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[振动控制] 动力装置的减振降噪

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发表于 2018-12-19 11:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  游艇是追求舒适性的,因此如何采用减振降噪措施,降低由振动源引起的艇体结构振动、降低由噪声源引起的空气噪声和结构噪声,就显得特别有意义。
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  一、激振力分析
  艇体结构产生振动的首要原因是螺旋桨和船艇主机的干扰力作用。

   · 对于螺旋桨而言,由于螺旋桨所处流场的伴流不均匀,当桨叶处在伴流峰值位置时,叶型在较大的来流攻角下产生较大的推力和切向力,随着桨的旋转,当桨叶处在较小的伴流中时,相应产生较小的推力和切向力,结果使传递到轴承上的力产生周期性的变化。同时螺旋桨在旋转时,每片桨叶均被压力场所包围,在旋转过程中,这些回转压力场就会在船底后部桨叶上方部位产生压力冲量(称为表面力),使得尾部船板上承受的压力产生周期性变化,产生振动和噪声。特别是当螺旋桨产生较大范围的空泡时,这种压力变化会有更大的幅值。对一艘小艇来说,尤其是高速艇,螺旋桨引起的振动和噪声对整个艇都有影响,使人感到不舒服,引起结构疲劳和过早损坏。

   · 对于船舶主机而言,活塞在燃烧混合气体的推动下,通过活塞杆、连杆、曲轴、轴承传递运动会激起机械振动,艇体结构振动同样也会由机舱辅机或其他设备如往复式压缩机、通风机引起。 在某种状态下,由波浪运动传递到艇体外板上的周期性的波浪力也会引发艇体结构产生振动。

  振动和噪声是共生的。当结构产生振动以后,这种往复运动传递到周边的空气场中导致了空气噪声;当振动在结构中传播至诸如舱壁、板格处再传递到空气中就导致结构噪声的产生。如果艇体材料是钢、铝等金属,内部阻力很小,所以结构噪声传播时能量损失非常小。玻璃钢艇体材料是一种很好的隔振材料,所以玻璃钢艇体产生的振动和噪声相对小得多。
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  二、减振降噪措施的采用
  1. 针对螺旋桨的减振措施

  我们知道,作用于螺旋桨的不均匀进流是导致振动和激起螺旋桨噪声的主要原因,因此改善艇尾伴流分布,提高尾流场的均匀性,可以起到明显的减振降噪效果。具体措施有:

  (1) 改良艇体尾部的线型。
  采用双尾、球尾、优秀的艇模系列以及艇尾加设尾鳍等,都能很好地改善尾部伴流。如果能通过船模试验对尾部线型进行优化,将会取得更好的效果。
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  一种改善尾部伴流的整流尾鳍的设置

  (2) 使用导管桨。
  许多情况下在螺旋桨外面安装一导流管证明可明显减小振动和噪声,这是由于导流管可以使伴流分布更加均匀。

  (3) 尽可能加大螺旋桨和艇体的间隙。
  螺旋桨与周围艇体间的间隙应尽可能加大,这样可以大大降低由螺旋桨产生的脉动压力场传递到艇体板的表面力。特殊情况下,当无法增大桨与艇体间的间隙时,采用特殊的减振装置——减振穴,会带来很好的减振效果。其主要原理是利用密闭的空气弹簧和水质量的吸振作用。
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  减振穴的设置

  (4) 选用大侧斜螺旋桨。
  大侧斜螺旋桨是指桨的叶片呈弯刀形,且叶梢向旋转的反方向倾斜。一般的高速艇螺旋桨都带有侧斜,选用该种形式的螺旋桨首先不会影响到螺旋桨性能,但可以大幅度减小螺旋桨的激振力。

  (5) 增加螺旋桨的桨叶数。
  桨叶数的增加可能会导致螺旋桨的敞水效率略有下降,但就表面力而言,形成空泡时螺旋 桨产生的压力冲量总是随桨叶数的增加而减少,并且能使该压力值保持在一个较低的量级上;同样的,随着桨叶数的增加,也会降低螺旋桨作用在轴承上的负荷,如果桨叶数为偶数时,效果更佳。

  (6) 选用环氧垫充料轴系安装工艺。
  浇注型环氧垫充料由高强度改性环氧树脂加人各种填料、助剂合成的。它最早用于机座垫片,后来推广到尾轴管、美人架的定位,是一种用途非常广泛的粘接、定位、承压材料。中小型高速艇上由于装机功率大,主机、轴系、美人架、螺旋桨引起的剧烈振动一直是高速 艇制造者困扰的问题。

