潘國雄，靖紅順，劉土光

（1．武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北武漢430060;2．華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

0 引言

最近，我們對具有代表性的DN32液壓管路和DN125海水管路通艙管件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)有限元數(shù)值仿真和臺架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在過流件和安裝件之間嵌入減振橡膠，能有效降低管路系統(tǒng)振動(dòng)通過通艙管件向艙壁和船體的傳遞［2］。為了實(shí)現(xiàn)彈性通艙管件的上船安裝，并達(dá)到彈性通艙管件原定的減振技術(shù)要求，進(jìn)一步對其開展了彈性通艙管件安裝偏差對隔振性能影響的試驗(yàn)研究。為此，根據(jù)實(shí)艇管路通艙管件安裝可能會出現(xiàn)的偏差情況，對DN32彈性通艙管件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一定的工藝安裝偏差，并進(jìn)行振動(dòng)測試。通過試驗(yàn)測試，評判不同的安裝偏差對DN32彈性通艙件隔振性能的影響。

1 安裝偏差設(shè)定與實(shí)現(xiàn)

1.1 安裝偏差設(shè)定

根據(jù)實(shí)艇管路通艙管件安裝可能出現(xiàn)的偏差情況，特設(shè)計(jì)了軸向安裝偏差、角度安裝偏差及組合安裝偏差［3］，如圖1所示。圖中實(shí)線為精確安裝，虛線為偏差安裝。

圖1 安裝偏差示意圖Fig．1Sketch map of installation deviation

根據(jù)DN32剛度數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，在實(shí)艇現(xiàn)有安裝工藝偏差控制能力的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)大了工藝偏差值。試驗(yàn)測試時(shí)所設(shè)計(jì)的工藝偏差值為:①軸向安裝偏差δ為1mm和3 mm;②角度安裝偏差α為1°，3°，5°，7°;③組合安裝偏差，則根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)軸向與角度組合安裝偏差。

1.2 安裝偏差實(shí)現(xiàn)

根據(jù)數(shù)值仿真的結(jié)果可知，在彈性通艙件精確安裝的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)偏差安裝需要很大的外力。因此，實(shí)現(xiàn)工藝安裝偏差必須設(shè)計(jì)合理的工裝件，該工裝件既要能施加很大的載荷，也要對被測試件的影響盡可能的小。在實(shí)驗(yàn)中，采用鋼索來實(shí)現(xiàn)力的傳遞，由于鋼索的剛度較小，且只傳遞拉力，不傳遞彎矩、壓力等其他類型載荷，這樣對原始模型的影響可以降低到最小。具體的偏差實(shí)現(xiàn)方法有3種。

1）軸向偏差

實(shí)現(xiàn)軸向偏差工裝件包括鋼索、可調(diào)式的支撐架及預(yù)緊螺母。圖2所示為正確安裝施加軸向偏差的工裝件，安裝完成后利用可調(diào)式支撐架上螺栓的旋轉(zhuǎn)在平面2個(gè)自由度內(nèi)微調(diào)施力點(diǎn)位置的機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)螺栓來調(diào)整可調(diào)式支撐架上的施力點(diǎn)，并采用2個(gè)百分表來監(jiān)測通艙管件的角度偏差（如圖3所示），使其只產(chǎn)生軸向偏差，而沒有其他方向上的線變形。以確保施力點(diǎn)在彈性通艙管件的軸線上。

軸向偏差達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，停止預(yù)緊，開始實(shí)驗(yàn)測試。

2）組合偏差

組合偏差的實(shí)現(xiàn)和軸向偏差基本一致，唯一區(qū)別是在實(shí)現(xiàn)組合偏差中的角度偏差時(shí)，通過平行移動(dòng)可調(diào)式支撐架的基座，使施力點(diǎn)不在彈性通艙件的軸向上。這樣在旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺栓時(shí)，通艙件除了會產(chǎn)生軸向偏差，同時(shí)也會有角度偏差。如圖3所示，軸向偏差可用百分表A測量得到，角度偏差可用百分表B和C測量計(jì)算得到。此時(shí)的角度偏差可能既不在水平面內(nèi)，也不在鉛垂面內(nèi)。

3）鉛垂面內(nèi)的角度偏差

實(shí)現(xiàn)角度偏差工裝件包括鋼索、支撐架及預(yù)緊螺母。在正確安裝支撐架時(shí)，應(yīng)盡可能確保通艙件只在鉛垂面內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，在水平面內(nèi)基本不產(chǎn)生。由于施力方向基本上位于鉛垂面內(nèi)且和通艙件的軸線垂直，因此在施加角度偏差時(shí)，通艙件基本沒有軸向偏差。

