船用甲板起重机噪声分析及控制措施

2020-11-27陆兆鹏

船舶标准化工程师 2020年3期

关键词：噪声控制联轴器船用

叶凯，陆兆鹏，江辉

（武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084）

0 引言

近年来船舶噪声问题越来越引起关注。船舶噪声不仅对随船工作人员的工作环境及健康等造成不利影响，还给航行区域的海洋环境以及停泊作业的港区环境等带来噪声污染。

2012年11月30日，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第91次会议正式通过《船上噪声等级规则》，明确船舶相关区域噪声限值要求。该《规则》作为强制要求，于2014年7月1日起正式实施。营运船舶噪声级标准日趋严格。

1 船用甲板起重机噪声问题现状

船用甲板起重机作为布置在船舶甲板上的配套设备，在船舶航行期间处于存放状态，在船舶靠港进行货物装卸时投入使用。此时甲板起重机产生的噪声会对船舶值班站和居住处所产生影响，需执行《船上噪声等级规则》中的相关要求，“当船舶货物装卸设备的噪声可能导致受其作业影响的值班站和居住处所的噪声高于最大噪声级，应进行测量”。《规则》中对船舶值班站和居住处所的噪声级限值有明确要求，但由于起重机噪声仅仅是船舶值班站和居住处所噪声级的影响因素之一，并不能得出甲板起重机工作时的噪声级限值要求。

另一方面，甲板起重机通常是由码头工人进行操作使用的，起重机噪声大小直接关系到码头工人的作业环境和身体健康。相关研究表明，作业环境噪声超过一定值，就会对人员的作业效率产生明显的负面影响，严重的，将引发操作失误，造成安全事故。有鉴于此，《国际劳工组织》第152号公约《码头作业安全和卫生公约》明确要求工作场所应采取合适的措施，防止作业人员承受超标噪声产生的有害影响。但《公约》并未给出允许的噪声标准。

最后，船用甲板起重机作业时产生的噪声也成为了港口噪声污染的一个组成部分。据了解，欧洲港口组织（ESPO）与欧洲生态港（EcoPorts）会定期监察欧洲港口当局的环保优先级。该组织 2004年的调查结果，将噪声问题列为欧洲港口业界优先关注环保问题的第五位；2009年的调查结果，将噪声问题列为欧洲港口业界优先关注环保问题的首位；而2016年的监测数据，则将噪声问题列为第三位，前两位分别是空气质量和能源消耗。尽管港口噪声问题长期以来就是港口环保问题的重点关注对象，但对于船用甲板起重机的噪声其实并未有专门的论述。

综上所述，目前并无专门的规范或明确的标准，来对船用甲板起重机的噪声级限值做出规定。但随着船舶整体噪声限值要求越来越严格，相关码头作业规范的日趋完善，以及港口环境噪声问题获得的广泛关注，船用甲板起重机噪声问题终将得到重视，出台必要的规范或标准，明确其噪声级限值要求。

2 船用甲板起重机噪声来源分析

船用甲板起重机按照动力源主要分为电动液压型和纯电动型。由于电动液压型甲板起重机的噪声来源比纯电动型更加复杂多样，且实船配套数量上也更多，因此本文将着重分析电动液压型船用甲板起重机的噪声来源。

根据起重机传动部件的类型，可以将噪声来源归为机械噪声和液压（流体）噪声两大类。

2.1 机械噪声

机械零部件之间，由于传动过程中出现的撞击、摩擦和振动等，会产生不同程度的噪声。当撞击、摩擦和振动等超出合理的设计范围，可能使噪声达到无法接受的程度。船用液压起重机机械噪声主要包含电动机噪声、联轴器噪声以及减速机、滑轮等其他机械传动部件噪声。

2.1.1 电动机噪声

电动机根据其组成结构和功能原理，运行时发出的噪声主要有机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声。电动液压起重机通常配有一个主电机和一个冷却系统用电机。

