船舶主要噪声源及噪声传递途径与降噪措施

更新时间:2017-06-27 17:44:15     文章来源:www.sarababy.com.cn     作者:森然论文代笔网

 

超声金属粉末压制技术是超声塑性加工技术的一个分支,以下是小编搜集的一篇相关论文范文,供大家阅读查看。

  引言

粉体压制成形是将预先充分混合的复合粉体置于钢制压模内,通过模冲对粉体进行加压,以获得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉体压制成形技术在材料制备和零件制造中具有诸多优点[1-2]:适用多种材料的制备,如难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料等;能压制成需要很少或不需后续机械加工的压坯,工艺流程减少,产品成本降低;可保证材料成分配比的正确性和均匀性;可生产出形状相同的产品,降低了制造成本。所以,粉体成形制品在汽车制造、信息产业、机械制造、石油化工、能源动力、国防装备、航空航天产业等高科技领域得到了广泛的应用,成为国民经济和国防建设的重要组成部分[3-11].粉体成形技术也因此成为国家重点发展的新技术,研制出高性能、高强度的粉体成形制品成为各国研究人员的目标。

粉体成形制品的密度和均匀性至关重要,提高成品的密度和均匀性不但能够提高其硬度、抗拉强度、疲劳强度等综合力学性能,还可以提高材料本身的电导率、热导率、磁导率、热膨胀系数等物理性能。高密度的粉体冶金材料还可以使零件有较好的加工性能和较好的加工表面[12-14].因此,围绕如何提高粉体成形制品的密度和均匀性,国内国际的研究人员开展了大量的工作[14-18],推出了温压、爆炸压制、快速全向压制、高速压制、动力磁性压制等粉体压制成型技术,这些技术尽管具有各自的优势,但仍存在着或工艺复杂或价格偏高或成品质量不佳或污染环境等不足(见表1),亟需探索更高效优质环保的方法。

超声波加工技术[19]最早始于1927年,随后研究人员开展了超声波应用于材料加工的多项研究和探索。研究证明:在粉体压制过程中施加一定的超声振动,不但可以有效提高压坯的密度和硬度,而且可降低粉体颗粒间以及粉体颗粒与模壁之问的摩擦,提高粉体压坯的均匀性,从而提高粉体成形制品的性能和强度[20-24].由此,国内外研究人员开展了一些针对不同材料的超声压制成形技术的研究工作。目前,超声波压制成形技术研究的对象以金属粉末为主,高分子粉末和陶瓷粉末的超声压制成形技术的研究也取得了一定的进展。

  1金属粉末的超声压制技术

超声金属粉末压制技术是超声塑性加工技术的一个分支,金属的超声塑性加工效应[25]是1955年由奥地利科学家Blaha和Langenecker首先发现的,因此也称为Blaha效应,他们在进行锌棒拉伸实验时发现,当对试件或工装模具施加超声波振动时,材料的变形力明显下降。

超声振动在材料塑性变形中的作用机制主要表现为体积效应和表面效应[26,27].“体积效应”是指超声振动外场引起材料内部微粒的振动,使材料温度升高、活性增大,出现与材料内部位错有关的热致软化,从而降低材料本身的动态变形阻力;“表面效应”主要表现为超声振动对材料和工具(即材料塑性变形中的加工工具,如挤压杆、挤压模具等)之间外摩擦的影响;同时超声振动引起工具与工件瞬时分离,局部热效应也有利于材料的塑性变形。

