船舶管系安全及震动防护研究

PAGEPAGE5摘要舰船输流管道系统的振动问题不仅具有广泛的应用前景，而且对舰船的安全性也具有很大的影响。复杂管道系统是在不同类型的电力设备之间进行油气等流体输送的媒介，其与电力设备连接并分布在舰船的机舱内，因多种因素引起的管道系统的震动，将会极大地降低管道系统的服役寿命，并对舰船的安全构成威胁。为此，本项目将针对我国大型船舶在建成后不久就发生的供油管道振动问题，开展供油管道振动产生机制的理论与实验研究，探索供油管道系统的构造及内部流场波动对供油管道系统振动的影响规律，提出抑制供油管道振动的方法。通过理论计算和试验测试，我们可以看出：当舰船管道系统使用单纯的直线缺陷限制时，它的轴向限制性能很差，很容易造成管道系统的强度下降或者破坏，从而使管道系统的整个系统的自振频率下降，当它与主机的振动激发频率相近时，就很容易发生管道共振。在柴油机运行时，油压波动引起的油管产生较强的振荡效应；在提高缺陷限位的同时，增加管道的粗细，可以显著地提高产品的轴向限位性能；增加储油罐，减小卸油口的压力波动，使卸油口的压力波动得到明显的减弱；这对减少管道系统的振荡是有利的。关键词：管系；振动特性；压力脉动；在线监测AbstractVibrationofmarinepowertransmissionpipingsystemshasabroadengineeringbackgroundandisanimportantfactoraffectingthesafetyperformanceofmarineenginerooms.Asacarrierforthetransportationofoil,water,gasandotherfluidsbetweenvarioustypesofpowerequipment,thecomplicatedpipingsystemisconnectedtovarioustypesofpowerequipmentandisarrangedintheship'sengineroom.ThepipelinevibrationduetovariousreasonsseriouslyaffectsthepipingsystemMakeTheservicelifethreatensthesafetyoftheship'sengineroom.Therefore,inthispaper,inconjunctionwiththevibrationofthemainenginefuelsupplypipeintheearlystageofaship'sconstruction,thein-depthanalysisoftheformationmechanismofthetransmissionpipelinesystemvibrationproblemiscarriedout,andtheeffectofthepipelinesystemstructureandinternalfluidpulsationonthepipelinesystemvibrationResearchinordertoobtaineffectivemeasurestoreducethevibrationproblemofthefuelsupplypipingsystemoftheship'smainengine.Analysisofnumericalsimulationandexperimentalmeasurementresultsshowthatwhentheship'spipingsystemadoptssimplelinearfootrestraint,itsaxialrestraintcapacityispoor,anditispronetoweakenorfailtheaxialrestraint,resultinginareductionintheoverallnaturalvibrationfrequencyofthepipelinestructure.Whenthevibrationexcitationfrequencyofthehostisclose,thepipelineresonancephenomenoniseasytooccur;duringtheoperationofthehost,thepressurepulsationofthefuelformsastrongvibrationexcitationeffectonthepipeline;byusingthestrengthenedhorselegrestraintstrengthandthethickenedpipelinesize,itcanGreatlyenhancetheaxialrestraintability;byaddingaccumulatorsandreducingthefueltransferpressure,thepressurepulsationintensityisgreatlyattenuated;itishelpfultoreducethevibrationofthepiping.Keywords：piping;vibrationcharacteristics;pressurepulsation;onlinemonitoring

