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摘 要：船用离心泵作为船舶主要辅机设备，其工作时产生的振动噪声严重影响船舶运行环境，因此对其减振降噪的研究极为重要。本文从离心泵的研究现状出发，梳理了当前常用的减振技术，详细介绍了浮筏隔振系统，并对部分新型减振手段进行概述，为船用离心泵的减振技术研究提供指导方向。
关键词：船用离心泵;浮筏;减振
中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0106-03
船用离心泵被广泛运用于现代船舶，其能将机械能转化为流体动能和压力能，是船舶正常工作的重要辅机设备。船用离心泵在运行时产生的振动不仅与船舶整体机组配置有关，同时也与泵的制造材料、结构刚度分布、流道形状等有着密切联系。由于船舶的舱室空间有限，船用离心泵工作时产生的过量振动及其诱发的辐射噪声会对船舶运行环境造成很大污染，也严重威胁了船员的生活环境，因此为保证船舶安全可靠的运行，船用离心泵的减振技术研究格外重要[1-3]。
1离心泵研究现状
与一般的水泵不同，船用离心泵不仅要满足水力性能的需求，同时也要满足振动噪声控制的要求。目前船用离心泵的研究相对较少，其设计和优化主要是借鉴并利用其他类型的离心泵研究成果和经验。
1.1国外研究现状
Abdulrahman[4]等重点研究了离心泵叶轮叶片叶尖处早期故障的振动响应，并提出相应的故障检测与诊断措施，研究结果表明，叶片通过频率处的幅值及轴频处的高次谐波可以作为故障检测与诊断的有效特征。Adamkowski等[5]对某发电机组冷却系统离心泵泵轴断裂的原因进行了大量研究和分析，研究结果表明，泵轴扭转振动和压力波动的共振是造成泵轴断裂的主要原因，而该压力波动与泵轴转速频率和叶轮叶片数相关。AR Mohanty等[6]利用振动信号和电机电流信号对离心泵的叶轮状态进行诊断，利用该诊断方法对离心泵不同叶轮条件下（如正常叶轮和缺陷叶轮）的状态进行分析，可观察到明显差异，表明该诊断方法较为可靠。
1.2 国内研究现状
談明高等[7]建立了离心泵空化诱导振动噪声试验测试系统，以某单级单吸离心泵为研究对象，控制其他几何参数不变，仅改变叶轮叶片数量，测出不同叶片数下离心泵的振动噪声信号，探究了离心泵叶轮叶片数量对其振动噪声的影响。刘厚林等[8]对单级单吸离心泵进行研究，控制其他几何参数不变，仅改变叶轮出口宽度，测出不同叶轮出口宽度下离心泵的振动噪声信号，探究了离心泵叶轮出口宽度对其振动噪声的影响。Lu等[9]对比分析了离心泵叶轮在空化过程中不同位置处的流动特性和振动信号，研究发现根据监测点振动水平的变化可以对空化渐变过程进行有效检测。Gao等[10]对汽蚀引起的离心泵振动特性进行研究，结果表明：离心泵振动水平的升降趋势与相应的空化状态紧密相关。
2 传统减振技术
船用离心泵作为船舶运行的重要辅机，研究其减振技术本质上是研究船舶机械设备的减振技术。当前广泛运用的减振技术按照控制方式可以分为被动控制和主动控制两类。被动控制通过在激励源和传递途径之间添加阻尼系统以对振动能量进行衰减。主动控制通过在系统中引入次级振源，经监测控制后使系统对次级振源和主振源的响应相互抵消，从而有效控制低频线谱。
2.1被动隔振
船舶机械设备的隔振历经单层隔振、双层隔振、浮筏隔振，实现了多次技术跨越，减振降噪能力也获得了大幅提升。浮筏隔振系统利用高弹性阻尼元件将众多机械设备与船体分离，可以有效地对振动传递能量进行衰减，以达到降低辐射噪声的目的，其具有优良的隔振效果，近年来一直是船舶减振降噪技术研究的重点和热点，在实际工程上应用十分广泛[11-12]。图1为浮筏隔振系统示意图。