在体积效应和表面效应的共同影响下,根据李祺等[24]对纯铁粉700MPa压力下,常规压制与超声压制的动态压制曲线结果表明(见图1),超声压制的上模冲的位移量明显增加,即超声压制下粉体压坯密度高于常规压制的压坯密度,且超声振动可提高粉体压坯的密度均匀性。对于金属粉末,国外在超声压制成形技术的研究开展较早。1984年,日本学者Tsujino.J[20]等将大功率超声外场应用于铜粉压制试验,压制坯料高径比<1.其超声的施加方式为:在上、下模冲施加频率为20kHz的持续超声振动,阴模分别施加纵向(沿压制方向)、轴向(垂直于压制方向)和多向(与压制方向呈一定角度)的超声振动,如图2所示。实验结果表明,在200MPa的压力下,多向超声外场可以将铜粉压坯密度提高20%,且坯密度分布更加均匀。1991年,TsujinoJ等[21]在真空条件下,在铜粉(压坯高径比<0.5)压制过程中施加多向复杂大功率超声外场。实验结果表明,在超声振动作用下,金属粉体压坯的密度得到了有效提高,密度分布更均匀。

2008年,Tsujino等[22]再次应用多向复杂超声压制装置对铜粉和铁粉分别进行了成品直径为15mm和5mm的压制实验,无超声和有超声的压制成品外观对比见图3,由图3明显可见,有超声加载的压坯表面更平整和光滑。2008年,为提高超声马达磁芯的质量,KIKUCI等[23]设计了金属粉体磁芯的多向超声振动压制设备(见图4),并通过有限元仿真的方法研究了超声振动在压制模具中的传递方式,优化了超声压制设备的尺寸,使超声振动能够更有效地传递至粉体压坯,随后又在300MPa条件下进行了粉体SMC500(粒子大小120μm)和SMC550(粒子大小150μm)的压制实验,压制时间8s.绘制的密度和超声振幅的实验数据表明(见图5、6),超声振动的振幅越大,粉体压坯的密度就越大。2009年,HyunRokCha等[28]进一步对使用SMC粉体进行超声压制高效磁芯马达的相关工艺参数进行了仿真分析和优化,得到压制密度为7.4g/cm3的参数设置为830MPa,12个以上的振子,振子的输入功率为6000W.2011年,H.R.Cha对使用超声压制技术进行碳化钨纳米粉末压制的压坯密度和硬度进行了研究[29],实验结果表明,与常规压制对比,压制过程中,对模具外周沿径向均匀施加频率20kHz纵向半波振幅的6kW功率超声,压坯的密度最高可提高1.0~0.18g/cm3,硬度可提高20%;超声压制压坯密度的提高在较低压制压力下更明显,200MPa压制压力下压坯密度增加约15%,而250MPa压力下压坯密度增加则只有2%~3%.2014年,Y.Daud等[30]设计了仅在下模冲施加20kHz纵向振动超声的粉体简易型超声压制装置,进行了不锈钢粉体的超声压制实验,通过对模冲压制力位移数据的分析研究,得出结论认为:超声压制可以明显地以较低压制压力使得模冲位移提高140%~170%,从而说明超声压制方法对粉体压制是行之有效的。

国内,李祺等[24]在2010年前后开展了粉末材料的超声压制装置和技术的研究;研制出超声粉末压制试验装置(见图7);根据超声粉末塑性成形机理和超声减摩效应,利用有限元仿真了超声粉体的压制成型过程;以还原纯铁粉为原料,开展了超声粉体压制实验,和常规压制的压坯密度进行了对比分析。研究结论认为:(1)压制压力在300~500MPa时,超声压制和常规压制的压坯密度均随压力增加而上升,变化趋势相同,但在500~700MPa压制压力时,常规压制的压坯密度基本不再随压力增加而上升(见图8);(2)与常规压制相比,在压制压力300~500MPa下,超声压制的压坯密度高0.1g/cm3,在500~700MPa的压制压力下,超声压制的压坯密度增幅达0.3g/cm3(见图8);(3)700MPa压制压力下,超声压制压坯的最大密度差为0.6g/cm3,常规压制压坯的最大密度差为0.76g/cm3,超声振动压制的孔隙率降低了4.3%(见图9、10);(4)随着超声振动作用时间增加,压坯密度增加;增加装粉量,即与模壁接触面积增加,有利于提高超声振动压制密度(见图11)。