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 51.1研究背景及意义 51.2船舶输流管系振动产生机理 51.2.1研究目的机械结构振动引发管系振动 61.2.2管内流体压力脉动引发管系振动 91.3国内外管系振动研究现状 111.3.1国内研究现状 111.3.2振动测试技术研究的发展 131.4本文研究的主要工作 151.4.1研究方法 15第2章输流管系振动特性分析与振动控制的方法 172.1管系结构振动特性分析基本方法 172.1.1结构解析模态分析法 172.1.2结构试验模态分析法 182.2管内流体压力脉动分析 192.2.1管系内部流体压力脉动的产生原因 192.2.2管系内部流体压力脉动的计算方法 202.3管系振动控制的基本方法 202.4管系振动传递途径控制方法 232.5本章小结 25第3章实船管系改造前布置与振动测试分析 263.1主机燃油供给管系的布置及工作过程介绍 263.2管系振动测试分析 263.2.1测试的目的及内容 263.2.2测试工况及测试仪器参数 273.2.3测试的设置及步骤 283.2.4测试结果及分析 28结论 32参考文献 33致谢 36第1章绪论1.1研究背景及意义随着我国国民经济的快速发展，管路网络系统在很多方面得到了广泛的应用。因为在输流管道系统中同时出现了流体压力波动和管壁结构振动两种原因，再加上流固藕合作用，这些都将是管道系统中产生振动噪音的一个主要原因。这些原因导致了管道系统中的设备损坏、管系断裂，还容易引发燃烧、爆炸等重大事故，会对人类的生产和生活造成重大的损失，因此，管道系统的振动问题得到了广泛的关注。大型舰船的船体结构十分复杂，各种管道在舰船的运行中担负着油气等各种液体的输送任务，在高温高压的工作条件下，管道的破坏将会给舰船的安全性带来极大的隐患。例如，当燃料泄漏时，不仅会引发机舱内的火灾和爆炸，还会引发燃料供应的异常，甚至会使船只失去动力，引发重大的海上事故。为此，应采取合理、行之有效的管道减震和噪声控制方法。同时，以振动分析法为基础，构建了一套机舱重要管系的状态在线监测系统，可以在线收集管系关键测点的振动信息，并运用一种合理的振动分析方法来进行数据处理，将所得到的振动状态参数跟预先设定的状态参数两级报警门限值相比较，可以及时地给出管系振动的异常预警和报警，并提醒船舶轮机管理人员要做好安全检查工作，这对提高船舶机舱自动化程度、降低管系损坏风险、提高船舶安全性能都有着非常重要的作用。1.2船舶输流管系振动产生机理在舰船的发动机室内，管道是舰船发动机室内物质、能量和动量流的主要传递媒介，具有层次化、纵横交错的特点。通常，引起管道振动问题的原因有两种：一种是与管道连接的各种动力设备（如柴油机、空气压缩机、水泵、风机等），因为其动态平衡性较差或者地基设计不合理，使管道的振动会传导到管道内，进而扩散到全管道。另外，由于这些动力机器的工作具有一定的间歇性，例如：柴油的间隙喷油，各类泵浦的转动或往复，因此，管道内始终会有流体的流动和压力脉动，在脉动的情况下，流体会在管道弯头、异径管段、各类阀门、盲板等管路部件上，对其进行集中作用，从而使得流体的脉动能量持续地转换为其振动的机械能，从而引起管路结构的振动，并持续地扩散到整个管网系统。1.2.1研究目的机械结构振动引发管系振动使用性能：在船舶机舱内，有主辅柴油机、各类泵浦、各类分油机、空压机等动力设备共同工作，机身是由对应的支撑结构与船体自身相联系的，与各类动力设备相关联的管道相互交织地排列在机舱的顶盖下面，一些管道之间还有着结构连接。其运行时，通过将自己的能量转化为流体的能量，为流体在管道系统内的运动创造了良好的环境，并通过其运行引起的振动传播到相邻管道系统。以船舶发动机为例子，该发动机是一个连续高速转动的机械装置，属于多个激励和多个振动类型的复合系统。在柴油机工作过程中，由于发动机进行周期性的燃烧和运动，从而导致了周期性气体压力、曲柄连杆机构运动质量的周期性改变力，同时还会产生曲轴扭矩、机体倾覆力矩和沿着气缸中心线作用的惯性力，这些都是周期性的，但是与其转速相关。而船舶发动机在周期性力、力矩（其频率随发动机转速的增加）的影响下，会产生纵向和横向的振动。同时，在发动机运行过程中，由于某些部件的碰撞和相对运动，某些管道系统发生了变形，管道系统内液体的流动，也会引起发动机的振动。尤其是随着船舶发动机的日益增大，其所引起的发动机振动比一般机器更为剧烈。所以，在运行过程中，会有一部分的振动能被传送到与它相关或邻近的管道。(1)内燃机气压船舶发动机工作过程中，每一个汽缸的内力都是P，而P又可以被分解成两个部分：拉力和侧面推力。在曲轴上，该切向力和该径向力组成了一个由图1.1中所表示的连杆力。图1.1柴油机气体力分解示意图(2)发动机的惯量与以上气力作用下的发动机动力系统非常类似的发动机动力系统，在发动机动力系统中，切向分力是引起发动机轴系扭振的一个激励来源，而发动机轴系的纵振则是由发动机的径向分力引起的。往复式惯性力是由向复式机构或其它机构产生的，其作用力与对应圆柱体的中心线完全一致。多缸发动机往复惯性力系统是在一个平面上存在的，它的不平衡扭矩是由发动机机身纵向存在的一次和二次往复惯性力引起的。在旋转过程中，由曲轴引起的离心力占了很大比重。多缸发动机一次旋转惯性力是由旋转惯性力引起的，它的各竖直部分与旋转惯性力的代数和可视为发动机一次旋转不平衡力矩；一次不平衡扭矩即为一次不平衡扭矩在水平线面上所形成的分量。本文对1个垂直不均衡扭矩进行了探讨。二行程发动机的不均衡扭矩的影响见表1。2。图片中的M1和M1、分别为1次水平和垂直不平衡力矩，而其中的Mz为往复惯性力产生的2次不平衡力矩。船舶发动机的不平衡力、不平衡力矩的激发频率与发动机的旋转速度有关：发动机旋转速度与一阶不平衡力、不平衡力矩的激发频率相同；2阶不平衡力和不平衡力矩的激发频率为2倍于主机旋转速度的振荡频率。