筏架的阻尼、尺寸和质量等结构参数会对其性能造成较大影响。张华良等[13]建立浮筏隔振系统有限元模型，分析了筏架质量、筏架刚度以及筏架结构阻尼等参数对浮筏隔振性能的影响。王新海等[14]以立式船用离心泵为研究对象，建立了浮筏正面开腔体各几何参数与浮筏质量、离心泵振动特性之间的近似模型，通过计算参数最优解，使浮筏减振能力进一步提高。
2.2 主动隔振
主动控制可以消除低频振动线谱，且可根据船舶航行的实际工况进行实时改变，是一种重要的减振技术。黄建德等[15]对离心泵进行进口静压频谱分析和进口流动可视化观察，找寻低频脉动最强的区域，通过使用高压水源和喷嘴向水泵进口处喷射水流，有效地抑制了离心泵的低频脉动。然而，纯粹的主动隔振系统结构复杂，耗能较大，适用条件比较有限，因此人们提出主被动混合隔振技术，该技术通过将被动隔振器和作动器集成，可同时获得宽频隔振效果和线谱控制效果。陈纠等[16]提出一种主动浮筏隔振技术，该技术将泵集中布置在浮筏上，利用浮筏隔振与主动隔振相结合的方式对泵类设备进行主被动混合隔振，经可行性验证后表明，该技术可对泵的宽频振动和特征线谱进行有效抑制。
3新型减振技术
3.1 颗粒阻尼减振
颗粒阻尼减振技术通过将微小颗粒物质按一定的填充率放入振动体的有限密闭空间中，利用颗粒与颗粒以及颗粒与容器壁之间的碰撞摩擦对振动能量进行耗散。目前颗粒阻尼减振技术的物理机制尚不明晰，但因其具备低功耗、高稳定性、高效能等优点，人们已将其运用于多个领域，如齿轮减振[17]，重型压缩机机组减振[18]，机场风塔减振[19]，机床刀具减振[20]，火箭引擎减振[21]，航天器结构减振[22]等。颗粒阻尼减振技术作为一种较为新颖的减振技术，将对船用离心泵的振动噪声控制技术研究起到积极的推动作用。
3.2 声子晶体减振 聲子晶体是具有弹性波带隙的周期性结构材料，其可阻止弹性波在某一频率范围内传递，这为减振技术的发展提供了一种新思路。姜超君[23]等根据典型船用离心泵机脚的振动特性，设计出一种声子晶体薄板，该声子晶体薄板以硅橡胶为基体、以铅为散射体，将其引入舱段减振设计中进行振动响应分析，结果表明：引入声子晶体可在带隙作用范围内有效抑制振动传递，使舱段外壳的振动响应减小。
目前声子晶体减振的应用受到多种限制，使其工程实用化变得困难：①基体材料的应用限制，如硅橡胶[24]、碳化硅[25]、环氧树脂[26]、蜂窝铝[27]、混合材料[28]，各类型声学超材料[29]等;②各类型声子晶体结构设计形式及结构制造工艺的复杂性限制。
4结语
船用离心泵的减振技术历经几十年发展实现了几次跨越，但未来仍有很长的路要走。传统的减振技术经过多年发展日趋成熟，但也渐渐达到瓶颈。新型减振技术虽然具有广阔应用前景，但其机理研究尚少，同时工程应用实例不多，将其广泛运用于船用离心泵的减振降噪还需要进行大量研究。
参考文献：
[1]秦锋， 孙明太， 周利辉. 主动声纳浮标对纯机动规避潜艇探测效能研究[J]. 青岛大学学报（工程技术版）， 2013， 28（3）： 46-51.
[2]黄国富， 常煜， 张海民， 等. 低振动噪声船用离心泵的水力设计[J]. 船舶力学， 2009， 13（2）： 313-318.
[3]司乔瑞， 林刚， 袁寿其， 等. 高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计[J]. 农业工程学报， 2016， 32（4）： 69-77.
[4] Abdulrahman Al?braik， Osama Hamomd， F.Gu， et al. Diagnosis of Impeller Faults in a Centrifugal Pump Using Vibration Signals[C]. Eleventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies， 10th?12th June 2014， Manchester， UK.