如圖4所示，采用百分表C監(jiān)測通艙件在水平方向上的角度偏差，百分表A和B分別頂在通艙件位于艙壁的兩端，用于記錄彈性通艙件在被向上拉伸時(shí)2個(gè)被測斷面在鉛垂面內(nèi)的移動(dòng)距離。利用扳手旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺栓則可實(shí)現(xiàn)角度偏差。角度偏差達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，停止預(yù)緊，開始實(shí)驗(yàn)測試。

2 隔振性能試驗(yàn)［2］

2.1 隔振性能試驗(yàn)測試與分析方法

隔振性能試驗(yàn)系統(tǒng)包括耐壓艙壁模型、試驗(yàn)臺架及振動(dòng)測量系統(tǒng)。振動(dòng)測量系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)等。整個(gè)系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 角度偏差實(shí)現(xiàn)示意圖Fig．4Sketch map of angle deviation realization

圖5 隔振性能試驗(yàn)系統(tǒng)Fig．5Performance of vibration isolation test system

在彈性通艙管件上施加各種不同的工藝偏差后，振動(dòng)能量從彈性通艙件向艙壁上傳遞的量級將發(fā)生改變。通過測量不同工藝偏差下艙壁上的振動(dòng)量級，以評判各種不同工藝偏差對彈性通艙件的隔振性能的影響。為了實(shí)現(xiàn)此目的，本實(shí)驗(yàn)首先測量并計(jì)算通艙件在沒有工藝誤差條件下（以下稱為自由狀態(tài)），艙壁上的振動(dòng)加速度級;然后測量并計(jì)算不同工藝偏差下，艙壁上的振動(dòng)加速度級，并與自由狀態(tài)下的結(jié)果進(jìn)行比較，以分析工藝偏差對隔振性能的影響。

在彈性通艙管件周圍的耐壓艙壁上均勻布置4個(gè)加速度傳感器，并連接整個(gè)測試系統(tǒng)（如圖5所示）。在相同的激勵(lì)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，分別測量測點(diǎn)處3個(gè)正交方向（軸向，周向和徑向）的振動(dòng)加速度。然后，采用合適的工裝件實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的安裝工藝偏差，并測量相同測點(diǎn)處的加速度響應(yīng)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

每一次測試都有多個(gè)測點(diǎn)，而每個(gè)測點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)剛度不完全一致，因此，在各個(gè)測點(diǎn)處測量得到的加速度響應(yīng)不完全一致。這就造成無法用1個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)來評價(jià)彈性通艙件的隔振性能。同時(shí)，由于測點(diǎn)是圍繞通艙件均勻分布，它們的振動(dòng)幅值可以代表不同方向上振動(dòng)能量從激勵(lì)處向外傳遞的情況。因此，所有測點(diǎn)振動(dòng)能量的平均值可以用來評價(jià)通艙件的隔振性能。設(shè)各點(diǎn)的振動(dòng)加速度級為L1，L2，…，Ln，從能量平均的角度出發(fā)，可以得到平均振動(dòng)加速度級計(jì)算公式［4］:

由于在1種激勵(lì)方向下各個(gè)測點(diǎn)測試了3個(gè)正交方向的加速度響應(yīng)，且3個(gè)正交方向上的能量是相互獨(dú)立的，為了便于多種工況測試結(jié)果的比較，將3個(gè)正交方向的振動(dòng)加速度響應(yīng)按能量進(jìn)行求和，作為在一種激勵(lì)情況下，振動(dòng)從激振點(diǎn)通過彈性通艙管件傳遞到模型艙壁上的振動(dòng)量級。其總振級求和公式為［5］:

式中:LA，LZ，LJ分別為在軸向、周向和徑向測試得到的平均振動(dòng)加速度級。

根據(jù)確定好測試順序進(jìn)行振動(dòng)測試，各個(gè)測點(diǎn)處的振動(dòng)加速度級計(jì)算頻率范圍:10 Hz～10 kHz，各測點(diǎn)的平均加速度級及總振級分別按照式（1）和式（2）計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)過程中，很難保證不同激勵(lì)系統(tǒng)輸出力的頻譜特性及量級完全一致。因此，為了能比較，特將各個(gè)測點(diǎn)得到的振動(dòng)加速度頻譜按照輸入的力譜進(jìn)行歸一化處理，即所有測點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜除以輸入的力譜。這樣得到的歸一化加速度振動(dòng)級就和激勵(lì)信號的量級及頻譜特性無關(guān)，其實(shí)質(zhì)上就是各個(gè)測點(diǎn)相對于激勵(lì)點(diǎn)的跨點(diǎn)導(dǎo)納H（ω），相應(yīng)的計(jì)算公式如下:

式中:SAA（ω）為測點(diǎn)處振動(dòng)加速度響應(yīng)自功率譜密度;SAF（ω）為測點(diǎn)處振動(dòng)加速度響應(yīng)與激振力的互功率譜密度。

