一種新型艦船管路隔振器設計及性能試驗

周冉輝，王 鋒，劉建勛

(1. 海軍裝備部，北京 100841；2. 中國艦船研究院，北京 100192；3. 渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125005)

0 引 言

艦船內部管路布置比較復雜，結構振動和噪聲可通過管路傳至船體結構，管路成為艦船振動和噪聲的傳播主要途徑，因此開展艦船管路振動噪聲控制能夠有效地提高艦船的振動噪聲性能[1-2]。

艦船的振動和噪聲控制主要方法包括：降低振動噪聲源特性，選用低振動噪聲的設備；降低傳遞路徑的振動傳遞效率、增加傳遞損失，選用有效的隔振裝置。其中得益于多種形式、材料的高性能減振元器件，隔振設計成為減振降噪最廣泛、有效的措施[3]。管路隔振器是一種彈性支撐裝置，其能有效地減小振動和噪聲傳遞至艦船結構，但實現管路系統振動噪聲的整體隔振效果必須要求隔振器設計的完整性和匹配性，不能出現“聲短路”環節，分散的“隔振點”之間也必須在隔振性能上匹配[4]。

本文針對艦船系統管路隔振需求，通過管路隔振元件結構設計和樣機試驗研究，實現了一種新型管路隔振元件的設計和研制。通過隔振器性能試驗可知，其具有相對頻率低和優越的隔振性能。同時設計的隔振器具有占用空間小、安裝工藝簡單、規格可選余地大、覆蓋范圍廣，能夠較好地兼容正向、吊掛、側裝多種安裝形式等諸多優點。

1 管路隔振器結構設計

1.1 管路隔振系統功能需求分析

艦船管路系統通過布置一定數量的支撐，定位管路并避免管路承受不必要的應力，即克服管路及內部介質的重力，以避免管路變形、承受靜彎曲應力；約束管路徑向振動，避免管路承受過大的動載荷導致的疲勞應力；減隔振功能，減小管路振動向艇體結構的振動專遞。常規管路系統支撐示意圖如圖1 所示。

圖 1 管路系統支撐示意圖Fig. 1 Pipeline system surpport

由于艦船航行工況比較復雜，所以針對系統管路的固定有很高的抗沖擊和可靠要求，其約束在管路截面360°范圍的徑向都要起作用。

1.2 管路隔振器結構設計

艦船管路隔振裝置結構可以分為彈性元件和支撐結構，通過彈性元件實現減振的功能，通過支撐結構來保持彈性元件形狀及其均勻變形，連接管路與基礎結構，實現對管路的彈性支撐和可靠固定的功能。管路隔振器簡化理論模型如圖2 所示。

艦船管路隔振裝置設計過程中考慮到其與基礎結構的安裝連接，管路隔振模型可演化為圖3 所示的形式。該形式有利于尺寸控制，可以利用管路下方及下側方空間進行隔振元件配置，固定結構不受彈性元件和支撐結構約束，更易于設計，安裝更為方便同樣兼顧了側掛、吊掛安裝。

圖 2 管路隔振模型Fig. 2 The Pipeline isolation model

圖 3 分層式管路隔振器方案理論結構圖Fig. 3 The theoretical structure diagram of layered pipeline vibration isolator

管路隔振器設計時，可利用彈性材料的拉壓、剪切和兩者混合的變形模式產生的彈性，實現減振的功能。圓筒型結構具有外形規則易成型、外部有包覆結構穩定性好等優點，選擇圓筒型作為元件支撐結構方案。綜合上述管路隔振模型和彈性元件結構，形成管路隔振器整體結構，如圖4 所示。隔振元件采用了軸對稱的布置方式，能夠較好地解決側掛、吊掛等安裝方向不同導致的變形不均的問題。

圖 4 管路隔振器結構示意圖Fig. 4 The new type pipeline isolator's structure

2 管路隔振器樣機研制

基于本文的艦船管路系統結構設計方案，針對某一外徑為220 mm 的艦船海水系統管路，研制了管路隔振器樣機。按照圖4 的方案進行結構設計，管路隔振器的結構示意圖及組成構件如圖5 所示。

設計的艦船隔振器樣機中的彈性材料選擇丁腈橡膠，其他結構材料選擇Q345 牌號碳鋼。

針對本設計的艦船隔振器樣機經理論計算，該管路單個隔振器載荷為3 400 N，設計額定變形2 mm，固有頻率≤20 Hz。

圖 5 管路隔振器示意圖Fig. 5 The new type pipeline isolator

3 管路隔振器樣機性能試驗

為了驗證本文設計的管路隔振器的性能，開展管路隔振器靜剛度、額定載荷和固有頻率、隔振性能、沖擊性能、破壞載荷性能等試驗研究。

3.1 隔振器靜剛度和額定載荷固有頻率測試

在進行隔振器靜剛度試驗過程中，參照“GB/T15168-2013 振動與沖擊隔離器性能測試方法”開展管路隔振器靜動剛度試驗[5]。試驗設備采用MTS 動態試驗機。減振器的靜動特性試驗一般采取整機試驗的方法，但由于本樣機管路隔振器口徑較大，且要包含固定管路的結構和必要的工裝，致使力學試驗機上無法進行整機試驗，因此本實驗過程中采取考核單個減振套筒的方式進行，即管路隔振器整機剛度分解為2 個并聯的減振套筒剛度，每個減振套筒承載一半的整機載荷。管路隔振器靜動剛度特性試驗裝置如圖6 所示。

