船用甲板起重機噪聲分析及控制措施

葉 凱，陸兆鵬，江 輝

（武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084）

0 引言

近年來船舶噪聲問題越來越引起關注。船舶噪聲不僅對隨船工作人員的工作環境及健康等造成不利影響，還給航行區域的海洋環境以及停泊作業的港區環境等帶來噪聲污染。

2012年11月30日，國際海事組織（IMO）海上安全委員會第91次會議正式通過《船上噪聲等級規則》，明確船舶相關區域噪聲限值要求。該《規則》作為強制要求，于2014年7月1日起正式實施。營運船舶噪聲級標準日趨嚴格。

1 船用甲板起重機噪聲問題現狀

船用甲板起重機作為布置在船舶甲板上的配套設備，在船舶航行期間處于存放狀態，在船舶靠港進行貨物裝卸時投入使用。此時甲板起重機產生的噪聲會對船舶值班站和居住處所產生影響，需執行《船上噪聲等級規則》中的相關要求，“當船舶貨物裝卸設備的噪聲可能導致受其作業影響的值班站和居住處所的噪聲高于最大噪聲級，應進行測量”。《規則》中對船舶值班站和居住處所的噪聲級限值有明確要求，但由于起重機噪聲僅僅是船舶值班站和居住處所噪聲級的影響因素之一，并不能得出甲板起重機工作時的噪聲級限值要求。

另一方面，甲板起重機通常是由碼頭工人進行操作使用的，起重機噪聲大小直接關系到碼頭工人的作業環境和身體健康。相關研究表明，作業環境噪聲超過一定值，就會對人員的作業效率產生明顯的負面影響，嚴重的，將引發操作失誤，造成安全事故。有鑒于此，《國際勞工組織》第152號公約《碼頭作業安全和衛生公約》明確要求工作場所應采取合適的措施，防止作業人員承受超標噪聲產生的有害影響。但《公約》并未給出允許的噪聲標準。

最后，船用甲板起重機作業時產生的噪聲也成為了港口噪聲污染的一個組成部分。據了解，歐洲港口組織（ESPO）與歐洲生態港（EcoPorts）會定期監察歐洲港口當局的環保優先級。該組織 2004年的調查結果，將噪聲問題列為歐洲港口業界優先關注環保問題的第五位；2009年的調查結果，將噪聲問題列為歐洲港口業界優先關注環保問題的首位；而2016年的監測數據，則將噪聲問題列為第三位，前兩位分別是空氣質量和能源消耗。盡管港口噪聲問題長期以來就是港口環保問題的重點關注對象，但對于船用甲板起重機的噪聲其實并未有專門的論述。

綜上所述，目前并無專門的規范或明確的標準，來對船用甲板起重機的噪聲級限值做出規定。但隨著船舶整體噪聲限值要求越來越嚴格，相關碼頭作業規范的日趨完善，以及港口環境噪聲問題獲得的廣泛關注，船用甲板起重機噪聲問題終將得到重視，出臺必要的規范或標準，明確其噪聲級限值要求。

2 船用甲板起重機噪聲來源分析

船用甲板起重機按照動力源主要分為電動液壓型和純電動型。由于電動液壓型甲板起重機的噪聲來源比純電動型更加復雜多樣，且實船配套數量上也更多，因此本文將著重分析電動液壓型船用甲板起重機的噪聲來源。

根據起重機傳動部件的類型，可以將噪聲來源歸為機械噪聲和液壓（流體）噪聲兩大類。

2.1 機械噪聲

機械零部件之間，由于傳動過程中出現的撞擊、摩擦和振動等，會產生不同程度的噪聲。當撞擊、摩擦和振動等超出合理的設計范圍，可能使噪聲達到無法接受的程度。船用液壓起重機機械噪聲主要包含電動機噪聲、聯軸器噪聲以及減速機、滑輪等其他機械傳動部件噪聲。

2.1.1 電動機噪聲

電動機根據其組成結構和功能原理，運行時發出的噪聲主要有機械噪聲、電磁噪聲和空氣動力噪聲。電動液壓起重機通常配有一個主電機和一個冷卻系統用電機。

機械噪聲由低頻噪聲和高頻噪聲2個部分組成。低頻噪聲通常來自于電機自身的內部結構，高頻噪聲則需要考慮其安裝的合理性，以及與外部結構如基座間的共振。電磁噪聲主要是電機中周期變化的徑向電磁力或不平衡的磁拉力使鐵心發生磁致伸縮和振動所引起。電磁噪聲還和內部回轉結構本身的固有物理特性有關。空氣噪聲包括散熱風扇、旋轉的轉子和氣流沿風路流動時形成的氣流噪聲。

