一種新型橡膠軟管減振效果試驗分析

楊 陽，袁 影，薛 華

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2. 西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西西安 710071；3. 中國船舶集團公司第七O 五研究所，陜西 西安 710077)

0 引 言

水下航行器動力系統(tǒng)包含主機與多個輔機，其工作產(chǎn)生的機械振動通過支撐及非支撐系統(tǒng)傳遞給殼體，進而在水中產(chǎn)生輻射噪聲。工程實踐表明，所有輔機中，海水泵是水下航行器主要的振動噪聲源之一。為了降低海水泵對殼體振動的影響，可以從降低海水泵本身的振動以及減小振動的傳遞兩方面入手。海水泵通過海水管與殼體連接，研制具有良好減振效果的海水軟管可以有效降低海水泵振動向殼體的傳遞。此外，橡膠軟管還能起位移補償作用，以避免設(shè)備位移對管路產(chǎn)生較大的作用力。工程中，水下航行器常用的管路類型包括金屬雙層波紋管、塑料軟管以及橡膠軟管等，為了提高管路阻尼，通常會在管壁外敷設(shè)粘彈性高阻尼材料，吸收和耗散振動能量。在管路中增加脈動衰減器，可以實現(xiàn)對脈動壓力的消減[1]。

目前，減振軟管的研究多見于艦船及潛艇。權(quán)凌霄[2]對液壓管路流固耦合振動機理及控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展進行的綜述；廖慶斌[3]分析了艦船管路系統(tǒng)振動和噪聲源的產(chǎn)生機理，并給出了相應(yīng)的治理措施；戴青山[4]指出，撓性接管的布置應(yīng)盡量靠近振源；高亞坤[5]采用試驗方法研究了蒸汽系統(tǒng)管路在不同安裝工藝狀態(tài)下的振動噪聲特性，康力[6]對航空發(fā)動機外部管路振動響應(yīng)特性進行了計算，得到了低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用的結(jié)論；劉帆[7]采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元算法，針對管路內(nèi)、外敷設(shè)不同厚度橡膠層時，圓柱殼結(jié)構(gòu)水下振動與聲學(xué)特性進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)管路敷設(shè)橡膠層越厚，減振降噪效果越好。柯兵[8]介紹了潛艇用低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計方法的基本思路和計算方法，王強[9]研究了船舶管路系統(tǒng)中的袖套式橡膠撓性接管，該管路對流體脈動壓力大、脈動頻率低且頻率成分豐富的艙底泵輸出管路，取得了較好的管路減振效果。以上研究都是對工程實際中管路減振工作的有力推動。

與潛艇、艦船及航空發(fā)動機不同，水下航行器空間小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，造成管路長度極為有限，往往需要在有限空間內(nèi)設(shè)計出柔性較好的減振軟管，且必須承受高壓，這對軟管材料提出了更高的要求。為了降低水下航行器海水泵振動向殼體的傳遞，研制了由芳綸纖維編織的氫化丁腈橡膠制成的新型橡膠軟管。在海水泵泵臺試驗條件下，分別測試安裝橡膠軟管、剛性管時殼體端的振動能級，計算得到了橡膠軟管的插入損失，評價新型軟管的減振效果。

1 柔性橡膠軟管設(shè)計

海水泵入口管連接海水泵與水下航行器殼體，三者構(gòu)成了典型的柔性基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)，其簡化模型如圖1所示。對于隔振系統(tǒng)的隔振效果評估，常用的評價指標(biāo)由力傳遞率、振級落差以及插入損失。實際中，結(jié)構(gòu)間的力通常難以測量，因此工程實際中振級落差與插入損失較為常用。振級落差僅在基礎(chǔ)阻抗與設(shè)備阻抗相比小于1 時，才可近似反映隔振系統(tǒng)的隔振效果。

圖1 管路隔振系統(tǒng)簡化模型Fig. 1 The model of pipeline ribration isolation system

2 試驗對象及方法

2.1 試驗對象描述

海水泵入口管連接水下航行器海水泵與殼體，屬于非支撐管路。在管路設(shè)計過程中，充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性以及材料匹配性，研制以氯化丁腈橡膠制成的軟管。該橡膠軟管具有耐壓、耐腐蝕，剛度小、工作溫度范圍大等優(yōu)點。新研制的海水泵入口管如圖2所示。新型軟管由螺套、接頭、卡箍以及軟管段組成。接頭部分直接插入海水泵，螺套通過鋼管與殼體連接。