  2陶瓷粉体的超声压制成型

现代陶瓷制品的成形属粉体或颗粒状材料成形,其成形过程与粉体压制的过程相同。因此,陶瓷粉体的压制成型一般采用金属粉体相同的技术。

超声应用于陶瓷的压制成形,最早是在1991年,日本学者Tsujino.J等[21]在真空条件下采用多向复杂大功率超声外场进行了压电陶瓷PZT粉体的压制实验,实验用材料为PZT陶瓷粉体2~8g,成形制品的高度-直径比为0.12~0.49(该装置也用于铜粉的压制实验)。结果表明,在超声振动作用下,陶瓷粉体压坯的密度得到了有效提高,密度分布更均匀,且压电陶瓷压坯的电学性能和机械特性比常规的压制方法更好。2008年,Tsujino等[22]再次应用多向复杂超声压制装置对混合有少量树脂粘结剂的二氧化锆粉体(陶瓷粉体)分别进行了成品直径为15mm和5mm的压制实验,结果有超声加载的压坯表面更平整和光滑。

1997年起,俄罗斯学者Khasanov等[31,32]以静压740MPa和超声电功率1.5kW,使用超细纳米陶瓷粉体进行了PZT压电陶瓷的超声压制成型实验,压制出直径10.1mm、厚2.5mm的试样,通过与无超声方法压制出的试样密度和陶瓷粒子大小等进行对比分析,表明超声压制方法可以得到密度更高、粒子更小因而结构更均匀的压电陶瓷。此后,他们对不同压力和超声功率下[33],以模体轴向为基准,分别在横向与纵向施加超声压制出的压电陶瓷的密度、粒子、硬度、断裂刚度等进行了分析,认为与粉体模体轴向垂直的横向施加超声可以得到最优特性的压电陶瓷(密度达5.78g/cm3,粒度300nm),如图12所示。图中(+)表示横向施加超声的压制;(=)表示纵向施加超声的压制。此后,又针对纳米陶瓷粉体干法压制压电陶瓷过程中,工艺参数如压力、超声功率等对压电陶瓷性能的影响进行了研究[34],对压力99.2MPa下不同功率的陶瓷密度(见图13)分析后认为,烧结后致密度较高的工艺参数为压力P=99.2MPa,超声功率W=1kW.

目前,在国内关于陶瓷粉体的超声压制技术的研究还几乎没有报道。

3高分子粉体的超声压制成形

当前,高分子材料特别是塑料的使用范围正日益扩展,被广泛用于制造火箭、导弹、超音速飞机、原子能设备、大规模集成电路以及军事装备等所需要的各种零部件,在许多领域开始逐步取代钢铁等传统材料,对于高分子塑料成形制品的技术研究在不断深入和拓展。

同传统的熔体模塑成型方法相比,塑料粉体的固相压制成形有许多优点:成型是在室温下进行的,比传统的熔体加工技术节省能源,且不会像注塑成型那样对制品的厚度有限制;能较为容易地加工一些难加工的塑料,例如某些在温度高至其热分解温度时仍然是固态的塑料,某些在模塑温度下粘度太高的塑料,以及目前使用较多的质优价廉的高填充量塑料。由此,压制成形技术在高分子塑料零部件制造中的应用日益增多。然而,在实际的压制成形中也发现,对某些塑料粉体而言,即使采用高压(200~500MPa)冷压缩成型方法也很难加工,但是,采用超声波则可以在低压力下(3.5MPa)把这些塑料粉体加工成产品[35].

国外对塑料粉体的超声成形研究始于1974年,H.V.Fairbanks[36]首先进行了热固性和热塑性粉体成形过程中仅施加20kHz超声和一定压力而不额外加热的试验,表明塑料粉体的超声压制成形是可行的。

1981年,Paul利用超声波焊接装备(900W、20kHz)模塑了聚丙烯粉体,并且优化了模塑件的强度[37].