[5] Adamkowski A， Henke A， Lewandowski M. Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers[J]. Engineering Failure Analysis， 2016， 70（13）： 56-72.
[6] AR Mohanty， PK Pradhan， NP Mahalik， et al. Fault detection in a centrifugal pump using vibration and motor current signature analysis[J]. Automation and Control， Vol. 6， Nos.3/4， 2012.
[7]谈明高， 王勇， 刘厚林， 等.叶片数对离心泵内流诱导振动噪声的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2012， 30（2）： 131-135.
[8]刘厚林， 王勇， 袁寿其， 等.叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2012， 40（1）： 123-127.
[9] Lu J， Yuan S， Parameswaran S， et al. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2017， 9（4）： 68-78.
[10] Gao B， Guo P， Zhang N， et al. Experimental investigation on cavitating flow induced vibration characteristics of a low specific speed centrifugal pump[J]. Shock and Vibration， 2017， 35（17）： 1-12.
[11]吴小豪， 邹永久. 船用离心泵状态监测[J]. 舰船科学技术， 2017， 39（13）： 112-115.
[12]卢永刚， 王洋， 王秀礼， 等. 管道输油泵流体噪声模拟及泵噪声测试方法[J]. 排灌机械工程学报， 2017， 35（8）： 645-651.
[13]张华良， 傅志方， 瞿祖清. 浮筏隔振系统各主要参数对系统隔振性能的影响[J]. 振动与冲击， 2000， 19（2）： 4-8.
[14]王新海， 李钰， 刘厚林， 等. 浮筏参数对船用离心泵振动特性的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2019， 37（11）： 929-935.
[15]黄建德， 丁力， 周建华， 等. 离心泵空泡脉动主动控制的实验研究[J]. 上海交通大学学报， 1998， 32（7）： 10-13.
[16]陈纠， 蔡龙奇， 刘佳， 等. 泵类设备主动浮筏隔振技术研究[J]. 核动力工程， 2019， 40（2） ：49-52.
[17] Xiao W， Chen Z， Pan T， et al. Research on the impact of surface properties of particle on damping effect in gear transmission under high speed and heavy load[J]. Mechanical Systems & Signal Processing， 2018， 98： 1116-1131.
关键词：船用离心泵;浮筏;减振
中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0106-03
船用离心泵被广泛运用于现代船舶，其能将机械能转化为流体动能和压力能，是船舶正常工作的重要辅机设备。船用离心泵在运行时产生的振动不仅与船舶整体机组配置有关，同时也与泵的制造材料、结构刚度分布、流道形状等有着密切联系。由于船舶的舱室空间有限，船用离心泵工作时产生的过量振动及其诱发的辐射噪声会对船舶运行环境造成很大污染，也严重威胁了船员的生活环境，因此为保证船舶安全可靠的运行，船用离心泵的减振技术研究格外重要[1-3]。
1离心泵研究现状
与一般的水泵不同，船用离心泵不仅要满足水力性能的需求，同时也要满足振动噪声控制的要求。目前船用离心泵的研究相对较少，其设计和优化主要是借鉴并利用其他类型的离心泵研究成果和经验。
1.1国外研究现状