对于长行程或超长行程二冲程柴油机来说，它的不平衡力矩值很大，这就会激励船壳的不利振动，并将振动持续地向周围管系等附属结构进行传播。2次不平衡力矩造成的结构不利振动，更应该让用户注意到它。图1.2柴油机的不平衡力矩作为具有往复、旋转等运动的复杂动力机械，在需要时，应该采用相应的控制措施来对柴油机的不平衡力、不平衡力矩进行有效的振动控制。多缸柴油发动机的不平衡扭矩会激发舰船纵向及舰船底部的局部振动，由于舰船许多管路系统的支承与舰船主体连接，因此舰船主体的某些振动会经由支承传递到管路系统中。在柴油机自身，在曲轴上增设曲柄平衡重之后，它可以在某种程度上缓解不平衡力、不平衡力矩对其部件产生的不利影响，但是它并不能完全解决与其相关的设备系统振动产生的不利影响。因此，还需要采取一些平衡补偿措施，从而将不平衡力、不平衡力矩完全消除或适当地减少。不然的话，会有很多的振动能量会直接传递到其附属管系中，从而导致一些管段的应力集中，严重的话还会导致局部管系产生疲劳损伤。1.2.2管内流体压力脉动引发管系振动当管道中无液体时，管道中的压力和速度脉动时，管道仅受静水力的影响，不存在动态效应，因而不会引起管道的振动。以船用柴油机燃油供应管系为例子，因为燃油在管系中一直处于循环的状态，而柴油机喷油并不是一个连续动作，在一定的起火顺序下，各缸高压油泵开始喷油，当高压油泵吸油时，燃油总管会出现瞬间低压；在高压油泵加压时，燃料主管会产生瞬间的压力，从而引起油压的周期性波动，使得燃料在管道中呈现出脉冲的形态，从而引起管道中燃料的波动，使得管道中燃料的参数不但在管道中不断地发生着周期性的波动，还会随着管道的位置发生改变，从而形成了一种弹性波在管道中的传播。如果将燃料在管系中的流动看作一维，则燃料的各个参数的除量与时间、燃料在管系中所处的位置都有一定的联系，因此可以说，这种流动是一种非定常的流动，也被叫做流体脉动，它包括了压力脉动和速度脉动。事实上，在管道系统中，流动脉动所产生的扰动（例如，液体在管道内流动时所产生的扰动）也是压力和速度脉动的综合效应。然而，在舰船柴油机供油管路中，由于流速波动而产生的干涉力较少见，因此，其产生原因多为压力波动。(3)管道中液体的不均衡压力的形成从船用柴油的工作特征可以看出，各缸按照一定的次序发火，每缸对应的高压油泵间歇地喷油，这就造成了燃油在管系内部呈现出一定的脉动状态，同时，压力也将随着时间发生变化，具体情况如下：图1.3所示。图1.3燃油在管道中的压力脉冲为了说明压强脉冲振幅问题，在此引进了压强不均匀性8的概念。如果不能有效地解决这些不均衡的问题，管道系统将会发生震动。结果表明，管道系统内的振荡能量较大，管道系统内的压力波动较大，更容易引起管道系统的破坏。尤其是在管道系统中，当燃料流经阀门，弯头，变截面等部位时，将成为管道系统的主要激励因素。而在管道系统内，各个节点所产生的振荡应力，极有可能是造成管道整体的疲劳破坏的主因。所以，在舰船的供油管道中，必须尽可能地将供油管道中的燃料压力不均衡性保持在一个特定的程度上。图1.4变截面管处的激振力管道系统中的液体波动的压力，不但可以在弯管和变截面管道上产生激励，还可以在各种阀门和盲板等管道上产生激励，但是，由于弯头和阀门等各种部件都是管道系统中不可或缺的部件，因此，在相应的管道系统中，势必会在相应的管道系统上产生激励，从而引起管道系统的某些振动。如果在该部位所产生的激励力在其频率分布上正好位于管系结构自然频率0.81-2倍的范围之内，并且假定激励能量很低，也可以引起管系结构的谐振。在现实生活中，当管道系统中的液体流向变化时，管道内表面必然会受到压力作用，从而将液体的波动能转换为管道系统的振动能。因此，为了防止谐振的发生，必须尽可能减少管道系统中的压力波动，并尽可能减少弯头和阀门等关键部件的应用。1.3国内外管系振动研究现状管系声振的研究，距今已有一百多年历史，从最初对悬臂式输注管道各种振动问题的研究，到后来对弹性管道中流体-固体耦合作用的研究，已有了长足的进展，尤其是20世纪60年代以来，随着国际上核能事业的快速发展，以及对其安全性能的特殊需求，美国，荷兰，英国，德国等各国学者对管系振动的研究已有了许多成果，其研究内容也逐步充实，概括而言，主要包括以下几个部分：.管道系统的振动特征及声学特征；管道系统中的各种构件如弯头、阀门、支承等对管道系统的影响；管道系统中的边界限制因素；管道系统的稳定性分析等。在此基础上，对管道系统的非线性振动、管道中液体的流固耦合等问题进行了深入的探讨。对管道系统的振动进行了理论分析与试验相结合的方法。与之相比，国内在管道系统的振动问题上，有起步晚、研究面狭窄等不足之处。然而，目前关于含流体管道系统的分析，大多采用无流体-固体-莲蓬头耦合的分析，采用的是有限元和特征线两种方法。1.3.1国内研究现状与国外上已有百余年的发展相比，我国对于管线振动的研究起步比较迟，且主要是在大专院校进行的。从1974年起，西安交通大学就将管道系统的振动问题与工程实际联系起来进行了研究，并获得了相应的研究理论、实验结果和模拟方案，为工程应用带来了良好的效果。从1983年开始，徐家轩就开始对压气机管路的结构振动进行了分析。1984年，党希祺对管道中的流体脉动及管道系统的振动进行了较为全面的研究，但这些研究成果只适用于管道中的流动脉动。在此基础上，曹秉刚对水力脉动、压力脉动与水力脉动及水力噪音的内在联系进行了深入的探讨，并对水力脉动及水力脉动进行了实验验证。针对管道内的过滤抑制振动，哈尔滨科技大学的科研工作者进行了很多的工作。