机械噪声由低频噪声和高频噪声2个部分组成。低频噪声通常来自于电机自身的内部结构，高频噪声则需要考虑其安装的合理性，以及与外部结构如基座间的共振。电磁噪声主要是电机中周期变化的径向电磁力或不平衡的磁拉力使铁心发生磁致伸缩和振动所引起。电磁噪声还和内部回转结构本身的固有物理特性有关。空气噪声包括散热风扇、旋转的转子和气流沿风路流动时形成的气流噪声。

2.1.2 联轴器噪声

联轴器用于电动机轴与液压泵组轴之间的联接。当起重机操作时，电动机通过联轴器将能量传递出去，联轴器在一定载荷条件下做高速回转运动。由于电动机轴线与泵组轴线不同心，导致联轴器做高速非对称回转运动时，出现振动，从而产生机械噪声。

2.1.3 制动噪声

带式制动器是液压甲板起重机上较为常见的制动装置。其工作原理为，当起重机进行动作制动时，液压油缸通过动作传导，使制动器刹车片与机构制动轮表面接触，利用摩擦力实现动作停止，完成起重机的制动。在此过程中，由于刹车片与制动轮的接触面逐渐变大，摩擦力从滑动摩擦转变为静摩擦，因此会产生一定的摩擦噪声。噪声的大小与操作起重机的激烈程度、刹车片与制动轮的圆周方向和沿轴方向的贴合程度有关。

2.1.4 其他机械噪声

甲板起重机的其他机械传动部件，如滑轮组、钢丝绳以及吊钩组等，在运行过程中均存在一定程度的碰撞、摩擦等，都会产生不同程度的噪声。

2.2 液压噪声

液压系统中，由于油液的流速、压力等的突然变化，与泵、马达、阀件以及液压管路等的相互作用，产生噪声；而油液中混入的空气，因压力变化导致产生的气泡破裂，造成强烈的液压冲击从而形成噪声。对泵和马达而言，上述噪声原理类似。下文仅对泵的噪声进行展开论述。

2.2.1 泵的噪声

液压泵的工作过程可视作连续的吸油和压油循环，由此带来液压油周期性的压力和流量脉动，使泵体产生振动，带来噪声。其次，吸油腔和压油腔在泵的工作过程中频繁互通，造成流体介质流量和压力的突变，出现噪声。再次，具有较高流速和压力的流体介质，在泵内部流道内运转，随着泵内流道截面的扩大或收缩，以及流道方向的急剧变化，形成流体冲击噪声。最后，泵自身转动部分的不平衡，也会引起一定的噪声。

2.2.2 阀的噪声

阀件的噪声一方面包括阀芯与阀体结构间相对摩擦和振动产生的机械噪声，另一方面来自于其功能实现过程中的流体噪声。节流阀、换向阀以及溢流阀等功能阀件，作用时内部油液在流速、方向和压力上均会发生变化，造成阀件本体以及相关管道内壁冲击振动，从而形成流体噪声。

1）自激振噪声。对于压力阀、单向阀等阀件，阀芯由弹簧支承，在管路系统压力油的作用下，形成一个相对稳定的质量——弹簧振动阻尼系统。当外部条件变化打破阀件平衡时，阀芯会在油液压力脉动或其他振动的作用下，产生自激振动和异常噪声。系统压力越大、油液温度越高，阀件的这种自激振动噪声就越容易出现。

2）液压冲击噪声。当液压阀实现其功能时，会将某个系统油路断开，或者使2个压差较大的油路连通。在这2种情况下，均会因为局部压力突然升高而形成液压冲击，带来振动和噪声。进一步，这种冲击将通过管路传播到系统中的其他元件，又产生新的振动和噪声。

3）高频振动噪声。当阀件的阀芯与阀体工作部分之间的间隙，由于原始缺陷或使用后的磨损而加大，会造成阀芯在工作时发生不规则振动，使得液压阀处于不稳定的高频振动状态，产生高频噪声。

