平臺(tái)柴油機(jī)集成減振隔聲裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 慧，吳 健，何 濤，陶 沙

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫，214082)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，船上動(dòng)力設(shè)備不斷向高效率、大功率的方向發(fā)展，主機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳、空氣壓縮機(jī)以及各種不同用途的動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲所帶來(lái)的危害已引起人們的廣泛關(guān)注[1]。浮筏隔振系統(tǒng)因其隔振性能良好、設(shè)計(jì)靈活多變，近幾十年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外振動(dòng)噪聲控制研究的熱點(diǎn)[2]。美國(guó)的核潛艇、英國(guó)的“特拉法爾加”級(jí)核潛艇等軍用潛艇以及艦船等均采用了浮筏隔振技術(shù)，隔振效果顯著[3]。

目前，針對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外普遍采用的計(jì)算方法有低頻段的有限元法、高頻段的統(tǒng)計(jì)能量法、導(dǎo)納功率流方法、四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法等。評(píng)定參數(shù)主要有力傳遞率、插入損失和振級(jí)落差等[4]。瞿祖清等[5]提出一種浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)超單元建模方法，建立的模型在規(guī)模上遠(yuǎn)小于未降階的有限元模型，同時(shí)中低頻段的動(dòng)態(tài)特性也得到很好的保留。Ha 和Kim[6]提出針對(duì)多輸入多輸出機(jī)械系統(tǒng)的矢量四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型方法，使四端網(wǎng)絡(luò)分析法有了更完備的理論基礎(chǔ)。Xiong Yeping 等[7-8]采用功率流方法對(duì)多方向復(fù)雜柔性耦合振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行了研究，提出等效導(dǎo)納和等效阻抗的概念。張華良等[9]用有限元方法分析了中間筏架的質(zhì)量、剛度、中間筏架的結(jié)構(gòu)阻尼和隔振器阻尼對(duì)整個(gè)浮筏隔振性能的影響，發(fā)現(xiàn)原則上中間筏架的質(zhì)量越大越好，剛度也越大越好。

隔聲是噪聲控制工程中常用的一種重要手段，根據(jù)隔聲原理，用隔聲結(jié)構(gòu)把噪聲源封閉起來(lái)，并盡量緊靠聲源安裝，這種隔聲結(jié)構(gòu)稱(chēng)為隔聲罩。20 世紀(jì)90 年代初，主要利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)隔聲罩的透射損失進(jìn)行估算。馮永平和張國(guó)良[10]對(duì)隔聲罩一維模型進(jìn)行分析，討論了低頻隔聲性能、封閉體積效應(yīng)、阻尼對(duì)隔聲罩共振的影響以及隔聲罩開(kāi)口的影響。文獻(xiàn)[11-13]主要討論了隔聲罩的形狀、罩板厚度對(duì)隔聲量的影響，文獻(xiàn)[14-15]主要討論了不同阻尼層和吸聲材料對(duì)隔聲量的影響。

本文以艙室模型中WD618.C-22 型船用柴油機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)帶隔聲罩的浮筏減振隔聲系統(tǒng)，研究了安裝浮筏、安裝隔聲罩前后設(shè)備機(jī)腳、中間筏架、基座面板以及甲板4 個(gè)不同位置的振動(dòng)傳遞以及柴油機(jī)的空氣輻射噪聲，完成了針對(duì)此集成減振隔聲裝置的效果測(cè)試驗(yàn)證，可為相關(guān)的減振隔聲集成方案的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 集成減振隔聲裝置設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為山東濰柴動(dòng)力生產(chǎn)的WD618.C-22 船用柴油機(jī)，凈重1 100 kg，外形尺寸（L×B×H）1 534×807×1 512mm，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率220 kW。柴油機(jī)安裝在艙室平臺(tái)上，該平臺(tái)整體模型均為鋼材結(jié)構(gòu)，平置于地面。

1.1 中間筏架設(shè)計(jì)

考慮到柴油機(jī)本身呈下凸形式，設(shè)計(jì)中間筏架為對(duì)稱(chēng)式中空框架結(jié)構(gòu)，在筏架結(jié)構(gòu)上下面板局部開(kāi)孔，以減輕筏架重量并方便設(shè)備的安裝檢修。中間筏架外形尺寸約為2 200×1 400×260 mm（L×B×H），重量約為880 kg，與主機(jī)相連的筏架上層隔振器安裝面板厚度為25 mm，其余上層面板厚度為15 mm，筏架支撐肘板厚度為20 mm，其余均為10 mm，中間筏架如圖1 所示。

1.2 隔聲罩設(shè)計(jì)

隔聲罩結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。其主要結(jié)構(gòu)是罩壁，罩壁一般采用復(fù)合隔聲板。考慮到機(jī)械設(shè)備的散熱問(wèn)題，在隔聲罩罩壁上預(yù)留通風(fēng)換熱孔，安裝進(jìn)排風(fēng)消聲器，并使消聲器的降噪量與隔聲罩罩壁的隔聲量相當(dāng)，在保證降噪效果的同時(shí)，達(dá)到通風(fēng)冷卻的目的。