结果表明:影响模塑件强度的参数主要是超声波的作用时间以及随后的保压时间;塑料粉体的粒径越小,模型件的拉伸强度越高;压力对强度无显着影响。最佳条件下得到的试件,其拉伸强度是20MPa,约为注塑件拉伸强度的80%.超声波塑料粉体压制成形不仅适合于那些热敏性的材料,而且也适合于高分子量的聚合物,如超高分子量聚乙烯粉体。1990,Benatar等人[38]研究了高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯的超声波粉体压制成形,用普通超声波塑料焊接机完成了这些粉体的压制成形。结果表明:超声波压制技术具有许多优点(如无需外部加热、成型周期短、易于加工其它方法难于成形的增强塑料等)。日本学者前田祯三[39]及松冈信一[40]也进行了类似的研究。

有机含能材料一般具有较高的能量密度、机械强度,压制成形技术中的安全性以及压制成品的最终性能参数是研究关注的主要方向[41,42].中国科学院声学研究所东海研究站开展了超声波加载对含能有机复合粉体成形效果的作用研究,以高聚物黏结炸药(PBX)代用粉体为原料,进行了超声压制和常规压制的对比实验。在相同压力、环境条件下,与常规压制取得的压坯相比,超声压制的压坯密度可提高1.79%左右,弹性模量提高10%左右(见表2);利用CT成像技术对压坯进行扫描(见图14),显示均匀性也有一定程度的提高;利用声速法对压坯进行测试(见图15),超声压坯的超声纵波声速为1017m/s,而常规压制压坯的纵波声速是962m/s,这表明压坯强度明显提高,利用FLUKETi25热像仪对压制刚完成的压坯进行测量,其表面温度分布均匀,未出现局部过热现象。实验结果表明,超声波加载成型技术对提高含能材料的密度,降低内应力,提高成品品质具有显着的促进作用,此外,对于含能材料而言,压制过程中无局部过热现象,可以保证压制过程的安全性。

  4结语

综合粉体材料压制成形的超声加载技术研究,可以看出,超声压制成形技术与当前常用的技术相比,具有明显的优点:压坯密度和均匀性有效提高;适用于多种粉体材料,如金属粉末、陶瓷粉末、高分子粉末等;对于高能量密度的有机含能材料而言,压制成形过程中不出现局部过热现象,具有较高的安全性;超声压制技术可以与其他技术如温压、高速压制等相结合,以降低预先施加的压力,可以降低生产成本等。然而,目前国内外的工作仍以实验为主,缺乏对成形过程中的细观力学特性、超声加载对成形过程和内部质量影响机制等的理论研究、工艺技术仍停留在实验室研究阶段,装置还不完备,要得到广泛工业化应用,还有很多工作要做。

近年来,随着对船员健康保护意识的增强,国际海事组织(IMO)于2012年11月30日以MSC.337(91)决议方式通过《船上噪声等级规则》(以下简称《规则》),并以MSC.338(91)决议通过SOLAS修正案。该修正案中新增II-1/3-12条噪声防护,将《规则》作为强制要求,并将于2014年7月1日生效实施。为此,以某80.6m平台供应船(PSV)为例,分析船舶降噪措施的综合运用。

1工程概况

该平台供应船总吨位在3000~10000之间,虽然该船建造合同日期签订较早,不适用《海上噪声等级规则》。但为确保船员有一个舒适的环境,船东申请该船需满足CCS船级社舒适性COMF(NOISE3)船级符号的要求,而COMF(NOISE3)船级符号的要求与《海上噪声等级规则》的要求基本一致。因此,在该船从设计到建造的一系列过程中,采取诸多噪声控制措施以满足其控制噪声要求。