曾祥荣于1988年就管道系统上增设H形水力消音器对管道内水力波动能阻尼效应的影响作了专题研究；两年后，他发明了一种新型的同心消音器，这种消音器利用谐振的原理，可以有效地抑制空气中的空气流动，使空气中的空气流动变得更小。1990年，赵彤针深入地探讨了一种适用于水力管道系统的分布参数化建模的高精度、高精度的逼近算法北京航科科研工作者对管道断裂机制做了较多的探索。任玉鉴于1983年以水力管道系统为例，对其共振现象进行了试验研究，并获得了较大的成功。李培滋于1986年进行了水泵振动的试验，结果表明：水泵振动的动力主要集中于基础振动的频率，因此，在水力系统的设计时，管道的振动应该尽可能地避免其振动的主振动的频率。在1988年，成如一着重于水力管道波动问题的自适应，冲击波问题，利用分析的手段，讨论了水力管道波动问题中的非线性冲击波形态，冲击波的产生和特性。蒋荀于1988年以液体动力学的基础公式为基础，建立了一种基于频率域水压速度高准确度的在线测试技术，并进行了实验研究。然而，以上结果只是针对一些具体的问题提出了相应的解决方案，距离工程应用尚有距离。近年来，浙江大学科研工作者对管道系统中流体的输运理论和流固藕合法进行了深入的研究。盛敬超于1987年应用模式方法，对输送管道系统中的振动流动进行了理论研究，探讨了负荷阻抗和机械振动对管道系统中振动流动的作用。从1987年起，蔡亦钢就管道动力学问题，从管道的频变、瞬间变、流-固耦合作用等角度，对管道动力学问题进行了基础理论和试验方法的探索。诸葛奇于1988年提出采用基于频变的摩擦力模型来构造液体模型，采用广义复模态理论来构造固体模型，并将其应用于复杂区域中构造液体-固体荷叶模型。梁熙针于一九九一年就输流管道的振动与稳定问题作了初步的探讨，并指出在管道中增加直线弹性支承并不一定会增加管道的极限流动速度；相反，当靠近自由端部安装一定刚性的弹簧时，其临界流动速度将会减小。上海交通大学张智勇等人曾对管道纵向动力反应的求解进行过深入的研究，并将其推广为管道内的“流-固-荷”效应，将管道的动力反应转化为管道自身的动力反应与管道自身动力反应的相互影响，但该观点是基于多种假定而得到的，与工程实践仍有很大出入。在液压脉动方面，何秀华对液压脉动现象进行了理论分析，将其划分为三种类型：白噪声脉动、叶轮频率脉动和轴向频率脉动。焦秀稳应用传输矩阵方法，分析了在实际应用过程中，各种因素对管道内压力波动的作用。在宫嘉成的工作中，我们采用了一种方法来估算气压脉冲的时序谱。王强在此基础上，从理论与试验两方面，提出了一种可有效抑制管道系统震动，并可有效抑制液压波动的管道系统阻尼装置。可以看出，目前我国管道系统振动方面的研究主要是基于对直管进行的数学建模和对其进行的压力波动抑制方面的研究，而对于其在管道系统中的实际应用还远远不够。1.3.2振动测试技术研究的发展（1）国外发展现状从上个世纪开始，振动检测技术就得到了很大的发展。振动信号检测技术是一种常见的动态检测方法，它包括振动信号的检测和数据的采集，振动信号的分析和动态性能的检测三个方面。随着信号处理技术、传感器技术的迅速发展，它推动了振动测试技术的一步一步地对其进行了测量，并对其进行了进一步的研究，并对其进行了进一步的研究。自上世纪60年代以来，FFT算法使得离散傅里叶变换（DFT）的复乘运算次数得到了极大的改善，极大地减少了计算量，促进了数据处理能力的进一步提升，有力地促进了振动检测技术在实际中的迅速推广。自从世界上第一个动力讯号分析器诞生后，震动讯号的解析技术已有三次重大的进步。第1个重大进展：世界上首部快速傅立叶变换分析器问世。美国时间/数据公司在一九六七年十月开发出时间/数据100，这是全球第一部以傅立叶变换为基础的时间/数据分析仪器。研究人员利用Time/Data100，在美国空军一架战机上进行了一次冲击实验，并取得了一定的效果，这在动力信号分析史上也是一次重大的突破。与此同时，HP公司也研制出了以微型电脑为基础的HP5450动力分析仪，经过数年的发展，HP5451已经被成功地用于振动台随机振动控制、振动特征信号分析和模态分析。美国SD公司于一九六五年先后开发出以循迹滤波为基础的传输功能分析仪、以时域压缩原理为基础的在线分析仪和以快速傅立叶变换运算为基础的数字信号处理仪SD603。第2次重大突破：随着有关技术的不断进步，出现了许多具有自主功能的快速傅里叶变换（FFT）分析器，这些仪器在振动，冲击，噪声等工程中得到了越来越多的应用。之后，陆续推出了基于CPU芯片的独立式FFT分析仪，这更是将仪器的成本与尺寸都进一步降低，而且仪器的性能也在总体上得到了提高，并得到了广泛的应用。除了传统的信号分析之外，还产生了许多新的应用，如：振动模态分析、声压声强分析、振动台振动控制、旋转机械特性分析等。第3个重大突破：随着高性能多通道振动信号处理技术的研制，将其应用于航空航天、土木建筑、汽车等各种复杂工程的动力分析和设计，推动了动力信号处理技术在工业上的普及。在这段时间里，研究者们已经可以利用微机来完成对信号的采集，访问和分析。在这其中，B&K公司开发了3550和3551分析系统，IONIC公司开发了7000系列多通道分析系统，HP公司开发出了HP3565多通道信号分析系统等，这些系统为科研和工程实践的进行带来了方便。在90年代后，随着微型计算机的推广和普及，计算机虚拟仪器逐步出现，它由PC机、仪器板卡、应用软件等软硬件组成，传统单机测量仪器部分开始被其所替代。利用该软件，通过扩展板，在电脑上实现了多种物理装置的功能，并在电脑上实现了对测量数据的分析和处理。通过对系统进行测试，可以实现对系统的升级，提高系统的性能，从而达到满足自己要求的目的。从70年代以来，国内外的科学家们逐渐将这种方法应用到了发动机的各种故障诊断中。