  近来,一批高速艇采用环氧浇注型垫料来固定美人架使轴系振动大幅度下降,它不仅使美人架与艇体的连接强度增高,而且由于环氧垫料与钢铁的声阻抗不同而使噪声大大下降,有效地改善了高速艇乘坐的舒适性。
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  2. 针对机舱设备的减振措施

  机舱里的主机及其他辅机、减速齿轮箱等机器设备在工作时不可避免地会产生振动和噪声,并且噪声会以空气噪声和结构噪声两种形式同时存在,特别是当机器与结构刚性安装时,影响更甚。结合振动的特点及声音传播特性可以采取的减振降噪措施有:

  (1) 增加机座的尺寸和刚性。
  提高机座的刚性可以有效地降低由机器传递过来的振动幅度。从理论上讲,当机座的刚度足够大时,可以使机座的振动趋向于零,但由于增加刚性会导致结构尺寸的增加和重量的增加,对一艘尺度和重量都受到限制的小型游艇来说不够现实,因此还要兼顾经济性的考虑。

  (2) 采用弹性支撑和弹性连接。
  弹堆支撑一般是采用隔振器,有橡胶隔振器和金属隔振器等形式。橡胶隔振器的优点是价格便宜、不易塑性变形,缺点是高温下易老化及弹性变差、可燃。金属隔振器优点是抗水耐油,高温下不变形且维护方便,缺点是价格较贵。隔振器一般都是随机供应的,主机厂商会把隔振器的特性调整到与主机振动特性最匹配的状态。

  设备采用弹性支撑,因为机器在弹性机座上运转时不可避免地会产生上下、左右颤动,所以轴系同机器的联结同心度变差,必须采用弹性联轴器来补偿。弹性联轴器安装于主机输出轴与传动齿轮箱之间,它含有橡胶元器件,传递动力时允许有一定的轴向和径向位移及一定的角偏差,吸收了振动能量。当采用环氧机座垫片工艺来安装机器后,机器与机座的连接就由弹性支撑转变为刚性支撑,在刚性支撑的轴系中,如果对中(即轴系同心度)较好的话,那么弹性联轴器也是可以省去的。
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  (3) 敷设阻尼材料。
  在机舱的合适部位敷设阻尼材料。利用阻尼材料在其内产生拉伸、弯曲、剪切等变形,吸收大量的人射能量。它利用材料的黏弹性将部分振动机械能转变为摩擦热能而损耗掉,从而达到减振降噪的目的。除机舱外,在螺旋桨上方船底板处、主机座面板和腹板处、主机座前后艇体结构处、机舱前壁处,有时在与上甲板室邻接的机舱顶甲板处等位置进行敷设,都有利于降低振动和噪声的传播。

  船用阻尼材料目前主要分为片状粘贴材、阻尼钢板和涂料3种类型。早期的片状材料以沥青系列制品为主,价格低廉,来源广泛,但阻尼性能较差。随后出现的橡胶型片材因其阻尼性能较沥青材料有较大的提高,在船上得到广泛应用。但它也存在一难以克服的缺点,如对底材的表面处理要求相当严格,施工时需用特殊的胶粘剂粘贴,常因粘贴不牢在使用一段时间后脱落,导致阻尼性能下降。对于复杂结构(如碰钉、马脚、焊缝等) 和曲率较大的施工部位,橡胶型片材的应用受到限制。

  阻尼钢板是近几年开发出来的新型阻尼材料。该材料是将一层粘弹材料复合在两层相同厚度的钢板之间,形成所谓夹心阻尼结构,具有阻尼效果好,外表美观的优点;缺点是材料密度较大,剪裁困难,尤其是焊接工艺复杂,焊接过程中粘弹材料易燃烧损坏,影响其阻尼性能,同时由于其成本较高,应用受到限制。

  阻尼涂料作为一种新型的阻尼材料,因其具有制造工艺简单、施工方便、性能优异等特点, 发展极为迅速。初的阻尼涂料为溶剂型,以沥青为主要成膜物,加人其他的树脂、助剂、填料及有机溶剂混合而成,不仅阻尼性能差,而且易燃易爆,使用不安全,污染环境,应用受到很大限制。20世纪80年代中后期,国内外开始对水性阻尼涂料进行研究和应用开发,取得了较好的效果。水性阻尼涂料虽然解决了污染和易燃易爆问题,但存在干燥时间长,厚涂困难的缺点。在气温较低、湿度较大的情况下,该类涂料施工受到很大限制。目前已研制成功无溶剂阻燃型系列阻尼涂料,克服了以往船用阻尼涂料在阻尼性、工艺性、实用性等方面的诸多不足,成为综合性能较理想的阻尼材料之一。由于阻尼材料贴敷的成本较高,一般只在高档豪华游艇上使用。