圖1 中間筏架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of floating raft

圖2 隔聲罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The sketch of acoustic enclosure

考慮空間條件的限制，設(shè)計(jì)隔聲罩外形尺寸為2 200 mm×1 400 mm×1 500 mm（柴油機(jī)長(zhǎng)度方向前后預(yù)留350 mm，寬度方向左右預(yù)留300 mm，高度上方預(yù)留150 mm），罩壁總厚度80 mm，設(shè)計(jì)隔聲量25±3 dB，由1.2 mm 鍍鋅鋼板+50 mm 巖棉+8 mm 硅酸鈣板+50 mm 超細(xì)玻璃棉+0.8 mm 鍍鋅穿孔板組成。隔聲罩設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)可快速拼裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)消聲器消聲量為25 dB。隔聲罩通過(guò)減振橡膠墊與筏架上層面板連接，乳膠密封。各個(gè)隔聲罩面板之間采用搭扣連接，保證拆裝維修方便。

1.3 基座設(shè)計(jì)

考慮到中間筏架和隔聲罩尺寸，以及艙段甲板的縱桁加筋，將新的基座結(jié)構(gòu)向外部調(diào)整，分別設(shè)置在強(qiáng)橫梁位置處，橫跨2 條縱向強(qiáng)橫梁，改進(jìn)后的基座結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，其中基座面板厚度為20 mm，支撐肘板厚度15 mm，其他均為10 mm。

圖3 改進(jìn)基座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The sketch of changed foundation

1.4 隔振器選型布置

筏架上層共布置4 個(gè)隔振器，分別位于4 個(gè)機(jī)腳位置，采用WH400 型隔振器，筏架下層采用6 個(gè)WHG600 型隔振器，上下層隔振器錯(cuò)位安裝，減小傳遞到彈性基礎(chǔ)上的振動(dòng)。原始單層隔振方案采用4 個(gè)WH400 型隔振器，分別位于4 個(gè)機(jī)腳位置45°斜置安裝。隔振器相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，其中X 表示橫向沿左右舷方向，Y 表示縱向沿船長(zhǎng)方向，Z 表示垂向沿豎直方向。

表1 WH400、WHG600 型隔振器相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of WH400 and WHG600

1.5 方案隔振效果評(píng)估

采用有限元Abaqus 軟件對(duì)中間筏架進(jìn)行模態(tài)分析，固有頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知，筏體固有頻率滿(mǎn)足頻率儲(chǔ)備要求（機(jī)組額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，f=n/60=25 Hz），中間筏體固有頻率很好的避開(kāi)了激勵(lì)力的擾動(dòng)頻率，初步滿(mǎn)足筏架設(shè)計(jì)要求。

表2 中間筏體固有頻率Tab.2 Natural frequencies of the raft

采用有限元Abaqus 軟件建立隔振系統(tǒng)有限元模型，計(jì)算得到柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 從設(shè)備機(jī)腳-筏架-基座的橫向、縱向、垂向振動(dòng)傳遞衰減曲線(xiàn)。圖4中，額定轉(zhuǎn)速下，設(shè)備機(jī)腳到基座的橫向、縱向、垂向總隔振量分別為60 dB，54 dB，63 dB（5 Hz～1 kHz）。相比原始單層隔振方案（5 Hz-1 kHz 橫向隔振量約31 dB，縱向隔振量約20 dB，垂向隔振量約28 dB），3 個(gè)方向隔振量分別提高了29 dB，34 dB，35 dB，隔振效果得到了顯著提高。

2 集成減振隔聲試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成模型加工，整體集成裝置實(shí)物安裝。

圖4 系統(tǒng)1 500 r/min 工況振動(dòng)傳遞衰減曲線(xiàn)Fig.4 Vibration curves of the diesel system at the speed of 1 500 r/min

在柴油機(jī)互為對(duì)角的2 個(gè)機(jī)腳，及其下方對(duì)應(yīng)的筏架、基座和甲板上各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共8 個(gè)三向測(cè)點(diǎn)（原始方案為單層隔振，只在機(jī)腳、筏架及甲板上布置測(cè)點(diǎn)，共6 個(gè)測(cè)點(diǎn)）。在柴油機(jī)四周布置4 個(gè)空氣噪聲測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)距離地面1 m，距離柴油機(jī)表面1 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

圖5 為柴油機(jī)安裝浮筏隔振系統(tǒng)后，額定轉(zhuǎn)速下10～6.3 kHz 頻段設(shè)備機(jī)腳-筏架-基座面板-甲板的橫向、縱向、垂向振動(dòng)傳遞衰減。設(shè)備機(jī)腳到筏架的橫向、縱向、垂向衰減分別約為36 dB，35 dB，37 dB，全頻段隔振量都比較明顯；筏架能量主要集中在500 Hz左右，500 Hz 以后筏架的能量衰減到80 dB 左右波動(dòng)；筏架到基座的橫向、縱向、垂向振動(dòng)衰減量分別為14 dB，15 dB，16 dB 左右，基座上的振動(dòng)在400 Hz左右有一個(gè)能量的峰值，超過(guò)400 Hz 以后能量開(kāi)始逐步衰減。橫向及縱向隔振在40 Hz～150 Hz 頻段的隔振效果最佳，最高達(dá)到74 dB，而垂向隔振在60 Hz～300 Hz頻段的隔振效果最佳，最高達(dá)到66 dB。隨著頻率逐漸升高，高頻段的振動(dòng)衰減逐漸變得不明顯，從筏架到基座的三向振動(dòng)衰減量相差不大。基座面板到甲板能量衰減較小，甚至有放大現(xiàn)象，這取決于甲板上測(cè)點(diǎn)位置處的機(jī)械阻抗。