在80年代初，他与麻省理工学院的一些专家合作，对引擎进行了理论和试验方面的创新性研究。美国于1985年开发了一套内燃机的内燃机故障诊断专家系统，并在机车上得到了成功的运用。在1992年，通用电气公司开发出一套集成了压力，温度，速度，速度等传感器及振动信息处理技术的NEUCE智能系统。（2）国内发展现状近年来，随着计算机技术的不断发展，越来越多的企业和大学开始对其进行深入的探索，并在此基础上研制出了一系列的新型振动检测设备。天津大学以LabVIEW为基础，在Windows环境下，以LabVIEW为基础，研制出了一套以VIEW为核心，用于航空航天领域的航空航天、航空航天、航空航天等领域的航空航天、航空航天等领域。大连科技大学利用计算机仿真技术，研制出一套适用于离心式压气机H101的转子系统，并对其进行了实时监测与故障分析。本文介绍了华北电力大学研制的一套用于转动设备振动检测的计算机软件。“仪器王”是哈尔滨科技大学研制成功的一种新型的计算机辅助设计。80年代初期，国内开展了以武汉交通大学，华中理工大学，海事工程学院为代表的往复发动机，开展了基于振动与噪声相结合的发动机振动检测方法的试验与探索。周轶尘等人于1985年首次提出了一种新型的、用于小排量柴油发动机缸套的传动特点，并在此基础上开发了一种新型的柴油发动机诊断仪器——DCM-II型。谭达明教授曾在西南交大开展了发动机工作状态下的振动诊断方面的一些基础性工作，并对气缸头振动的时间特性和周期波动性进行了深入的分析和讨论。本文介绍了山东科技大学耿遵敏教授等专家在已成功研制出190台发动机的振动故障检测装置的情况下，提出了一种新的检测方法——信号处理和故障分类的新思路。综上所述，在发动机的故障诊断方面，对振动信号的应用仍然是一个初步的探索，尽管在各个方面都已经有了一些成果，但是对振动信号的应用，仍然是一个在实验室和一个在实验室里进行的试验。1.4本文研究的主要工作1.4.1研究方法本课题拟以一艘舰船为对象，以舰船服役为背景，通过对舰船主供油管道进行振动测试、分析和模拟计算，找出引起舰船供油管道振动的原因，并通过改进管道本身的内部构造来减小其振动，同时基于状态监控的理论，构建一套基于状态监控的舰船供油管道振动监控系统，这对于舰船机舱管道振动安全的研究有着十分重要的作用。本论文的工作包括四个部分：(1)以为某船对象，对船上的供油管道进行了振动试验与分析，以确定原管道的振动原因。(2)针对产生振动的原因，模拟计算管道的改善方案，其中重点是使用ANSYSWorkbench13.0进行管道的结构模态模拟计算，使用FlowmasterV7进行燃料输送管道的一维模拟计算，模拟检验管道的改善方案的有效性。(3)基于实测与模拟计算的结果，对原管道系统进行原位改建，并对改建后管道系统进行实测，以从实践上检验预改建方案的可行性。(4)基于船舶动力总成供油管道的状况，结合船舶动力总成供油管道的状况，采用振动分析与虚拟仪表相结合的方法，构建了供油管道的在线振动监控体系；通过对一艘船舶在运行过程中的中期和中期的振动监控资料的分析，得出了其第一级和第二级的报警阈值，并对监控计划进行了改进。第2章输流管系振动特性分析与振动控制的方法2.1管系结构振动特性分析基本方法在结构动力学中，对管系结构振动特征的分析，可以分为两个部分：解析和实验两个部分，分别是：结构解析模态分析和结构实验模态分析，而管系的结构动力特性可以用模态参数来反映。一般而言，模态分析技术适合于对结构的振动特征进行分析，重点是对其自振频率和振型进行分析，而这两个特征是在进行可承载动力荷载的设计时所必须考虑的两个特征。随着现代电子技术、计算机技术的飞速发展，以及其在模态分析领域的更加广泛、深入的应用，使得目前的模态分析技术变得更加具有经济性、适用性，其应用和涉及的领域也在不断地扩大。理论与实验两种方法相互结合，相互补充，相互促进，是当前工程应用中的一种有效方法。2.1.1结构解析模态分析法人们普遍认为，各种类型的机械结构，其动力学特性可以从其各个阶次的振动频率、阻尼和模态等方面进行评价。采用模态分析技术，其重点在于提取结构的模态参数，其主要目标是防止机械结构在工作过程中产生谐振，或是出现对结构不利的振型，其计算结果也可为后续动力学分析创造条件。(1)管道系统振动响应的基础理论管道体系是一个多自由度体系，它具有多阶自振频率和对应的主要模态。管道系统的自振频率和主要模态通常与管道系统的刚性特征（如管道的弹性模量、截面的几何特征、边界条件等）、管道系统的质量分布等有关，几乎不受其它外部因素的影响。管道系统的自振频率和主要模态仅依赖于管道系统的刚度特征和质量分布，而管道系统本身的阻尼很少，其变化规律也很少，因此，管道系统的振动响应往往被忽视。因此，对管道系统的自振频率和模态进行了研究，并给出了相应的计算公式。X是管道系统各个部位的地震反应矢量。假定管道各位移分量为同相变的简谐波，则其固有振动方程为二阶常数微分方程。(2)将模态分析方法直接用于结构动力特性的评估通过对不同模态下的模态进行模态分析，得到了不同模态下的模态阻尼、模态振型和模态频率等参数。就普通结构而言，其工作频率应与其各个阶的振型相分离，或应与其某个阶的振型相分离；对于那些对结构产生强烈影响的模态，如何尽可能地避免它们对结构的正常工作产生干扰，是目前工程领域的一个重要课题。(3)用于故障诊断与状态监控的模态分析在故障诊断中，利用模态分析技术得到的模态参数等数据，对其进行识别，已逐步发展为一种高效的故障诊断与安全检查手段。比如，通过振动模式的改变来判断是否存在裂纹，通过振动模式的分析来判断裂纹的位置等。