載荷從零加載至1.25 倍額定載荷，加載速度≤1 mm/min，同時記錄各點加載時的變形值。管路隔振器載荷與靜變形關系曲線如圖7 所示。從試驗結果可以看出載荷與靜變形基本呈現線性關系，在額定載荷下靜變形為1.79 mm，滿足設計要求。

采用“GB/T 15168-2013 振動與沖擊隔離器靜動態性能測試方法”的橢圓法，利用輸入力-變形遲滯回線求隔離器的固有頻率[5]。依據試驗結果計算管路隔振器在額定載荷下固有頻率為19.13 Hz。

3.2 隔振器額定載荷隔振性能

為了檢驗隔振器的隔振性能，參照“GB/T15168-2013 振動與沖擊隔離器性能測試方法”開展管路隔振器隔振效果試驗[5]。實驗過程中激振器采用懸吊安裝，使激振系統安裝頻率為測試下限頻率0.3 倍以下，激振力作用在管路隔振支架輸入點的中心點上。試驗臺通過空氣彈簧及其過渡板施加靜載荷，對管路隔振支架按額定（或使用）載荷施加預緊變形。激振力選取10～10 kHz 白噪聲激勵。

圖 6 管路隔振器剛度試驗裝置Fig. 6 Testing device of new type pipeline isolator

圖 7 管路隔振器載荷與靜變形關系曲線Fig. 7 Load and Deformation curve of new type pipeline isolator

在白噪聲輸入條件下，3 個方向、不同頻段隔振效果如表1 所示，主承載方向（Z 方向）隔振效果1/3 倍頻程曲線如圖8 所示。

表 1 管路隔振器隔振效果

圖 8 管路隔振器主承載方向隔振效果1/3 倍頻程曲線圖Fig. 8 Vibration isolation effect of new type pipeline isolator

可知，本文設計的隔振器在低頻和高頻段都具有優良的隔振性能。

3.3 隔振器抗沖擊性能

為了檢驗隔振器的抗沖擊性能，參照“GJB150.18-1986 軍用裝備實驗室環境試驗方法-沖擊試驗”中艦船設備的沖擊試驗進行管路隔振器沖擊試驗[6]。實驗過程中，管路隔振器通過過渡架、支撐槽鋼和水平襯軌固定于中型沖擊機砧臺上，將按照隔振器安裝管徑及額定負載參數加工的模擬負載插入管路隔振器中并用扳手將管路隔振器緊固。沖擊試驗前后采用敲擊模擬負載的方法，通過測量模擬負載的沖擊加速度響應以考察隔振器安裝頻率的變化。

管路隔振器構成的彈性系統受沖擊前后的固有頻率分別為18.26 Hz 和17.18 Hz，變化率為5.9%。根據沖擊過程中基礎及管路響應加速度峰值對比，分析管路隔振器隔沖效果，管路隔振器表現出了良好的隔沖效果，管路隔振器隔沖效果如圖9 所示。

3.4 隔振器破壞載荷性能

為檢驗隔振器的破壞載荷性能，參照“CB1359-2002 艦船用橡膠隔振器規范“開展管路隔振器破壞載荷試驗[7]，破壞載荷為15 倍額定載荷。試驗設備為MTS 力學試驗機。

圖 9 管路隔振器隔沖效果Fig. 9 Shock isolation effect of new type pipeline isolator

管路隔振器在主承載方向施加到15 倍額定載荷后，橡膠件未從金屬上剝離、設有裂痕和其他損傷，金屬件未開焊、斷裂。

從試驗結果可以看出，本文設計的隔振裝置滿足艦船用橡膠隔振器規范要求，具有很強的抗破壞性能。

4 結 語

為了有效地降低管路系統的振動和噪聲，本文設計了新型管路隔振器。試制的隔振器樣機中選擇丁腈橡膠作為彈性結構材料，選擇Q345 碳鋼作為支撐結構材料。從結構形式上可以看出本文設計的隔振器具有占用空間小、可靠性高等優點，并且能夠較好地兼容正向、吊掛、側裝多種安裝形式。參照相應的規范，分別對隔振器進行了靜剛度和額定載荷固有頻率、額定載荷隔振性能、抗沖擊性能和破壞載荷性能的試驗。通過試驗可知，本文設計的隔振器滿足相應的規范要求，且設計的管路隔振器具有相對頻率低、隔振效果和隔沖性能優良。本文研制的隔振器也可應用于其他海洋結構物系統管路系統控制中。