵方法中有單點激勵和多點激勵兩種激勵方法。對本文根據滑油管路現場安裝情況及空間條件，采用了多點激勵法進行模態測試：將潤滑管路劃分為17個測點，采用兩個三向振動傳感器固定在管路首端和中間段，在17個測點上分別進行激勵，圖3為管路測點拓撲圖。

圖3 主機潤滑管路測點拓撲圖

通過模態分析發現，潤滑管路各階固有頻率分布極為豐富，沒有集中在一個或若干個特定頻率上，并且各階模態頻率之間間隔一般僅有幾赫茲，減震難度極大?；凸苈非?階固有頻率見表1，其中4階固有頻率為65 Hz，與滑油管路振動測試最大值頻率（66 Hz）非常接近，由此可知此處振動過大的主要原因是管路共振。

滑油管路輸送滑油牌號為CD40柴油機潤滑油，其常溫下黏度較高，整個滑油管路系統阻尼較大，因此，系統各階模態共振頻帶相對較寬。

表1 管路各階固有頻率列表（6階以內）

3.4 振動原位抑制

如前述，管路振動抑制主要有隔振、降低流體脈動和避免共振三種途徑，而該混裝船滑油管路振動原因主要有原動機波動、管路布置及共振。主機機帶滑油泵與滑油管路之間通過撓性管連接，本身具有隔振作用，同時，測量時發現管路振動明顯大于機帶滑油泵振動，故隔振在本實例中作用不明顯。另外，管路布置在船舶舾裝時已經設計定型，后期尤其是在航行期間，不具備優化修改條件。

圖4 滑油壓力-振動值方圖

3.4.1 調整流體脈動

降低管內流體脈動一般從原動機參數優化設計、管路閥門優化或者在管路中安裝儲能穩壓設備，這些處理方式應當在建造或修理改裝等時機進行，航行期間難以實施。本文主要通過調整管路滑油進出口壓力，以達到改變管內流體脈動狀態。在主機允許范圍內，將滑油進口壓力分別設置為0.57 MPa、0.59 MPa、0.61 MPa，測得管路振動分別為259.32 mm/s、227.79 mm/s和223.47 mm/s，如圖4所示。由圖4可知，隨著進口壓力增加，管內流體脈動有所下降，振動幅值降低，但減震效果不明顯。

圖5 加固后滑油管路振動情況

3.4.2 避免管路共振

該混裝船主機正常工作轉速為420~520 r/min，滑油泵流體脈動頻率約為57~72 Hz，在工作轉速內容易激起3階和4階模態。經濟轉速為480 r/min，流體脈動頻率為約66 Hz，正好處于4階共振模態。

考慮運輸的經濟效益，混裝船主機工況通常保持在經濟航速，所以滑油管路內流體脈動頻率和激振力頻率相對固定，難以進行調整。因此，在滑油管路振動原位抑制時，只能設法改變管路及管內流體柱固有頻率。對于舾裝完畢的在航船舶，僅能通過加裝固定馬腳等方式改變管路安裝狀態，以達到改變管路約束模態目的。

通過振型和監測分析，在A點和C點增加馬腳能夠較大程度地降低管路振動。但是由于空間等因素影響，只允許在C點和D點增加馬腳。在C點加馬腳應急處理后，主機轉速低于500 r/min時管路振動烈度下降明顯，尤其在經濟轉速480 r/min時降低近50%；當轉速高于500 r/min時，加馬腳后振動高于原振動烈度，主機工作轉速內振動烈度最大值約為180 mm/s，如圖5所示，較原最大值237.8 mm/s明顯降低。在D點加馬腳應急處理后，主機轉速低于490 r/min時管路振動烈度下降效果略優于C點，但隨著轉速升高增加迅速，當轉速接近520 r/min時，振動烈度高達300 mm/s，風險不可控。

因此，在C點加馬腳是該混裝船管路振動原位抑制較為合理的應急處理方案。通過在C點加馬腳，管路共振頻率由原來66 Hz（主機480 r/min工況時激勵力頻率為65.8 Hz）上升到76 Hz（主機最大轉速520 r/min時激勵力頻率為72 Hz），已經避開了主機工作區。在調整后近六個月的航行中，滑油管路振動狀態穩定，固定馬腳未出現過斷裂或開焊等故障，滑油管路振動原位抑制效果明顯。

4 結論

本文結合實船主機滑油管路振動過大案例，分析研究了管路振動主要原因、振動抑制技術，重點研究實船管路振動原位抑制方法，通過實例分析可得出如下結論：

1）引起管路振動主要原因有周邊設備機械振動、管內流體脈動、管路共振和管內流體柱共振等，通常導致管路振動劇烈、威脅到航行安全多為管路或流體柱共振，激振源可能是周邊設備機械振動或管路流體自激等。

2）管路振動的抑制主要通過控制或隔離管路周邊振源，降低管內流體脈動和避免共振等。對于實船管路振動原位抑制，一般應先通過管路振動頻率特征分析和模態測試，確定管路振動主要原因再進行對應振動抑制處理。因外界振源激勵誘發的可通過撓性管和彈性固定裝置進行隔離處理，因管內流體脈動激勵誘發的可通過穩壓閥或改變流體傳輸壓力進行調節，因管路或管內流體柱共振誘發的可通過改變管路固定方式調整管路系統約束模態。

3）管路模態測試能夠準確地獲得管路各階模態和振型，對于現場判斷管路振動是否由共振引起效果明顯，并能夠指導如何通過增加或改變管路固定方式來調整共振頻率，同時振動監測分析能夠間接驗證模態測試準確性及調整固定后的減震效果。綜合使用模態分析和現場振動監測是解決實船管路振動過大的有效途徑，尤其在如何避免或降低管路共振危害方面。