2.2.1 無安裝偏差

為了能準(zhǔn)確比較各類安裝偏差的隔振性能，首先對彈性通艙管件無安裝偏差（自由狀態(tài)）進(jìn)行了激振試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

2.2.2 軸向偏差

在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)偏差時(shí)，由于與設(shè)定值完全一致比較困難，因此根據(jù)圖3百分表A的數(shù)據(jù)確定的實(shí)際軸向偏差值δ分別為1.07mm和3.04 mm。測試結(jié)果見表2，彈性通艙件所有測點(diǎn)歸一化的典型平均加速度頻譜如圖6所示。

由圖6可以看出，無論是軸向激勵(lì)還是水平激勵(lì)時(shí)，其平均加速度譜均比無安裝偏差時(shí)大，而軸向安裝偏差為1.07 mm和3.04 mm時(shí)當(dāng)頻率低于3 000 Hz，二者的加速度譜十分接近，但當(dāng)頻率大于3 500 Hz，則二者的均加速度譜相差較大。

2.2.3 組合偏差

組合偏差實(shí)現(xiàn)時(shí)，組合偏差中的軸向偏差值可直接從百分表A（圖3）讀出。根據(jù)百分表A的數(shù)據(jù)，實(shí)際的軸向偏差值δ分別為2.00 mm和3.07 mm。

在實(shí)現(xiàn)組合偏差時(shí)，通艙件鋼件部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)。其鋼件的剛度相對于橡膠部分要大幾個(gè)量級，因此可以近似將其處理為剛體。由于在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)中心難以確定，因此，在艙壁模型兩側(cè)設(shè)置測點(diǎn)，用百分表在2個(gè)正交方向上測量偏移量（如圖7所示）。2個(gè)測點(diǎn)間距L=L1+t+L2=120+13+210=343 mm，其中，t為艙壁模型壁厚，L1和L2為模型兩側(cè)測點(diǎn)到艙壁的距離。由圖7可知:

則其角度偏差可通過三角關(guān)系得計(jì)算公式為

組合偏差測量計(jì)算結(jié)果見表3。

針對這2種狀態(tài)，分別進(jìn)行振動(dòng)測試，測試結(jié)果見表4，彈性通艙件所有測點(diǎn)歸一化的典型平均加速度頻譜如圖8所示。

由圖7可以看出，無論是軸向激勵(lì)還是水平激勵(lì)時(shí)，其平均加速度譜均比無安裝偏差時(shí)大，而組合安裝偏差為軸向2.00 mm、傾斜角度0.95°和軸向偏差3.07 mm、傾斜角度2.44°時(shí)，當(dāng)頻率低于3 000 Hz，二者的加速度譜十分接近;但當(dāng)頻率大于3 500 Hz，則二者的平均加速度譜相差較大，且后者加速度譜值明顯大于前者。

2.2.4 角度偏差

在實(shí)現(xiàn)純角度偏差時(shí)，應(yīng)確保通艙管件不發(fā)生水平方向的偏移，只在鉛垂面內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，3個(gè)角度偏差狀態(tài)實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，水平偏移量在0.25 mm以內(nèi)，其數(shù)值要比鉛垂面內(nèi)的偏移量小1～2個(gè)量級。因此，可以忽略水平方向的轉(zhuǎn)角，而認(rèn)為通艙管件只在鉛垂面內(nèi)發(fā)生角度偏差。和組合偏差類似，在艙壁模型兩側(cè)設(shè)置測點(diǎn)，用百分表在通艙件最上端測量偏移量。2個(gè)測點(diǎn)間距L=L1+t+L2= 125+13+210=348 mm，2個(gè)偏移量測點(diǎn)的測量結(jié)果記為dA和dB。由此，偏轉(zhuǎn)角度可由式（4）計(jì)算得到，其測量結(jié)果列于表5。

圖8 具有不同組合偏差與無偏差彈性通艙管件所有測點(diǎn)歸一化的典型平均加速度譜比較Fig．8Typical average acceleration apectrum of all elastic pipe through bulkhead test with different combinatorial deviation and no deviation

針對這4種狀態(tài)，分別進(jìn)行振動(dòng)測試，測試結(jié)果見表6，彈性通艙件所有測點(diǎn)歸一化的典型平均加速度頻譜如圖9所示。

由圖9可明顯看出，無論是軸向激勵(lì)還是水平激勵(lì)時(shí)，其平均加速度譜均比無安裝偏差時(shí)大，且隨著角度偏差值的增大，其平均加速度譜也增大，但角度偏差α=0.99o與α=2.96o時(shí)的平均加速度譜十分接近。

