船用可曲挠橡胶接头隔振效果试验

段孟强，程用超，陈林雄，李耀飞，李 侃

（1. 海军驻葫芦岛四三一厂军代表室，辽宁葫芦岛 125004；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

0 引言

管路系统作为舰船的主要系统之一，连接舰船上所有的主、辅机械设备，是引起舰船辐射噪声的主要通道之一。管路系统是舰船上设备结构噪声传递仅次于结构性支撑隔振固定件的“第二声通道”[1-2]。为提高舰船的声隐身性能，降低第二声通道的设备结构噪声传递，国内外在舰船的管路系统中加入了大量的减振接管[3]。我国在二十世纪五六十年代已着手研制减振接管（主要通过仿制前苏联的相关接管），研发产品主要为25AB型和PXG型橡胶接管，而这些减振接管只起到位移补偿的作用，隔振效果不佳[4]。为打破欧美等发达国家的技术封锁，我国新开发了袖套式挠性接管和球形橡胶挠性接管[5]，其中，我国舰船常用的JYXR系列和JYXR(P)系列为袖套式挠性接管，CKXT系列和CKST系列为球形橡胶可曲挠接头。

针对舰船上大量的减振接管需求，如何选取减振接管型号、衡量各型减振接管的性能效果成为舰船设计研究工作者的主要工作。袖套式挠性接管平衡性好，耐压能力强，但隔振效果较差，常用于中高压管路系统；球形橡胶挠性接管泛用性强，隔振效果非常好，但耐压能力弱，常用于管路压力≯1 MPa的系统。而中低压管路在舰船管路系统中占较大比重，CKST系列橡胶可曲挠接头用途更为广泛。本文设计减振接管隔振效果试验台架，验证试验室测量船舶管路隔振性能的可行性，以进口金属软管和国产CKST橡胶接头为研究对象，通过试验测试对比其隔振效果，给各舰船设计研究者提供减振接管选取的试验依据。试验表明：在管路系统输送加压介质时，昂贵的进口金属软管在隔振效果方面相对国产的CKST橡胶可曲挠接头无明显优势。

1 隔振装置的基本原理

减振接管作为一种被动隔振装置，其隔振原理与一般隔振器的隔振原理类似，可以简化为弹簧和阻尼系统，其力学简化模型如图1所示，m1为近振源端等效质量，m2为远振源端等效质量，K为减振接管的等效刚度，Ce为减振接管的等效阻尼系数。

图1 减振接管力学简化模型

以激振器横向激励为例，F1为减振接管近振源端激励力，F2为减振接管远振源端响应力，那么该模型的力平衡方程为

式中：x1、x2分别为减振接管前、后法兰位移。

图2 隔振效率与频率比关系曲线

由图（2）可得以下结论：

1）当频率比λ＝1时，出现共振现象，减振接管将会放大振动。

2）只有当频率比λ＞2时，减振接管才有隔振效果。

3）当频率比 5＞λ以后，隔振效果变化不大，通常建议λ取2.5～5.0。

4）阻尼效应可有效减少共振时的振动放大倍数。

5）当频率比λ＜2时，增加阻尼反而会使减振接管隔振效果变差。

为了取得较好的隔振效果，减振接管系统应具有较低的固有频率和较小的阻尼；若共振频率激励无法避免且激励持续时间长，可适当增加减振接管系统的阻尼。以上结论可作为减振接管设计选型的参考依据。

2 减振接管隔振效果的试验研究

2.1 试验装置

图3 减振接管模拟试验台架示意图

用于检测接管隔振效果的试验装置如图3所示。图3中，AB段和CD段的管路均通过弹性马脚固定在基座上，管卡与钢管之间垫有工业橡胶，以保证弹性安装；BC段为可拆卸的被检测减振接管。

压力表和加速度传感器等测试设备都经过有关部门校准和标定，使用时均处在其有效期范围内。

2.2 试验对象

对比试验对象为金属软管及CKST系列橡胶可曲挠接头（CKSTDN80PN1.0），其几何尺寸见表1，实物图如图4所示。金属软管的安装状态有2种：自然安装和弯曲安装。自然安装时，金属软管为拉直状态；弯曲安装时，金属软管处于自然弯曲状态。

表1 减振接管物理数据对比

图4 减振接管实物

2.3 试验内容

2型减振接管隔振效果对比试验内容主要是在安装状态下检测减振接管两端法兰轴向和径向的振级落差。试验中，对接管进出口法兰振动状况进行实时检测。

用激振器对试验管段发出振动信号，信号类型为白噪声，频率范围0～12.8kHz。调节功率放大器使减振接管进口端振级保持一致。测试现场温度22 ℃，试验场地无外围振动信号干扰。试验台架如图5所示。