2.1.2 聯軸器噪聲

聯軸器用于電動機軸與液壓泵組軸之間的聯接。當起重機操作時，電動機通過聯軸器將能量傳遞出去，聯軸器在一定載荷條件下做高速回轉運動。由于電動機軸線與泵組軸線不同心，導致聯軸器做高速非對稱回轉運動時，出現振動，從而產生機械噪聲。

2.1.3 制動噪聲

帶式制動器是液壓甲板起重機上較為常見的制動裝置。其工作原理為，當起重機進行動作制動時，液壓油缸通過動作傳導，使制動器剎車片與機構制動輪表面接觸，利用摩擦力實現動作停止，完成起重機的制動。在此過程中，由于剎車片與制動輪的接觸面逐漸變大，摩擦力從滑動摩擦轉變為靜摩擦，因此會產生一定的摩擦噪聲。噪聲的大小與操作起重機的激烈程度、剎車片與制動輪的圓周方向和沿軸方向的貼合程度有關。

2.1.4 其他機械噪聲

甲板起重機的其他機械傳動部件，如滑輪組、鋼絲繩以及吊鉤組等，在運行過程中均存在一定程度的碰撞、摩擦等，都會產生不同程度的噪聲。

2.2 液壓噪聲

液壓系統中，由于油液的流速、壓力等的突然變化，與泵、馬達、閥件以及液壓管路等的相互作用，產生噪聲；而油液中混入的空氣，因壓力變化導致產生的氣泡破裂，造成強烈的液壓沖擊從而形成噪聲。對泵和馬達而言，上述噪聲原理類似。下文僅對泵的噪聲進行展開論述。

2.2.1 泵的噪聲

液壓泵的工作過程可視作連續的吸油和壓油循環，由此帶來液壓油周期性的壓力和流量脈動，使泵體產生振動，帶來噪聲。其次，吸油腔和壓油腔在泵的工作過程中頻繁互通，造成流體介質流量和壓力的突變，出現噪聲。再次，具有較高流速和壓力的流體介質，在泵內部流道內運轉，隨著泵內流道截面的擴大或收縮，以及流道方向的急劇變化，形成流體沖擊噪聲。最后，泵自身轉動部分的不平衡，也會引起一定的噪聲。

2.2.2 閥的噪聲

閥件的噪聲一方面包括閥芯與閥體結構間相對摩擦和振動產生的機械噪聲，另一方面來自于其功能實現過程中的流體噪聲。節流閥、換向閥以及溢流閥等功能閥件，作用時內部油液在流速、方向和壓力上均會發生變化，造成閥件本體以及相關管道內壁沖擊振動，從而形成流體噪聲。

1）自激振噪聲。對于壓力閥、單向閥等閥件，閥芯由彈簧支承，在管路系統壓力油的作用下，形成一個相對穩定的質量——彈簧振動阻尼系統。當外部條件變化打破閥件平衡時，閥芯會在油液壓力脈動或其他振動的作用下，產生自激振動和異常噪聲。系統壓力越大、油液溫度越高，閥件的這種自激振動噪聲就越容易出現。

2）液壓沖擊噪聲。當液壓閥實現其功能時，會將某個系統油路斷開，或者使2個壓差較大的油路連通。在這2種情況下，均會因為局部壓力突然升高而形成液壓沖擊，帶來振動和噪聲。進一步，這種沖擊將通過管路傳播到系統中的其他元件，又產生新的振動和噪聲。

3）高頻振動噪聲。當閥件的閥芯與閥體工作部分之間的間隙，由于原始缺陷或使用后的磨損而加大，會造成閥芯在工作時發生不規則振動，使得液壓閥處于不穩定的高頻振動狀態，產生高頻噪聲。

2.2.3 氣穴和管路沖擊噪聲

液壓流體介質中混入少量空氣，因壓力變化導致產生的氣泡破裂，附近的液壓油將會迅速補充，因局部沖擊而產生流體噪聲。另外，流體介質根據液壓系統功能設計在元件和管路中運行。隨著管路流向、截面的不斷變化，流體介質的壓力、速度也隨著發生變化，不斷對液壓管路造成沖擊，產生沖擊噪聲。