2主要噪声源及噪声传递途径分析

相对于常规船舶,该平台供应船由于设备多,空间狭小,布局紧凑,对噪声的控制难度要大于一般船舶。其噪声源主要包括:吊舱式电力推进器、艏侧推、发电机组、风机等,主要噪声源见图1。该船噪声源产生的噪声主要有两种途径向外传播,见图2。一种是通过空气进行传播,称为空气噪声。其主要特点为:透过噪声源舱壁板向外辐射以及透过其他一切可能通道(如板缝、楼梯道、烟囱、门窗等)向其他舱室传播。由于空气噪声主要为中高频段噪声,其在进行每一次声能与振动机械能的转化过程转中,能量损耗较大,考虑到80.6m平台供应船上层建筑布局紧凑,因此该船上层建筑居住舱室的空气辐射噪声较小。另一种是通过船体结构向外传播,称为结构噪声,其主要特点为:由通过噪声源的振动传到船体结构,再由甲板、舱壁和其它结构表面振动引起周围空气的弹性振动,从而产生人耳能够听到的空气噪声。由于此类噪声主要是中低频噪声,很容易传遍全船而达到各个舱室,特别是当船体结构固有频率和声波频率一致时,会发生吻合效应,导致该处出现较强的结构噪声。【图1-2.略】

3主要降噪措施

3.1控制噪声源

1)传统的主机-轴系-齿轮箱-螺旋桨的推进方式,由于机械传动的本质特点,使其成为船上噪声控制难度最大的地方。设计选型初期,考虑到该船的使用特点以及噪声方面的特殊要求,在推进系统方面摒弃传统的主机-轴系-齿轮箱-螺旋桨的推进方式,采用发电机-电缆-变压变频器-推进器推进方式,同时推进器以整体吊舱的形式安置于船体艉部。这种吊舱式电力推进系统,一方面降低了传统推进形式中主机所产生的噪声;另一方面由于吊舱的整体性,船上省去一些附属装置,使船艉型线得到改善,水流经过螺旋桨时更加均匀,因此螺旋桨诱导的船艉振动及噪声性能得以改善。

2)采用电力推进系统,主发电机组为船上最大噪声来源。发电机组由4台1550kW主发电机组成,发电机安装时主要采取加装隔声罩和隔振器的措施来降低振动及噪声。本船选用隔声罩形式为阻尼负荷加筋板结构形式,隔振器采用金属弹簧隔振装置。这种隔声罩和隔振器的布置,一方面采用弹性-粘弹性阻尼结构的隔声罩吸收发电机的噪音;另一方面隔振器的弹簧压缩变形吸收发电机振动能量,从而减少对船体结构的振动。

3)艏侧推是船上比较大的噪声源。由于艏侧推的结构和布置形式很难改变,为了降低该处噪声,在艏侧推产品生产初期,即要求厂家在艏侧推筒体上增加多道纵横加强筋,并在船上安装时使上述加强筋均与船体结构相连接,通过增加了侧推筒体的支撑及强度,来减少艏侧推引起的振动,从而降低噪声。

4)选用进口的低噪声的风机。设备选型时以分机噪声值不得超过为35dB为主要参考因素。同时,对进、排气口及管壁的空气噪声采用消声器或绝缘层等措施。

3.2传递途径中的降噪措施

噪声传输途径中的控制是最常用的办法。因为一旦机器设计制造和安装完毕,再从声源上控制噪声就会受到限制。

1)该船在舱室布置上遵循噪声源和舱室隔离原则,在主甲板与机舱间设置二甲板作为噪声缓冲区,并将集控室与机修间置于二甲板,尽量减小工作舱室、居住舱室与机舱这一主噪声源的直接接触。贯穿整个上层建筑的烟囱旁设置过道、盥洗室、储藏室等作为缓冲区,与工作舱室、居住舱室隔离。

2)噪声传递途径中一个重要因素是甲板和舱壁的隔声、吸声性能。目前船舶舱室的防火分隔主要采用甲板敷设防火敷料和舱壁贴附陶瓷棉和隔热棉实现,上述材料对舱室噪声有一定的降噪效果,但是距离《海上噪声等级规则》的要求还远远不够。与一般船舶相比较,80.6m平台供应船在各层甲板和舱壁的隔声绝缘处理上有以下几个特点。