图5 隔振效果台架模拟试验

为对比测试2型减振接管的隔振效果，分别将CKST型橡胶接头和金属软管安装于图5所示的试验台架中，通过振动加速度计分别记录近振源端法兰轴向、径向和远振源端法兰轴向、径向的振动信号，计算得到减振接管前后的振级落差，进而分析各型减振接管的隔振效果。各工况的试验结果见表2。

表2 减振接管隔振效果对比

为横向对比CKST橡胶可曲接头自然安装下、金属软管自然安装下和金属软管弯曲安装下的隔振效果，分别取其在充水0 MPa和充水0.6 MPa这2个工况下的测试数据进行1/3倍频程分析，得到结果如图6和图7所示，可以将隔振效果定位到具体频段。

图6 管路充水0 MPa隔振效果分析

图7 管路充水0.6 MPa隔振效果分析

2.4 试验结果

根据表2所测减振接管在各工况下的隔振效果，可以得到如下结论：

1）在无水状态下，金属软管较国产橡胶接头隔振效果更佳。

2）打压状态时，在相同工况下，国产橡胶接头的隔振效果较金属软管高约15 dB。

3）充水打压后，金属软管的隔振效果急剧下降，并有随压力增大而下降的趋势；国产橡胶接头隔振效果虽也有下降，但幅度不大，趋势也不明显。

4）在打压状态下，金属软管径向隔振效果较轴向略好。

5）金属软管弯曲安装时，径向隔振效果较直线安装略有下降，轴向时的隔振效果下降趋势不明显。

根据图6和图7中的1/3倍频程分析，可将隔振效果定位到具体频段，得出如下结论：

1）频率范围在10～315 Hz时，2型减振接管均无明显隔振效果。

2）频率范围在315～8 000 Hz时，减振接管具有隔振效果，且在1 000 Hz以上时，隔振效果尤为明显。

3）在2个工况下，金属软管自然安装和弯曲安装的隔振效果区别不大。

4）在管路充水0 MPa时，2型减振接管的轴向隔振效果区别不大。

5）在管路充水0 MPa时，CKST橡胶可曲挠接头的径向隔振效果比金属软管略佳，且频率范围在100～1 000 Hz时尤为明显。

6）在管路冲水0.6 MPa时，CKST橡胶可曲挠接头的隔振效果明显优于金属软管，特别在315～4 000 Hz频率范围内尤为明显。

3 分析

根据隔振装置的基本原理和试验结果，对进口金属软管和国产橡胶接头的隔振效果对比试验现象进行分析：在无水状态下，进口金属软管和国产橡胶接头均处于较软状态，即刚度较小状态，使得系统固有频率较小，频率比λ较大，根据式（2）可知，λ越大隔振效果越好；而在打压状态时，进口金属软管和国产橡胶接头会变硬，即刚度变大，从而使得频率比λ变小，导致隔振效果变差。根据试验结果，进口金属软管在打压状态下的刚度变化非常大，大大降低了金属软管的隔振效果，而国产橡胶可曲挠接头在打压状态下的刚度变化不大，使得其隔振效果下降较少。

根据横向对比的1/3倍频程分析可知，减振接管的隔振效果主要体现在315～8 000 Hz中高频频率范围内，而在打压状态CKST橡胶可曲挠接头的隔振效果明显优于金属软管也是体现在315～4 000 Hz频率范围内。对于多自由度阻尼系统的受迫振动，运动情况比较复杂，数学模型无法准确进行模拟，特别对于减振接管类的管路系统，结构复杂、自由度多，具有很多阶复杂的固有频率。简单的数学模型只能较为准确地模拟出前几阶固有频率的振动特性，而对于中高频范围内的高阶固有频率振动特性只能根据经验公式来推断。

在隔振器的研究中，根据经验阻尼效应的隔振效果主要体现在中高频范围内，因此可以推断：减振接管的频率在315～8 000 Hz时，优异的隔振效果主要是由减振接管的阻尼效应导致的。根据图2可以看出：阻尼效应对减振接管在共振峰附近的隔振效果影响十分明显；而在315～8 000 Hz中高频段时，减振接管系统可能存在局部共振，CKST系列橡胶可曲挠接头的大阻尼系数更好地降低了共振峰，使其隔振效果明显优于金属软管。

4 结论

本文根据隔振理论，设计了船舶减振接管隔振效果的试验台架，并选用国产橡胶减振接头和进口金属软管进行隔振效果对比试验，验证了试验台架设计的可行性，为减振接管隔振效果的试验研究提供参考。同时，根据本文的试验研究成果，CKST系列橡胶可曲挠接头在隔振效果方面的隔振效果优于进口金属软管；就进口金属软管的优势而言，其在抗压和位移补偿能力方面的性能仍有待学者进一步研究。