Abdulrahman[4]等重点研究了离心泵叶轮叶片叶尖处早期故障的振动响应，并提出相应的故障检测与诊断措施，研究结果表明，叶片通过频率处的幅值及轴频处的高次谐波可以作为故障检测与诊断的有效特征。Adamkowski等[5]对某发电机组冷却系统离心泵泵轴断裂的原因进行了大量研究和分析，研究结果表明，泵轴扭转振动和压力波动的共振是造成泵轴断裂的主要原因，而该压力波动与泵轴转速频率和叶轮叶片数相关。AR Mohanty等[6]利用振动信号和电机电流信号对离心泵的叶轮状态进行诊断，利用该诊断方法对离心泵不同叶轮条件下（如正常叶轮和缺陷叶轮）的状态进行分析，可观察到明显差异，表明该诊断方法较为可靠。
1.2 国内研究现状
談明高等[7]建立了离心泵空化诱导振动噪声试验测试系统，以某单级单吸离心泵为研究对象，控制其他几何参数不变，仅改变叶轮叶片数量，测出不同叶片数下离心泵的振动噪声信号，探究了离心泵叶轮叶片数量对其振动噪声的影响。刘厚林等[8]对单级单吸离心泵进行研究，控制其他几何参数不变，仅改变叶轮出口宽度，测出不同叶轮出口宽度下离心泵的振动噪声信号，探究了离心泵叶轮出口宽度对其振动噪声的影响。Lu等[9]对比分析了离心泵叶轮在空化过程中不同位置处的流动特性和振动信号，研究发现根据监测点振动水平的变化可以对空化渐变过程进行有效检测。Gao等[10]对汽蚀引起的离心泵振动特性进行研究，结果表明：离心泵振动水平的升降趋势与相应的空化状态紧密相关。
2 传统减振技术
船用离心泵作为船舶运行的重要辅机，研究其减振技术本质上是研究船舶机械设备的减振技术。当前广泛运用的减振技术按照控制方式可以分为被动控制和主动控制两类。被动控制通过在激励源和传递途径之间添加阻尼系统以对振动能量进行衰减。主动控制通过在系统中引入次级振源，经监测控制后使系统对次级振源和主振源的响应相互抵消，从而有效控制低频线谱。
2.1被动隔振
船舶机械设备的隔振历经单层隔振、双层隔振、浮筏隔振，实现了多次技术跨越，减振降噪能力也获得了大幅提升。浮筏隔振系统利用高弹性阻尼元件将众多机械设备与船体分离，可以有效地对振动传递能量进行衰减，以达到降低辐射噪声的目的，其具有优良的隔振效果，近年来一直是船舶减振降噪技术研究的重点和热点，在实际工程上应用十分广泛[11-12]。图1为浮筏隔振系统示意图。
筏架的阻尼、尺寸和质量等结构参数会对其性能造成较大影响。张华良等[13]建立浮筏隔振系统有限元模型，分析了筏架质量、筏架刚度以及筏架结构阻尼等参数对浮筏隔振性能的影响。王新海等[14]以立式船用离心泵为研究对象，建立了浮筏正面开腔体各几何参数与浮筏质量、离心泵振动特性之间的近似模型，通过计算参数最优解，使浮筏减振能力进一步提高。
2.2 主动隔振
主动控制可以消除低频振动线谱，且可根据船舶航行的实际工况进行实时改变，是一种重要的减振技术。黄建德等[15]对离心泵进行进口静压频谱分析和进口流动可视化观察，找寻低频脉动最强的区域，通过使用高压水源和喷嘴向水泵进口处喷射水流，有效地抑制了离心泵的低频脉动。然而，纯粹的主动隔振系统结构复杂，耗能较大，适用条件比较有限，因此人们提出主被动混合隔振技术，该技术通过将被动隔振器和作动器集成，可同时获得宽频隔振效果和线谱控制效果。陈纠等[16]提出一种主动浮筏隔振技术，该技术将泵集中布置在浮筏上，利用浮筏隔振与主动隔振相结合的方式对泵类设备进行主被动混合隔振，经可行性验证后表明，该技术可对泵的宽频振动和特征线谱进行有效抑制。
3新型减振技术
3.1 颗粒阻尼减振
颗粒阻尼减振技术通过将微小颗粒物质按一定的填充率放入振动体的有限密闭空间中，利用颗粒与颗粒以及颗粒与容器壁之间的碰撞摩擦对振动能量进行耗散。目前颗粒阻尼减振技术的物理机制尚不明晰，但因其具备低功耗、高稳定性、高效能等优点，人们已将其运用于多个领域，如齿轮减振[17]，重型压缩机机组减振[18]，机场风塔减振[19]，机床刀具减振[20]，火箭引擎减振[21]，航天器结构减振[22]等。颗粒阻尼减振技术作为一种较为新颖的减振技术，将对船用离心泵的振动噪声控制技术研究起到积极的推动作用。
3.2 声子晶体减振 聲子晶体是具有弹性波带隙的周期性结构材料，其可阻止弹性波在某一频率范围内传递，这为减振技术的发展提供了一种新思路。姜超君[23]等根据典型船用离心泵机脚的振动特性，设计出一种声子晶体薄板，该声子晶体薄板以硅橡胶为基体、以铅为散射体，将其引入舱段减振设计中进行振动响应分析，结果表明：引入声子晶体可在带隙作用范围内有效抑制振动传递，使舱段外壳的振动响应减小。
目前声子晶体减振的应用受到多种限制，使其工程实用化变得困难：①基体材料的应用限制，如硅橡胶[24]、碳化硅[25]、环氧树脂[26]、蜂窝铝[27]、混合材料[28]，各类型声学超材料[29]等;②各类型声子晶体结构设计形式及结构制造工艺的复杂性限制。
4结语
船用离心泵的减振技术历经几十年发展实现了几次跨越，但未来仍有很长的路要走。传统的减振技术经过多年发展日趋成熟，但也渐渐达到瓶颈。新型减振技术虽然具有广阔应用前景，但其机理研究尚少，同时工程应用实例不多，将其广泛运用于船用离心泵的减振降噪还需要进行大量研究。