2.1.2结构试验模态分析法(1)结构测试中的振动特性研究原理和方法目前，实验模态分析技术已逐步进入到结构动态性能的研究中，并成为了一种普遍使用的体系鉴别手段。在数学上，通过求解机械系统的运动微分方程的特征值与特征向量，从而得到模型的模态参数；在测试场中，模型参数指的是结构的固有频率，阻尼以及振动模式。在此基础上，提出了系统辨识、结构灵敏度分析和动态优化设计的新方法。通过对模型进行模态解析，重点是对模型动力行为进行矩阵化处理，从而达到从一个自由度到多个自由度的模型体系对模型进行建模的目的。结构解析模态分析是结构动力学的正问题，而结构试验模态分析是结构动力学的逆问题，即对结构实施动态测试，对结构的输入信号、输出信进行数据处理，以及曲线拟合和参数识别等，从而通过数学方法获取结构的模态参数。在振动检测方面，目前的主流检测技术有两个方面：一是多点激励检测技术；二是单一的激振试验方法。激励试验按其所受激励的特性可大体划分为三类：稳态随机激励、正弦激励和瞬态激励。因此，对于一个具有恒定光谱的单位脉冲的函数，它的光谱在全波段都是均匀的，这样的光谱就叫做“均匀谱”或“白色频谱”。对振动原理进行了分析，得出了在靠近自振频率的情况下，容易发生谐振的结论。在管道系统中，脉冲力作为激发管道系统，可激发管道系统的各个阶次反应，藉由对这些反应讯号之分析，可求出管道系统的各个阶次之自振频率。2.2管内流体压力脉动分析舰船发动机供油管道是一个大型的、由驳油泵、各种阀门、弯管、冷却器等组成的复杂管道系统。柴油发动机的间隙喷油、泵站的起停、阀门的开启和关闭，将导致管道中的燃料在管道中产生剧烈的波动，其中最大的波动可以达到几十倍的燃料压力，从而导致管道系统结构的剧烈震动，引发管道系统的支撑和阀门的破坏，管道连接的断裂，管道系统的爆裂等事故。所以，有必要对舰船供油管道系统中的压力波动进行深入的研究。2.2.1管系内部流体压力脉动的产生原因一般来讲，引起管道系统振动和噪声的主要原因就是各种会引起管道系统的水压波动。在电力设备的液体出口的法兰位置、弯头位置，将会发生压力和流量的波动，这种波动可以激发出管内的液体的振动，液体的振动可能会与管壁结构产生藕合效应；此外，由于动力装置产生的机械振动还可以经由与之相连的管道系统向整体管道系统传播，因此，可以认为，动力装置对管道系统的激发可以分为两类：一类是经由管道系统向管道系统传输的机械刺激；二是由管道中的液体流动引起的压强波动或流速波动。在管道系统的设计中，除了要防止发生谐振外，还要注意管道系统中的压力波动要尽量小。管道系统发生谐振的原因主要有管道系统中的液体柱受激和管道系统的构造受激两种。因此，在管道系统的设计时，必须对管道系统中液体的自振频率进行分析，并将其偏离0~1.2倍的激励频率；在进行管道系统的自振频率的计算时，也应将管道系统的自振频率控制在0.8~1.2倍的激励频率范围内。因此，想要避免谐振，就需要这两个条件。管道系统中的水压脉动是一类极为复杂的问题，其理论与计算手段都在不断地提高。从最初的不计减振到计减振；由不计速度，发展为计速度；从最初只研究微小振荡，到研究有限振荡，再到研究传热问题，研究范围愈广泛，愈与真实情形相符。假设在液体中的干扰频率是非常弱的情况下，液体的流动可以用一维的波动方程来表示。2.2.2管系内部流体压力脉动的计算方法管道系统中的水压波动频率与管道结构、阀门和挡板等部件的自振频率相近时，管道系统容易产生谐振现象。在管道系统的设计中，要尽可能地避免管道系统的共振频率及其倍频。然而，在实际施工中，管道系统的设计和安装会受多种因素的限制，在一些条件下，管道系统的振动响应可能达不到预期，因此需要尽可能地减小管道系统中的水压波动，减小管道系统的谐振效应。为了减小管道系统中的压力波动，可在相应的发电设施的出口设置适当的减压装置。管线中各种部件都会对其内部流体的压力脉动或流量脉动变化产生影响，为了得到最佳的压力脉动衰减效果，在管系中增设缓压装置的过程中，应对缓压装置的作用效果进行模拟计算。2.3管系振动控制的基本方法针对舰船管道的减振问题，本项目拟开展以下两方面的工作：一是对振源进行调控，对动力装置（如泵、压缩机、柴油机等）与船壳、管道等进行适当的减振措施，从而减少动力装置引起的机械振动通过管道传播的可能性。比如，在实际工作中，大部分的隔震部件都是选择了柔性软管、弹性支撑或悬挂装置，还有不同材料的隔振垫和隔振器等，这样就可以让不同类型的动力源产生的机械震动不会被传送到网络系统，从而达到了机械隔震的作用。其次，为减小管道中的流动波动，对管道系统进行了优化，并在管道系统中增加了蓄能器、膨胀水箱等缓冲部件。泵浦等，虽然功率范围差别很大，但其设备中都具有多种运动部件，在运行过程中将产生一定的激发。当激振频率达到一定值时，会发生管道的谐振，并通过管道的支座向整体传输，导致管道的振动。(1)增加振动隔离构件隔振是指在振源和建筑物之间增加阻尼，从而减小由动力机器自身引起的非直接振动向管道系统的传播。一般情况下，要使发动机在安装阻尼装置后，发动机的自振频率与发动机的自振频率之间的比值达到一定的要求。根据有关船舶动力机械的设计，增设一个科学合理的隔振元件，这样就可以将装置自振对船壳结构的振动激发和振动传播隔绝开来。同时，它还可以间接地减少船壳结构振动通过管系支撑结构对管系的振动激发，从而避免了直接激发的管系结构谐振的发生。目前，船舶电力设备常用的隔振器有：橡胶材料，包含了隔振垫、减振器等；其中，金属类别有减振器，振动隔离吊架，钢丝网及钢索隔离装置等。1)振动阻尼剂目前，橡胶隔震器主要采用天然橡胶和合成橡胶等制造，结构简单，三向刚度可调，但存在使用寿命低、环保要求高等问题。