2.2.3 气穴和管路冲击噪声

液压流体介质中混入少量空气，因压力变化导致产生的气泡破裂，附近的液压油将会迅速补充，因局部冲击而产生流体噪声。另外，流体介质根据液压系统功能设计在元件和管路中运行。随着管路流向、截面的不断变化，流体介质的压力、速度也随着发生变化，不断对液压管路造成冲击，产生冲击噪声。

2.2.4 冷却风机噪声

冷却风机通过风扇高速转动，将液压流体中的热量散发到环境空气中，实现系统的冷却。冷却风扇在转动过程中也会产生一定程度的噪声。

3 船用甲板起重机噪声控制措施

3.1 噪声控制原则

噪声控制应坚持科学性、先进性和经济性的原则。科学性是指在处理噪声问题时，应通过分析确定噪声种类和频率特性，采取合理的降噪措施。先进性是拟实施的降噪措施，要在最大限度上兼顾原有设备技术性能的基础上，切实可行。经济性则是充分考虑降噪方案的实施成本。所采用方案的降噪效果只要能满足相关标准规定即可，而不是一味追求将噪声控制在更低水平。

3.2 噪声控制途径

根据噪声传播的一般形式，其控制途径包括噪声源的控制、传播途径的控制和接受者的防护。

噪声源的控制是噪声控制中最根本和最有效的方法。对于不满足噪声要求的设备，通常可以：1）更换声学性能更佳的设备；2）对设备采取减振降噪措施。

当对噪声源采取措施之后仍达不到总体降噪要求时，就需要在噪声的传播途径上直接采取声学措施，包括吸声、隔声、阻尼减振等常用噪声控制技术。

噪声控制的最后一环是个人防护。对于噪声强度很大但是人很少去的地方，根据经济性原则，可以考虑人员被动保护方案，如可以带上耳塞、耳罩或防声头盔等，减少噪声造成的伤害。

3.3 船用甲板起重机噪声控制措施

根据甲板起重机噪声来源分析，以及实践中对各噪声源的噪声贡献评价，确定噪声控制措施如下。

3.3.1 机械噪声控制

对于电动机的噪声控制，首先应在满足功能和使用需求的前提下，选择功率较小、品牌可靠的电机，以降低电机工作时的电磁噪声和散热风扇噪声。其次，制订合理的安装方式，提高电机与基座连接的稳定性，在基座上设置减震垫，减小电机工作时的振动，实现对噪声的控制。最后，在满足散热需求的基础上，可以给电机安装隔声罩，有效降低电机运行时对周围环境的噪声影响。

研究表明，当电动机与泵组同轴度大于0.02 mm时，就会出现明显振动，发出噪声；当同轴度超过0.08 mm时，振动将变得强烈，噪声很大。因此，联轴器的噪声控制，关键在于提高联轴器安装时，电动机与泵组间的同轴度。另外，选择弹性联轴器，也能有效降低系统工作时联轴器的振动和噪声。

起重机制动器噪声首先和刹车片与制动轮间隙的均匀性有关，但实际上也和吊机的操作手法有关联，使用过程中的急停急起当然会引起较大的制动噪声。因此对起重机制动噪声的控制，一方面要提高刹车片与制动轮之间在圆周和轴向上的间隙要求，实现制动时刹车片与制动轮的同步贴合，减小制动噪声；另一方面，对于操作者也应进行适当的提醒与提示，避免野蛮操作而带来的噪声。

3.3.2 液压噪声控制

对于液压泵的噪声，应根据系统设计需求，合理选择液压泵的额定工作压力、排量等，降低泵内液压冲击；同时在泵的进出口管路设置上，在满足流量需求的基础上，应尽可能使管路流向的变化区域远离泵组。另外，在做好泵组安装的前提下，仍可以考虑隔声罩的选用。

由于液压阀件通常会引起高频噪声，因此在设计时，控制阀件应优先考虑采用液压软管。另外，合理选择阀件规格，也是进行阀件噪声控制的重要措施。

对于气穴引起的噪声，一方面应在系统中设计有效的放气装置，减少混入系统中的空气。另外，应向操作者明确，起重机在新加油或更换油液时，应进行充分的排气操作。