参考文献：
[1]秦锋， 孙明太， 周利辉. 主动声纳浮标对纯机动规避潜艇探测效能研究[J]. 青岛大学学报（工程技术版）， 2013， 28（3）： 46-51.
[2]黄国富， 常煜， 张海民， 等. 低振动噪声船用离心泵的水力设计[J]. 船舶力学， 2009， 13（2）： 313-318.
[3]司乔瑞， 林刚， 袁寿其， 等. 高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计[J]. 农业工程学报， 2016， 32（4）： 69-77.
[4] Abdulrahman Al?braik， Osama Hamomd， F.Gu， et al. Diagnosis of Impeller Faults in a Centrifugal Pump Using Vibration Signals[C]. Eleventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies， 10th?12th June 2014， Manchester， UK.
[5] Adamkowski A， Henke A， Lewandowski M. Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers[J]. Engineering Failure Analysis， 2016， 70（13）： 56-72.
[6] AR Mohanty， PK Pradhan， NP Mahalik， et al. Fault detection in a centrifugal pump using vibration and motor current signature analysis[J]. Automation and Control， Vol. 6， Nos.3/4， 2012.
[7]谈明高， 王勇， 刘厚林， 等.叶片数对离心泵内流诱导振动噪声的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2012， 30（2）： 131-135.
[8]刘厚林， 王勇， 袁寿其， 等.叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2012， 40（1）： 123-127.
[9] Lu J， Yuan S， Parameswaran S， et al. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2017， 9（4）： 68-78.
[10] Gao B， Guo P， Zhang N， et al. Experimental investigation on cavitating flow induced vibration characteristics of a low specific speed centrifugal pump[J]. Shock and Vibration， 2017， 35（17）： 1-12.
[11]吴小豪， 邹永久. 船用离心泵状态监测[J]. 舰船科学技术， 2017， 39（13）： 112-115.
[12]卢永刚， 王洋， 王秀礼， 等. 管道输油泵流体噪声模拟及泵噪声测试方法[J]. 排灌机械工程学报， 2017， 35（8）： 645-651.
[13]张华良， 傅志方， 瞿祖清. 浮筏隔振系统各主要参数对系统隔振性能的影响[J]. 振动与冲击， 2000， 19（2）： 4-8.
[14]王新海， 李钰， 刘厚林， 等. 浮筏参数对船用离心泵振动特性的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2019， 37（11）： 929-935.
[15]黄建德， 丁力， 周建华， 等. 离心泵空泡脉动主动控制的实验研究[J]. 上海交通大学学报， 1998， 32（7）： 10-13.
[16]陈纠， 蔡龙奇， 刘佳， 等. 泵类设备主动浮筏隔振技术研究[J]. 核动力工程， 2019， 40（2） ：49-52.
[17] Xiao W， Chen Z， Pan T， et al. Research on the impact of surface properties of particle on damping effect in gear transmission under high speed and heavy load[J]. Mechanical Systems & Signal Processing， 2018， 98： 1116-1131.