这类减振剂的刚度随硬度、温度、振幅和频率的改变而改变，一般情况下，它的动力刚度大于静止刚度，二者之间的比值被称作“动态系数”。(2)d=1.5~1.5的丁睛橡胶；(3).在一定范围内，氯丁基胶的含量为1.4~2.8。2)振动隔离橡皮橡胶减震垫片一般是一种具有一定弹性的减震部件，它具有很多的突起物。它的刚性取决于减震垫片的外形，为了达到减震效果，可以采用两个或多个减震垫片进行减震。3)振动隔离基于该技术的金属隔振体系具有低自振频率、高寿命等优点，同时具有不随外界温度变化、适应面广、对外界环境变化不敏感等优点。若在这类减震结构中添加粘滞阻尼，则会使谐振区域的反应有所减小，但同时也会使区域内的传导系数增大；若采用库伦阻尼，则可使结构的谐振反应减小。4)金属丝网振动隔离网状减震装置是用一套网状的网状结构，采用特定的加压方法制成。一般情况下，钢丝网是不能被压缩的，因此，这类隔振器是一类硬性弹簧，其阻尼是由减振器变形时在其钢丝之间发生摩擦而形成的，具有一定的库伦阻尼特性，可以促进谐振响应降低。在高频小振幅时，其阻尼作用减弱，其绝对传递系数随频率比的下降率与无阻尼弹簧相近，并对驻波的产生有一定的抑制作用，有良好的隔振性能，其最低固有频率为13Hz，阻尼比为0.1-0.2，载荷可达70kN。5)钢索振动隔离装置钢丝绳减震装置是一种用不锈钢丝缠绕而成的新型纯金属减震装置。通过夹板来固定绳的两个表面，而夹板也是这种振动隔离装置的固定平台。减震装置在减震过程中，减震装置的减震作用是由各小钢索间的摩擦力实现的。在受到冲击载荷的情况下，减震装置可以对其进行有效的减震，从而达到减震的目的。这种隔振器的刚度、阻尼都是非线性的，也就是说，它能够大幅度地减小谐振响应，并且能够快速地减小振幅，并且在各个钢丝段之间的打滑也会减小，它的传递率与无阻尼的弹簧非常相似，它的传输率衰减性能比较好。6)防震悬挂器这类悬挂装置的弹性构件多以金属为主，减震构件可以使用橡皮垫片或钢丝网垫片。其中，金属类型的自振频率在3赫兹左右，橡胶类型的自振频率在10赫兹左右。在进行减震装置的安装时，必须先对减震装置施加压力，然后才能校正其轴心。在柴油机上装有振动隔离装置的情况下，它的油和水管路必须通过松紧节进行联接；在主轴和内燃机间还应配置有弹性接头等设备。(2)增加减震支承随着船舶发动机尺寸的逐步增大，其动力行程越来越长，导致发动机框架发生侧向振动，这一问题日益凸显，已经成为船舶动力系统的一个主要激励因素。在两行程的低转速的大功率柴油机上，可以将机身顶部的振动幅度控制在0.7毫米以内。在机身发生过大的横向振动时，可以在机身上方和船身左右两侧安装一个与船身相连的横向减震支架，这种方法一般可以将框架的横向振动振幅减小50%，并将自振频率提高5%-50%；在机身前、后和机舱隔墙间设置纵向减振支架，这种方法一般可以将机身的纵振幅度减小50%，并将自振频率提高约25%。在海洋工程中，常用的减震支承有摩擦支承、机械支承和液压支承等几种类型。(3)减少振动来源的冲击在对振动源项进行分析时，重点是对网络中各种液体要素在运行时对压力和流量的冲击进行减弱。舰船发动机中安装有各种动力设备，如水泵、压缩机等，其工作过程中都会产生波动，从而形成振动信号，从而产生振动信号。要想减小各种类型的液体机器的脉动，必须从其结构形态及参数上，采用科学、合理的调控方法来减小输出的压力、流量波动。比如，在船用液体管道中，由于阀的突然启闭，也会引起管道中的流量或压力的振荡与冲击，进而引起管道的结构振动与噪音，然而，在船用电力系统中，阀作为最常用的管道部件，其启闭对管道工作至关重要，因此，管道中的流量或压力波动无法避免，唯有采用合适的阀启闭方式，才能对其进行有效地控制。2.4管系振动传递途径控制方法 在舰船流态管道中，因泵等动力装置引起的管道内流动波动，很容易产生强烈的流动噪音，引起管道结构的振动，因此需要对管道内流动波动进行有效抑制。液体的噪音除了受振动源的影响外，还受其自身的阻抗影响很大。系统的阻抗由管道自身的阻抗和负荷的阻抗组成。各种液体输送管道系统中，压力和流量波动和碰撞是无法完全消除的，因为这些客观原因，为了防止共振现象的出现，就一定要制定出一套科学、合理的减振方法；其次，应尽可能地减小系统内的压力和流量波动幅度。为此，对舰船发动机管系进行系统的振动分析，重点在于避免管系内共振，降低流体管系的波动能量。(1)对输送管道系统自身的阻抗进行调节然而，当管道系统达到共振状态时，当管道系统发生波动时，管道系统也会发生剧烈的振动。因此，对于振动源处的处理，虽然可以减小一些流动和压强的波动，但仍无法彻底地消除，因此，还需要通过调节管道自身的阻抗来实现。调整管系自身源阻抗，避开谐振频率，降低脉动效应，可以通过调整部分管段长度、管系横截面尺寸、调整管系元件位置、加装科学合理的流体元件来改变管系源阻抗。在这些方法中，通过对某一管道的某一截面进行调整，是避免共振点最简单、最容易实现的方法。在工程中，舰船柴油机体积较大，外部管系较多，通常将一根胶管从机身主干到外部管系的管道联接起来，这种联接方式不仅具有机械隔离振动的作用，而且胶管等效体积弹性模量较小，且具有一定的延展性，还可以吸附柴油机间歇性喷射时产生的一部分压力波动。但是，通过对系统阻抗的研究发现，并非所有的管道都可以达到管道减震的效果，而且可能会使管道的压力波动增大。因此，在增加管道长度时，应注意管道长度的作用，以免产生共振现象。(2)安装减震或过滤部件在现实生活中，振动源波动很难完全抑制，而采用调整管道长度和部件结构等方法调节系统阻抗，受设备运行条件、空间方位等多种客观条件制约，因此，只能在管道中增设抑制或过滤部件，对振动源波动进行有效抑制。