圖5 安裝浮筏后柴油機(jī)振動(dòng)傳遞曲線(xiàn)Fig.5 Vibration curves of diesel with the floating raft

圖6 為安裝集成減振隔聲裝置后柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，從設(shè)備機(jī)腳-筏架-基座面板-甲板的橫向、縱向、垂向振動(dòng)傳遞衰減。可以看出，橫向隔振在150～650 Hz頻段及1～2.5 kHz 頻段的隔振效果最佳，最高達(dá)到75 dB，縱向隔振在80～400 Hz 頻段及1～2.5 kHz 頻段的隔振效果最佳，最高達(dá)到83 dB，而垂向隔振在150 Hz～4 kHz 頻段的隔振效果最佳，最高達(dá)到74 dB。三方向平均隔振效果分別達(dá)到了53.5 dB，56.3 dB 及61.8 dB，對(duì)比原始單層隔振方案（橫向隔振31 dB，縱向隔振20 dB，垂向隔振28 dB），安裝集成減振隔聲裝置后，柴油機(jī)機(jī)腳-基座橫向、縱向及垂向的隔振效果分別提高了22 dB，36 dB 和33 dB，隔振效果有了明顯的改善。

圖6 安裝浮筏隔聲罩后柴油機(jī)振動(dòng)傳遞曲線(xiàn)Fig.6 Vibration curves of diesel with the floating raft and acoustic enclosure

3.2 噪聲測(cè)試結(jié)果分析

圖7 為柴油機(jī)安裝隔聲罩前后各轉(zhuǎn)速下平均噪聲測(cè)試結(jié)果。不同轉(zhuǎn)速下空氣噪聲結(jié)果相差在1～3 dB 左右，轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的噪聲越大。額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min柴油機(jī)產(chǎn)生的噪聲是最大的，安裝浮筏和安裝浮筏隔聲罩集成裝置2 種狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲分別有96.7 dB（A），74.2 dB（A）。原始單層隔振方案下，柴油機(jī)空氣噪聲主要集中在100-2 kHz 頻段，尤其是1 kHz 頻段處，空氣噪聲值高達(dá)95 dB，4 kHz 后的高頻段開(kāi)始迅速衰減至20 kHz 的60 dB 左右。安裝隔聲罩之后，全頻段空氣噪聲均明顯降低，尤其是100 Hz～3 kHz 的中頻段，1 kHz 處的空氣噪聲值降為60 dB，隔聲效果顯著。但是安裝隔聲罩之后高分貝噪聲值主要集中在100 Hz 之前，和原始方案相比100 Hz 之前的低頻段隔聲效果并不理想。這是因?yàn)楦袈曊种苯影惭b在浮筏上，雖然兩者之間做了彈性處理，但是為了保證隔聲罩的密封性，彈性連接很弱，低頻的時(shí)候隔聲罩和浮筏之間產(chǎn)生了輕微的共振，從而影響了低頻段的隔聲效果，后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖7 各工況不同轉(zhuǎn)速平均聲壓級(jí)Fig.7 Sound pressure level at different speeds

在安裝整套集成減振隔聲裝置后，在10～20 kHz 頻段，設(shè)備振動(dòng)噪聲總的平均隔聲量達(dá)到了26.8 dB，總的來(lái)說(shuō)集成裝置達(dá)到了理想的吸隔聲效果，尤其在400 Hz～2.5 kHz 中頻段隔聲效果非常明顯，隔聲量均達(dá)到32 dB 左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)艙室柴油機(jī)進(jìn)行了集成減振隔聲研究，提出浮筏-隔聲罩集成減振隔聲裝置的設(shè)計(jì)方案，采用有限元進(jìn)行隔振效果初步評(píng)估，并完成集成減振隔聲方案試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

1）安裝集成減振隔聲裝置后，柴油機(jī)機(jī)腳-基座橫向、縱向及垂向的隔振效果相比原始單層隔振方案分別提高了22 dB，36 dB 和33 dB，隔振效果明顯提高；

2）安裝隔聲罩之后，很好改善了原始單層隔振方案中100～2 kHz 頻段噪聲能量集中區(qū)，1 kHz 頻率處的空氣噪聲峰值從95 dB 降為60 dB，系統(tǒng)整體隔聲效果達(dá)到26 分貝，吸隔聲效果顯著；

3）通過(guò)隔聲罩-浮筏集成裝置很好的控制了設(shè)備的振動(dòng)和噪聲，空間利用率高，為之后深水半潛式支持平臺(tái)主機(jī)的減振集成方案設(shè)計(jì)提供了參考。