圖2 橡膠海水泵入口管Fig. 2 Rubber sea water pump inlet pipe

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗原理

試驗系統(tǒng)構(gòu)成及原理見圖3。海水泵安裝在試驗臺上，將海水泵入口管的輸出端安裝到海水泵輸入端，海水泵入口管的輸入端與試驗臺供水管連接，轉(zhuǎn)接頭通過殼體支架固定在試驗臺上。在海水泵入口管的輸入端（殼體支架）布置3 個加速度傳感器（軸向、徑向、周向方向各1 個）。開啟試驗臺，依次調(diào)整海水泵輸出參數(shù)，使海水泵達(dá)到規(guī)定的參數(shù)要求，測試系統(tǒng)分別記錄振動傳感器1（徑向）、振動傳感器2（軸向）、振動傳感器3（周向）所采集數(shù)據(jù)。在試驗系統(tǒng)中，加速度傳感器為PCB353B04，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS SCADAS Mobile SCM05，使用LMS.Test.Lab 軟件進行加速度測試。

圖3 試驗系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Test system schematic

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

計算各個測點在200 Hz～4 kHz 頻段及1/3oct 5 kHz頻段的加速度級，對橡膠軟管的減振效果評定采用插入損失。

插入損失計算公式為：

式中：L1為安裝剛性海水泵入口管時殼體的振動能級；L2為安裝橡膠海水泵入口管時殼體的振動能級。

3 試驗結(jié)果

3.1 1/3 倍頻程減振效果分析

不同背壓下殼體表面的插入損失如圖4 所示。從圖中可以看出：

圖4 不同背壓下橡膠軟管的插入損失Fig. 4 Insertion loss of rubber hose under different back pressure

1）630 Hz 以下頻段，在不同背壓下，海水管的減振能力大致相當(dāng)；在630 Hz 以上頻段，0.5 MPa 下殼體的插入損失最大，減振效果最好。

2）在350 Hz 以下頻段，橡膠海水管的減振能力較弱，在63 Hz，80 Hz，160 Hz，200 Hz，250 Hz 有振動放大現(xiàn)象，可達(dá)15 dB 左右，在350 Hz 以上頻段，橡膠海水管具有較好的減振能力，但是受殼體模態(tài)及駐波影響，在個別頻段的減振效果較差。據(jù)此可以推斷，海水管、殼體以及海水泵組成的隔振系統(tǒng)固有頻率應(yīng)該在350 Hz 左右；

3）在5 kHz1/3octave 與6.3 kHz1/3octave 時，隔振系統(tǒng)的插入損失達(dá)到15 dB 左右。在6300 Hz 以上頻段，橡膠海水管高背壓下的減振效果不及低背壓工況，0.5 MPa 減振效果最好。

3.2 不同頻段的減振效果分析

在10 kHz 以下頻段，安裝剛性海水管時，海水泵與殼體的振動均以離散譜為主要特征，安裝橡膠軟管后，在10 kHz 以上頻段，殼體離散譜線峰值消失，低頻段峰值有所下降。因此以10 kHz 為頻率劃分點，比較安裝橡膠海水管后隔振系統(tǒng)的插入損失，評價橡膠海水管在不同頻段的隔振效果。

10 Hz～10 kHz 以及10～25 kHz 的插入損失如表1所示。從表中可以看出：

1）在不同背壓下，10 Hz～10 kHz 殼體的插入損失為3.27～4.63 dB，這意味著在安裝海水軟管后，在該頻段內(nèi)殼體的振動能級降低了3.27～4.63 dB；

2）在10 Hz～25 kHz 頻段，殼體的振動能級降低了3.15～7.38 dB，其中0.5 MPa 背壓下，橡膠管減振效果最好。

表1 不同背壓下橡膠軟管的插入損失（dB）Tab. 1 Insertion loss of rubber hose under different back pressure（dB）

安裝橡膠海水管后，在10 Hz～10 kHz 頻段，海水泵的振動能級增大0.97～4.86 dB，10 Hz～10 kHz 頻段振動能級增大1.6～4.49 dB。其中，0.1 MPa，0.5 MPa背壓下振級增加較多。

4 結(jié) 語

采用插入損失方法評價了新型橡膠海水管的減振效果，通過對安裝剛性海水管與橡膠軟管情況下殼體支架的振動數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

1）橡膠軟管的隔振頻帶在350 Hz 以上，其中5 kHz 1/3octave 頻帶減振效果最好，可達(dá)15 dB；

2）與剛性海水管相比較，安裝橡膠海水管后，0.1～2 MPa 背壓下，殼體支架振動能級在10 Hz～10 kHz頻段振動能級降低3.27～4.63 dB，在10 Hz～25 kHz頻段振動能級降低了3.15～7.38 dB。