当前，在液体管道系统中，最常见的消振和滤波元件有各种类型的滤波器、孔板和蓄能器等，根据其声音特征，可将其分为共振型滤波器和干涉型滤波器。共振型滤波器，也叫振动型滤波器，它是通过在滤波器内部产生的液体共振来对流量和压力的波动进行有效地吸收和抑制，它的种类有：串联型共振型滤波器（C型，D型，K型）；分支式共振型滤波器（L,H,T，锥形H型滤波器，和合成H型滤波器）.干扰式滤光片，它是一种在管道中平行排列的结构，它是利用管道中平行排列的波浪之间的干扰，对管道中的流量和压力波动进行抑制。在管道系统中加入干扰式滤光片后，振动信号对管道振动信号的影响减小；管道中波的互相干扰仅会导致管道内的能量重新分布。干扰滤波器具有较好的衰减性能，如普斯科滤波器，奎克管滤波器等。在电力传动系统中，通常采用储液器作为消振部件，来吸收泵电源的波动。一般情况下，储能器设置在管道系统中，类似于H形或T形过滤器，它的内部充满了可压缩的流体和空气，可以起到更好的减震和滤波效果。一般情况下，储能器因其本身刚度小，频率响应小，被广泛应用于低频波动的减震单元。2.5本章小结在这一章中，对船舶管系结构振动特性的分析方法、管系内部压力脉动的产生原因、压力脉动的计算方法、管系振动的控制方法进行了详细的阐述。这一章为课题开展振动测试研究、结构有限元仿真、一维管网流体计算、开展振动控制工程实际研究奠定了基本的基础。第3章实船管系改造前布置与振动测试分析3.1主机燃油供给管系的布置及工作过程介绍船的主机的燃料供应管道，在两个中速舰船的发动机运行时，它的燃料供应管道，按其功能划分，可以被划分成燃料供应管道和燃料回油管道。所述的供油管是指从燃料入口箱体到主燃料主管道入口的管线；回油管道系统是从主燃料管道出口到燃料端口箱体入口的管道系统，其中大部分管道系统由管道系统的支承结构安装在主燃料箱的滑铁与舱底部。管系自身由普通的碳钢制成，外直径42毫米，壁厚4毫米，密度7850kg/m3，管系约束为一般的直线缺陷。3.2管系振动测试分析管系自身由普通的碳钢制成，外直径42毫米，壁厚4毫米，密度7850kg/m3，管系约束为一般的直线缺陷。在其交运前期，由于主舱供油管道的强烈振动，导致供油管道发生了多起管道穿壁、缺陷断裂和断裂等重大事故，严重影响了舰船的安全性。通过对该船舶的现场调查，初步判断其发生的原因为：4冲程中速柴油机的转速及振动影响大于2冲程，加之船舶制造时管路缺陷较简单，燃油供给管路内缺乏可有效抑制燃油压力波动的储能器，在主机运行时容易引起管路剧烈的震动，造成管路损坏。因此，针对实际船舶出现的振动情况，制订合适的振动检测方案，开展实际船舶失效管道振动检测，掌握管道振动状况，分析原因，提出解决办法，具有重要的现实意义。3.2.1测试的目的及内容本项目拟采用合理的振动试验方法，对船舶的真实运行状态进行试验，并对柴油机供油管道进行振动试验，获得柴油机供油管道的自然频率（静止车辆状态）、该管道（在船舶运行状态）和相邻辅助装置的振动频率、振动能量集中的特征，并利用柴油机供油管道压力传感器进行燃料压力波动的测量，从而对导致供油管道发生剧烈振动的原因进行全面的分析，为柴油机供油管道的振动控制和控制奠定基础。3.2.2测试工况及测试仪器参数某船是一种大型的远洋船只，它的大部分时间都是在国际上进行的，它的主驱动设备是两台中速柴油机，通常的转速是515rpm，因此，进行此次实船的振动测试时，选择了常见的工况作为测试条件。在该工作条件下，试验管道系统发生过几次剧烈的震动，试验条件的详细参数见表3.1。表3.1某船主要测试工况该方法是在机组起动之前，按照结构实验的模式原理，利用锤击的方法测定被测管道系统的自振频率。然后，在表3.1所示的测试工况下，对被测管系及周围附属设备各测点振动情况进行振动测试，测得各测点各方向上振动频率、振动能量集中分布情况，所以根据以上测试内容，选取测试仪器信息如表3.2所示。

表3.2测试仪器信息3.2.3测试的设置及步骤为获得供油管系和回油管系的振动状况，将左主机作为测试的目标，在供油管系和回油管系的外管壁表面上各设置两个测点，这两个测点分别在大约左主机和舷边中间处，靠近左主机处，并在被测管系附近的附属设备表面设置相应的测点，以便进行全面的分析。详细的测点的位置情况见表3.3，它们的位置见图3.1，图3.2。表3.3测点的位置情况3.2.4测试结果及分析通过对试验数据的分析、处理，得出以下结论：利用锤击法对供、回油管系进行了纵向和横向的振动试验，从第1到第4测点的前两阶纵向和横向的振动试验，见表3.4；

表3.4测点测试数据燃料母管内的压力波动是由主机自身携带的燃料母管压力传感器来记录和收集的，在左侧的主供油线上，对脉冲压力的测试见表3.5；表3.5供油管脉动压力信号频率分析结果图3.1燃油总管脉动压力时间曲线图表3.4燃油总管脉动压力频谱曲线图由图3.4可以看出，脉冲压力主要集中在21.87Hz至125.00Hz之间，其主要频率包括21.875Hz、34.375Hz、69.375Hz、90.625Hz和103.750Hz，当34.375Hz作为基频时，69.375Hz和103.750Hz就是其的二倍频和三倍频成分。比较这一次的试验结果（见表3.5）和安装储存器之前的试验结果，发现每一个试验点的振动总价值都有很大的降低；表3.5各测点振动总结在试验中，第三个测量点采用了加速度计，其他测量点采用了速度计。经过对测试数据的分析，发现主机舷部测点振动数据符合IS06954规范标准，燃油管路上的振动能量主要集中在34.4Hz和90.6Hz的频段上，因此燃油管路的振动与主机本体的振动基本上没有关系。但是，因为本机是4冲程8缸机，它的脉冲频率的基频可以被计算出5