  (4) 采用浇注型环氧机座垫片。
  在以往船艇用柴油机、甲板机械安装时,传统的方法是用钢铁块作机座垫片。与采用弹性支撑相反,精密安装的刚性垫片限制了机械振动的幅度,增加了机座的刚度,同样能起到减振的作用,且可以省去弹性联轴器。但这种方法施工工艺要求很髙,对轴系中心线与机器中心线的重合度(俗称“校中”)要求很高,不大适合小型游艇。现在有了JN-120A浇注型环氧机座垫片,不仅大大简化了施工工艺,而且由于这种材料的黏弹性与钢铁不同,振动和噪声在两种介质中传播会受到干扰和损耗,因此减振和降噪效果显著。
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  3. 针对机舱的降噪措施

  机舱里的噪声主要是各种机器发出的空气噪声,在某种情况下,也可能是第二噪声源以结构噪声的形式辐射出来,比如螺旋桨在尾舱板上激发出的结构噪声。一般来说,机舱的噪声都会在90dB以上,足以损伤人的听力,必须采取综合性的措施进行降噪处理。可以采取的措施主要有:

  (1) 选用低噪声的设备。
  在机舱机电设备选型时,选用低噪声型号,从源头上注意降低机舱的总噪声。吸声材料一般多采用多孔性材料或纤维性材料,诸如矿渣棉、玻璃纤维织物等。当声波传递到吸声材料内部结构中时,就会引起吸声材料的振动,导致材料间的相互摩擦,振动能转换成热能。 吸声材料一般用拉制的金属丝网或钢、铝质穿孔薄 壁板固定在机舱围壁和天花板位置处。这种结构形式必须注意两点:

    · 钢、铝质穿孔薄壁板的穿孔面积要达到30%以上;

    · 吸声材料不能被油烟所覆盖,不能油漆,否则会大大降低吸声性能。

  (2) 采用隔声罩。
  机器发出的噪声部分是结构噪声,部分是空气噪声。对于空气噪声部分可以采用隔声罩将机器封闭在有效屏蔽的罩壳空间内(除了必要的冷却水和空气进出口),在罩壳内部表面敷设吸声 材料。游艇用的柴油发电机组都是带隔声罩的。

  (3) 装设隔声屏障。
  声音的一个特性是遇到坚硬的表面时能非常有效地反射,如钢板能反射大约99%的声波,而且与声音的频率基本无关。隔声屏障要想取得明显效果,其高度尺寸要大于波长,所以隔声屏障适用于产生短波高频噪声的小型机械,在以反射声场占主导地位的机舱里很难起到令人满意的效果。

  (4) 进排气及通风管道中的消声。
  进排气、通风管道中的噪声也是机舱噪声的组成之一,采用安装消声器的方式可以有效降低噪声。消声器有两种结构形式:抗式消声器和阻式消声器。抗式消声器的原理是通过管道流通面积的变化,反射一部分人射声能来降低噪声。该种消声器结构简单,使用普遍,对一定的频段相当有效。阻式消声器的原理是通过吸收一部分入射的声能并将之转换为摩擦热能来降低噪声。这种消声器在一宽广的频率范围内都有效。
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  三、避免共振
  艇体结构在多种激振源和不同振动频率的联合作用下,设计参数选择不当时极有可能产生共振现象。在设计当中首先应该避免下述情况的发生:

    · 避免螺旋桨与艇体结构、主机及轴系发生共振现象。主要通过增加螺旋桨的叶数即叶频来避免与艇体结构、轴系的自然频率相近,避免主机的汽缸数、冲程数和螺旋桨叶数相等或成整数倍。有时通过调整螺旋桨安装角度,使螺旋桨推力激振力与曲轴纵振动激振力相抵消也是有效的方法。

    · 调整局部结构的形式。不同结构形式的固有频率是不一样的。当有共振发生的可能时,可采用调整局部结构的类型、设置支柱等方式来改变结构固有频率以避免共振。需要注意的是在振动节点处设支柱是无效的,在振幅最大处设置支柱最为有效。

    · 提高结构的刚度。在没有其他更好办法的情况下,可以加大结构尺寸规格来提高局部结构的刚度,加强局部结构的边界约束条件,从而降低结构对振动的响应值,将振动控制在可接受的程度上。

  来源:小贵族运动夏令营微信公众号

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