2.2.4 冷卻風機噪聲

冷卻風機通過風扇高速轉動，將液壓流體中的熱量散發到環境空氣中，實現系統的冷卻。冷卻風扇在轉動過程中也會產生一定程度的噪聲。

3 船用甲板起重機噪聲控制措施

3.1 噪聲控制原則

噪聲控制應堅持科學性、先進性和經濟性的原則。科學性是指在處理噪聲問題時，應通過分析確定噪聲種類和頻率特性，采取合理的降噪措施。先進性是擬實施的降噪措施，要在最大限度上兼顧原有設備技術性能的基礎上，切實可行。經濟性則是充分考慮降噪方案的實施成本。所采用方案的降噪效果只要能滿足相關標準規定即可，而不是一味追求將噪聲控制在更低水平。

3.2 噪聲控制途徑

根據噪聲傳播的一般形式，其控制途徑包括噪聲源的控制、傳播途徑的控制和接受者的防護。

噪聲源的控制是噪聲控制中最根本和最有效的方法。對于不滿足噪聲要求的設備，通常可以：1）更換聲學性能更佳的設備；2）對設備采取減振降噪措施。

當對噪聲源采取措施之后仍達不到總體降噪要求時，就需要在噪聲的傳播途徑上直接采取聲學措施，包括吸聲、隔聲、阻尼減振等常用噪聲控制技術。

噪聲控制的最后一環是個人防護。對于噪聲強度很大但是人很少去的地方，根據經濟性原則，可以考慮人員被動保護方案，如可以帶上耳塞、耳罩或防聲頭盔等，減少噪聲造成的傷害。

3.3 船用甲板起重機噪聲控制措施

根據甲板起重機噪聲來源分析，以及實踐中對各噪聲源的噪聲貢獻評價，確定噪聲控制措施如下。

3.3.1 機械噪聲控制

對于電動機的噪聲控制，首先應在滿足功能和使用需求的前提下，選擇功率較小、品牌可靠的電機，以降低電機工作時的電磁噪聲和散熱風扇噪聲。其次，制訂合理的安裝方式，提高電機與基座連接的穩定性，在基座上設置減震墊，減小電機工作時的振動，實現對噪聲的控制。最后，在滿足散熱需求的基礎上，可以給電機安裝隔聲罩，有效降低電機運行時對周圍環境的噪聲影響。

研究表明，當電動機與泵組同軸度大于0.02 mm時，就會出現明顯振動，發出噪聲；當同軸度超過0.08 mm時，振動將變得強烈，噪聲很大。因此，聯軸器的噪聲控制，關鍵在于提高聯軸器安裝時，電動機與泵組間的同軸度。另外，選擇彈性聯軸器，也能有效降低系統工作時聯軸器的振動和噪聲。

起重機制動器噪聲首先和剎車片與制動輪間隙的均勻性有關，但實際上也和吊機的操作手法有關聯，使用過程中的急停急起當然會引起較大的制動噪聲。因此對起重機制動噪聲的控制，一方面要提高剎車片與制動輪之間在圓周和軸向上的間隙要求，實現制動時剎車片與制動輪的同步貼合，減小制動噪聲；另一方面，對于操作者也應進行適當的提醒與提示，避免野蠻操作而帶來的噪聲。

3.3.2 液壓噪聲控制

對于液壓泵的噪聲，應根據系統設計需求，合理選擇液壓泵的額定工作壓力、排量等，降低泵內液壓沖擊；同時在泵的進出口管路設置上，在滿足流量需求的基礎上，應盡可能使管路流向的變化區域遠離泵組。另外，在做好泵組安裝的前提下，仍可以考慮隔聲罩的選用。

由于液壓閥件通常會引起高頻噪聲，因此在設計時，控制閥件應優先考慮采用液壓軟管。另外，合理選擇閥件規格，也是進行閥件噪聲控制的重要措施。

對于氣穴引起的噪聲，一方面應在系統中設計有效的放氣裝置，減少混入系統中的空氣。另外，應向操作者明確，起重機在新加油或更換油液時，應進行充分的排氣操作。

4 結論

船用甲板起重機的噪聲分析及防護，既具有一般工程機械噪聲分析和防護的特點，也應滿足船舶噪聲的相關要求。本文在展望未來船舶噪聲要求日趨嚴格的基礎上，針對典型船用甲板起重機的系統組成，提出了相應的控制和優化措施，為未來船用起重機噪聲控制噪聲限值提供了參考。