往复泵噪声和振动产生机理分析及降噪对策
摘要： 往复泵噪声和振动的大小，对于提高潜艇的隐蔽性来说，具有非常重要的意义。本文通过一定的分析，找出潜艇用往复泵产生振动和噪声的主要原因，进而有针对性地提出了往复泵的减振降噪措施，对潜艇往复泵性能的改进提高具有一定的借鉴意义。
Abstract: The size of the reciprocating pump"s noise and vibration has very important significance for improving concealment of submarine. In this paper, the main reasons of producing vibration and noise for the submarine"s reciprocating pump are identified through the analysis, and then, targeted measures of vibration attenuation and noise reduction of reciprocating pump are put forward, which has the reference for improving submarine"s reciprocating pump performance.
关键词： 往复泵；噪声和振动；产生机理；对策
Key words: reciprocating pump；noise and vibration；mechanism of production；countermeasures
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0027-02
0 引言
往复泵是潜艇保障系统中不可或缺的疏水机械，主要是用来疏排平时舱底积水和生活污水，以及特殊情况下的舱底疏水和均衡疏水。由于该泵易满足高背压的使用条件和适应舱底积水及生活污水等介质环境，特别是在设备出现故障时，能够自然阻断舷外压力，其安全特性比较好，该泵一直沿用至今，具有不可替代的作用。正因如此，其性能的优劣有着非常重要的意义，特别是对于潜艇而言，尤为重要。而往复泵由于自身工作原理、工作过程、本身结构、加工制造、使用管理等因素，会产生一定的噪声和振动[1]。如果噪声和振动得不到有效的控制或消除，对外部环境来说会形成噪声污染，危害艇员的身心健康，影响其它仪器设备的正常工作；对于机械及系统本身来说，会使其使用寿命减少和可靠性降低；更为重要的是对潜艇来说，会使整艇的噪声越来越大、隐蔽性不好，敌方不难探测到我们，进而降低其执行任务的能力。因此，对于往复泵而言，分析其噪声产生的原因和机理并采取相应的减振降噪措施，对于增强潜艇的战斗力显得尤为重要。
1 往复泵噪声和振动产生的原因
往复泵的产生噪声和振动的主要原因有[2][3][4][5]：一是机械本身产生的噪声；二是参与流动的液体的脉动；三是管路系统的机械共振；四是液体在管路中的流体噪声。
1.1 机械本身产生的噪声
1.1.1 吸排水阀工作时撞击产生的噪声和振动 吸排水阀是控制液体流动方向的主要部件，每组水阀的阀片和阀座之间的敲击频率很高。而且吸排水阀的阀座与阀片均为钢制，敲击声非常清脆，频率又高，加之排出腔压力高，且液体流动不均匀，有脉动，这样就形成了较大的噪声和振动。
1.1.2 减速机构和传动机构产生的噪声 往复泵是一种必须采用减速机构的机械，以将电动机的高速旋转减低为泵的正常工作速度。就其蜗轮蜗杆减速机构和曲柄连杆传动机构而言，本身就不难造成比较大的振动和噪声，特别是当曲轴轴颈与连杆瓦间隙非常大、各个零部件加工和安装精度低时，振动和噪声更大。
1.1.3 往复运动的活塞惯性力和曲轴转矩的不平衡产生的振动和噪声 由于曲柄连杆机构传递的特性，活塞在液缸内的运动速度是不均匀的，其速度与加速度是分别按照正弦波和余弦波来变化的，因此，往复泵的活塞在运动过程中就会产生较大的惯性力，从而造成噪声和振动。曲轴是带动连杆机构运动、实现将旋转运动转变为直线往复运动的关键部件，如果平衡摆铁不能很好的平衡曲柄的转矩，那么，机械运转过程中就会产生曲轴的振动并由此产生噪声。
1.1.4 往复泵的工作状态 振动和噪声受到往复泵的工作状态的影响不小，噪声响度随着转速、压力、功率的增加而提高，相比之下，转速的影响比压力的影响要大。
1.2 参与流动的液体的脉动 我们把管道系统内所容纳的液流叫做液柱。因为液体是有质量的，可以被压缩、膨胀，因此液柱跟弹性的振动系统很像，给它点激振力，就会形成振动。往复泵运转时，因为吸入和排出具有不连续性，加上活塞的变速运动，泵和管路中的流量和液流压力会发生变化，而且这种变化具有周期性，我们把此现象叫做液流的压力脉动或者“水锤现象”。由于输送高压介质，加之往复泵吸入和排出的不连续性，使流量和液流压力表现出周期性变化，在管壁和液体的弹性作用下，这种压力脉动立即在管内传递，速度很快，管壁遭到液体的锤击，并且传播的越来越远。脉动力在影响管内流体的同时，泵体受到流体脉动反射波的影响，使泵组绕机组轴向回转及横向振动。通常情况下，传动端（电动机）的噪声比高压往复泵液力端产生的噪声要小。