3 結(jié)果分析

本試驗(yàn)是利用激振器對彈性通艙件進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，通過在艙壁上測量得到的振動(dòng)量級來評判不同工藝誤差對彈性通艙件隔振性能的影響。在結(jié)果比較中，可以認(rèn)為正確安裝的自由狀態(tài)是進(jìn)行振動(dòng)量級比較的基礎(chǔ)，即考察不同工藝誤差下，在艙壁上測量并計(jì)算得到振動(dòng)加速度總級與自由狀態(tài)比是變大還是減小。振動(dòng)級變大則意味著彈性通艙件的隔振性能變差，反之則意味著彈性通艙件的隔振性能變得更好。

通過分別針對軸向偏差、組合偏差和角度偏差等工況得到的振動(dòng)加速度總級進(jìn)行整理，并將最終結(jié)果分別列于表7。在表7中同時(shí)給出了各種不同工藝偏差與自由狀態(tài)下測試得到振動(dòng)加速度總級的增量，即增量（dB）為工藝偏差下振動(dòng)加速度總級（dB）與自由狀態(tài)下振動(dòng)加速度總級（dB）之差。

圖9 具有不同角度偏差與無偏差彈性通艙管件所有測點(diǎn)歸一化典型平均加速度譜比較Fig．9Typical average acceleration apectrum of all elastic pipe through bulkhead test with different angle deviation and no deviation

為了得到工藝偏差狀態(tài)下的插入損失，同時(shí)將本次試驗(yàn)的測量結(jié)果與剛性通艙件的測量結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果也分別列于表7中。剛性通艙件的測量結(jié)果參見文獻(xiàn)［6］，按照式（2）可得到3個(gè)正交方向的振動(dòng)加速度響應(yīng)的能量總級。

從表7中可以看出，隨著工藝偏差值的增加，不論是軸向偏差還是角度偏差，工藝偏差所造成的振動(dòng)加速度級增量也隨之變大。這意味著在安裝過程中的工藝偏差會使得彈性通艙件的隔振性能變差。

4 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，可得到一些有益的結(jié)論:

1）在各種不同的激勵(lì)情況下，在通艙管件無安裝偏差下測試得到的歸一化振動(dòng)加速度級頻譜曲線在大部分頻段上要小于在偏差狀態(tài)下得到的振動(dòng)加速度級。

2）工藝偏差影響插入損失的大小。在軸向偏差及組合偏差工況下，10 Hz～10 kHz范圍內(nèi)的插入損失達(dá)到10 dB。純角度工藝偏差工況下，1°和3°的插入損失達(dá)到10 dB，而5°和7°的插入損失達(dá)不到10 dB。

3）在純軸向偏差狀態(tài)下，當(dāng)偏差值約1 mm時(shí)，各種激勵(lì)工況下的振動(dòng)加速度級增量只有2 dB多;而當(dāng)偏差值達(dá)到3 mm時(shí)，各種激勵(lì)工況下的振動(dòng)加速度級增量最大達(dá)到5.18 dB。

4）在純角度偏差狀態(tài)下，當(dāng)角度偏差約為1°時(shí)，各種激勵(lì)工況下的振動(dòng)加速度級增量最大約4.07 dB;而角度偏差為3°和7°時(shí)，振動(dòng)加速度級增量就分別超過了7 dB和10 dB，這表明角度偏差值變大時(shí)，彈性通艙件的隔振性能惡化了。

5）在組合偏差下，當(dāng)δ=2.00 mm，α=0.95°時(shí)，振動(dòng)加速度級增量最大為2.58 dB;而當(dāng)δ=3.07 mm，α=2.44°時(shí)，振動(dòng)加速度級增量達(dá)到了5.45 dB，其隔振性能要略差于純軸向偏差δ=3.04 mm時(shí)的狀態(tài)。

6）如果以插入損失達(dá)到10 dB為限，則應(yīng)以δ= 3 mm和α=3°偏差值為實(shí)際允許的安裝偏差上限。

致謝:本隔振性能試驗(yàn)得到華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院李天勻、李威、朱翔和劉敬喜等老師的熱忱支持與幫助，值此表示衷心感謝!

［1］朱石堅(jiān)，何琳．船舶機(jī)械振動(dòng)控制［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2006:26－27．

［2］金翔．中國國防科學(xué)技術(shù)報(bào)告——彈性通艙管件的研制［R］．武漢:中國船舶重工集團(tuán)公司公司國營四三八廠，2008．

［3］金翔，胡毅，靖紅順．中國國防科學(xué)技術(shù)報(bào)告——彈性通艙管件安裝工藝研究［R］．武漢:中國船舶重工集團(tuán)公司公司國營四三八廠，2009．

［4］趙玫，周海亭．機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［5］王佐民．噪聲與振動(dòng)測量［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．

［6］DN32與DN125彈性通艙件振動(dòng)特性檢測報(bào)告［R］．武漢:中國船舶重工集團(tuán)公司公司國營四三八廠，2008．