(1)二甲板采用浮动隔声地板系统重点隔离机舱噪声源,见图3。该系统用隔热材料、阻尼材料分层敷设在钢甲板上作为底层材料,并和舱壁组合,相比常规浮动甲板多了2层阻尼层及镀锌钢板层,能起到明显的减振及降噪作用。(2)主甲板及以上各层甲板主要采用隔声地板,在钢甲板的表面增加一层阻尼层和高密度岩棉,其节点见图4。【图3-4】

(3)由于本船的机舱及艏侧推舱均位于上层建筑下方,当上述舱室机械设备工作时产生的噪音会直接传递到上层建筑,所以对整个机舱及艏侧推舱的甲板和舱壁均采用敷设吸音、隔音材料的隔音减振方案,其中舱壁采用在2层隔声岩棉之间加了1层铝箔的结构形式(见图5),从而提高了该处所的隔声、吸音效果。【图5】

3.3个人防护措施

业界对噪声个人防护措施着重于为船上人员设置隔声间、配备护耳器、限制船员在高噪区域的工作时间等措施来降低噪声对船上人员的影响。特别需注意的是《海上噪声等级规则》不但对不同处所的噪声级限值做出规定,还对船上不同岗位的等效连续噪声暴露有明确要求,即24h期间内,任何岗位人员的等效连续噪声暴露不得超过80dB。因此船上每个工作岗位人员都具备有一份听力保护方案(《噪声暴露等级计算报告》),并明确规定了船员于每一特定处所的工作时间。

以80.6m平台供应船为例,该船在系泊试验阶段对部分舱室噪声值进行了预测,在满载、主机功率为最大持续额定功率的80%,艏侧推功率为最大推进功率的40%的状态下。测得部分舱室噪声级见表1,表中舱室噪声级均符合依据《海上噪声等级规则》对相关处所的噪声级限值。【表1】

依据《海上噪声等级规则》中每类船员噪声暴露级的计算公式得出该船轮机员的噪声暴露级计算结果见表2。依据表2,该轮机员噪声暴露级为80.7dB,但《海上噪声等级规则》要求所有船员的噪声暴露等级不超过80dB。故在最终批准的该轮机员的听力保护方案中,通过调整该轮机员于不同工作处所的工作时长(见表3),使得该轮机员的噪声暴露级降为79.5dB,从而符合规则中对噪声暴露等级的要求。【表2-3】

4结论

1)主动控噪应用。目前国内船企对船舶噪声控制多数是采取被动降噪的办法,新规则的实施使被动降噪成本急剧增加。因此,在船舶的设计和建造初期对主要噪声源尽可能地选用低噪声设备,在与噪声源相联系的船舶结构形式上采用结构补强和减振形式,同时在舱室布置上遵循噪声源和舱室隔离原则,能有效降低船舶噪声。

2)新技术、新材料的应用。在船上主要人员活动区域(即居住区和工作区)的甲板和舱壁敷设隔声材料已成为降低船舶噪声的必要的措施。目前上述隔声材料逐渐开始由传统的“钢结构+消声覆盖层”的吸声结构向多层次结构复合材料发展,这种复合结构具有振动阻尼性能好、降低声辐射、容易成型等优点,将成为未来船舶降噪材料研究的重要方向。

3)合理的听力保护方案的制定。船上噪声控制过程中应重视与《海上噪声等级规则》的要求相结合,除了采用物理降噪措施外,通过合理分配每一船员的工作时间和工作处所来制定听力保护方案(噪声暴露等级计算报告),能有效满足《海上噪声等级规则》对船员噪声暴露级的要求。

4)舱室噪声预报应用。本文对船舶的噪声控制的研究主要集中在船舶建造中后期,依据噪声的产生及传递机理,船舶建造后期采用降噪减振技术往往“高投入、低收益”。如何在船舶设计及建造过程中综合采用舱室噪声预报技术,在船舶概念设计、基本设计、详细设计、生产施工各阶段对目标船进行声学评估并及时调整降噪方案,能有效降低降噪成本,是今后船舶降噪的重点研究方向。

参考文献

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