1.3 管路系统的机械共振 由管子、管件和支架组成的管系是一个弹性系统。根据支架形式、管道布置、位置及边界条件的差异，系统有其固有振动频率。若泵作用于管道的激振力主频率和管系的固有频率大小相同，会使结构产生共振，造成的机械共振比较大。并且在往复泵基频的整数倍时，也就是说发生谐振时，造成的振动噪声能量是非常大的，但是频率越高，声音的响度越低，同时，若吸排液阀行程稍有差异，就会在其基频或其高次谐波下产生振动噪声。
1.4 液体在管路中的流体噪声 液体流动时由于液体内部、液体和管壁之间都有摩擦力存在，液体流过管口、弯头、突然变化的截面等处，由于流速的大小或方向发生急剧变化，或因流速等变化造成的压降引起了介质的汽化而产生空穴现象（也称“汽蚀现象”），都会产生噪声并引起振动，向外传播。
2 噪声向潜艇外传播的途径
往复泵所产生的噪声和振动，总会通过一定的途径向外传播，严重影响了潜艇的隐蔽性。其主要传播途径有：
2.1 通过潜艇固壳向外传播 由于往复泵及其管路系统都是直接或间接与固壳相连的，故而，往复泵及其管路系统所产生的噪声和振动在很大程度上是以机械波的形式通过固壳向外传播的。
2.2 通过系统管路中的液体（主要是水）向外传播 如果往复泵输送的液体直接排到舷外，那么往复泵及其管路系统所产生的噪声和振动将会以声波的形式传播到潜艇外环境中，易于被敌人所侦测，从而使潜艇暴露目标的几率大大增加。
3 减振降噪对策
不管是对于何种噪声和振动，总的来讲，减振降噪措施可分两种：主动减振降噪和被动减振降噪[3][5][6]。在机械的基本结构或运行状态得到改善的情况下，进而使噪声源和振动源所产生的能量强度得到最大程度的限制的措施叫做主动减振降噪；被动减振降噪，就是运用合理的措施，尽量控制噪声和振动的传播途径来达到减小或阻断噪声和振动传播的目的。
3.1 主动减振降噪措施
3.1.1 总体结构设计上 据研究，对于往复泵，多缸泵的流量脉动率较小（脉动率随着缸数增加而变小），且偶数缸泵脉动率比奇数缸泵要大。同时，脉动率小的泵其结构振动也会相应减小。因此，在条件允许的情况下，潜艇选用往复泵可尝试3缸泵。
3.1.2 阀组材料选用 现有的潜艇用往复泵，其吸排水阀的阀片和阀座的材料为钢制，相互撞击时产生的噪声较大，这个问题多年来没能得到妥善解决。随着材料科学技术的不断发展，选用新型低噪声材料加工阀片和阀座成为可能，如：采用特种多孔吸声材料，或采用带有有机夹层的特种吸声钢材，或采用具有相当的强度的非金属材料等，均可达到降噪的目的。
3.1.3 提高机械的整体加工、安装精度 一是提高整体的零部件加工精度，使零部件之间的配合更加紧密，减少振动产生的可能性；二是提高装配精度，如电动机轴与泵轴的同轴度、泵轴及曲轴与相应轴承的同轴度、曲轴轴颈与连杆轴瓦配合间隙的合理选择、曲轴平衡摆铁的平衡性能等都要有更高的精度要求，并且装配完成后，要对运动部件进行平衡试验，以取得最小的噪声和振动产生能量。
3.1.4 对部分零部件采取特殊措施 主要是针对齿轮或蜗轮传动来考虑：使齿轮或蜗轮啮合噪声越来越小。可采用轮齿修形法将齿顶尖棱按曲线方程（抛物线）修成弧形；可采用弹性辐板齿轮（蜗轮），使接触冲击噪声变小。
3.1.5 增加阻尼 如对润滑机械时，可使用高粘度润滑油；在噪声源部位涂挂阻尼材料等措施，以增加对噪声传播到抑制。
3.2 被动减振降噪措施
3.2.1 机械的整体安装 可将机械整体安装在专用、高效的减振座或减振浮筏上，再将减振座或减振浮筏与固壳连接，这样，可以有效地使机械的噪声和振动在传递到固壳前得到衰减。
3.2.2 增加气室，吸收脉动 在泵的进出口管路上装设气室，其作用和工作原理类似于液压系统的蓄能器，可有效地吸收系统产生的脉动。但在选用气室时，必须要对泵及缓冲系统进行动态匹配，以便我们能够得到最好的减振降噪效果。此种方法虽可行，但同时也使得系统结构更加复杂。
3.2.3 增加管路消振器 由于管路消振器非常明显的减小了管路流体脉动压力以及管路机械振动，故而在泵的出口管路上安装消振器，可有效地降低噪声通过液体向艇外传播的强度，提高潜艇的隐蔽性（对振动和噪声及脉动的衰减总体上可达14～20dB）[5]。
3.2.4 采用挠性接管 在泵的进出口与吸排管连接处安装挠性接管，取代现有的吸排管与泵的进出口直接相连的刚性连接方式，在一定程度上可有效地降低系统管路的振动。
3.2.5 改变管路系统的固有频率 对于由机械共振引起的振动和噪声，可在管道结构改变的情况下，使管道的固有频率远离激振力主频率，努力降低机械共振（谐振）的可能性。
4 结束语
解决往复泵振动和噪声，不是一个简单的问题，它是个综合性问题，它涉及到机械设备的设计、使用管理、加工制造、介质流动状况、检修人员的检修质量等，在这方面投入更多的分析和研究，对于潜艇的作战、训练意义重大。
参考文献：
[1]徐世勤，王樯.工业噪声与振动控制[M].北京：冶金工业出版社，1999.
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[3]黄义刚，朱荣生.泵振动原因及其消除措施[J].排灌机械，2007，25（6）：56-59.
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[5]宋玲.往复泵管路振动的分析与治理[J].湖北化工，1997，2：58（1）.
[6]崔洪峰，李光华.艇用往复泵组的振动分析与防范措施[J].中国修船，2005，6：26-27.
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