20 000 t近海散貨船有害振動(dòng)診斷及治理*

林永水 吳衛(wèi)國 翁長儉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

20 000 t近海散貨船有害振動(dòng)診斷及治理*

林永水 吳衛(wèi)國 翁長儉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

針對(duì)20 000 t 近海散貨船的有害振動(dòng)問題，通過實(shí)船振動(dòng)測(cè)試、自航與拖模試驗(yàn)、尾部伴流場(chǎng)評(píng)估和三維有限元計(jì)算，找到主要振源是螺旋槳.振動(dòng)問題的根源是尾部線型不合理，導(dǎo)致伴流嚴(yán)重不均勻和不定常，引起的螺旋槳葉頻和倍葉頻激勵(lì)過大.提出更換螺旋槳、采用阻尼減振等一攬子綜合減振措施.更換螺旋槳后，船舶的劇烈振動(dòng)得到明顯改善，滿足ISO—6954振動(dòng)衡準(zhǔn)要求.同時(shí)在營運(yùn)船舶有害振動(dòng)診斷與治理方面取得了寶貴經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)船舶設(shè)計(jì)階段的防振提出建議.關(guān)鍵詞：船舶振動(dòng)；螺旋槳脈動(dòng)壓力；診斷；治理 ；減振

0 引 言

隨著船舶的大型化和高速化，船舶振動(dòng)異常問題層出不窮.近年來國內(nèi)對(duì)船舶異常振動(dòng)的診斷與治理做了很多富有成效的工作.文獻(xiàn)[1]對(duì)2 000 m3冷藏運(yùn)輸船異常振動(dòng)原因進(jìn)行了分析，先后采取了包括結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，尾柱兩邊增設(shè)前置導(dǎo)管，舵板上增設(shè)制流板及導(dǎo)流鰭，以及割槳換槳等一系列措施，振動(dòng)情況并未明顯改善.最后對(duì)尾部線型分析得知，線型參數(shù)不合理，導(dǎo)致尾部流場(chǎng)紊亂不均勻，引起振動(dòng)異常.在尾部增設(shè)垂直整流鰭并繼續(xù)使用原來的螺旋槳，振動(dòng)問題得到完美解決.文獻(xiàn)[2]對(duì)48 m集裝箱船尾部異常振動(dòng)原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為該船是干擾力引起的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)，最后通過增加槳的葉數(shù)和減小槳的直徑，以及槳后移，振動(dòng)得到明顯的改善.文獻(xiàn)[3]針對(duì)52 000 t 大艙口多用途貨船有害振動(dòng)問題，研究指出，葉頻激勵(lì)引起上層建筑整體縱向共振是振動(dòng)異常的主要原因，采取了在螺旋槳上方船殼板上加垂直整流鰭、上層建筑用斜撐桿加強(qiáng)和改變桅桿結(jié)構(gòu)尺寸等措施后，治理取得了成功.文獻(xiàn)[4]對(duì)1 600 m3冷藏運(yùn)輸船異常振動(dòng)現(xiàn)象和原因進(jìn)行了分析，從船體固有頻率、船體共振、主機(jī)軸、齒輪箱結(jié)構(gòu)和安裝、螺旋槳空泡現(xiàn)象、螺旋槳激振力、葉頻干擾力，以及船體線型、結(jié)構(gòu)和尾部水流等多方面分析，最后得出尾部型線不合理導(dǎo)致尾部流場(chǎng)紊亂是振動(dòng)異常的主要原因，采取了安裝整流鰭片的措施，不僅振動(dòng)治理取得了良好的效果，其他的性能也取得了提高.文獻(xiàn)[5]對(duì)某靈便型散貨船的尾部劇烈振動(dòng)進(jìn)行分析，對(duì)該船后體船形及其伴流分布分析，認(rèn)為伴流峰值過大，分布欠佳，且尾流場(chǎng)異常是導(dǎo)致振動(dòng)的根本原因.設(shè)計(jì)加裝了整流鰭后振動(dòng)異常明顯改善.文獻(xiàn)[6]在采取尾部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，更換螺旋槳等參數(shù)沒有取得明顯效果后，最終通過采用尾柱整流鰭改善了船舶的異常振動(dòng).文獻(xiàn)[7]分析了雙導(dǎo)管螺旋槳船產(chǎn)生振動(dòng)的原因是螺旋槳在不均勻流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的激振力所致，在無法改變線型的條件下，設(shè)計(jì)并加裝尾部整流鰭，使得該船振動(dòng)得到降低并順利交船.文獻(xiàn)[8]在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上深入分析了引起振動(dòng)異常的原因，認(rèn)為尾部型線設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致螺旋槳盤面處尾流的非定常及分布不均勻性是導(dǎo)致船體劇烈振動(dòng)直接原因，進(jìn)一步揭示船尾槳前垂向整流鰭的減振機(jī)理.

綜合以上分析，文獻(xiàn)[1-7]都是按照傳統(tǒng)的理論分析認(rèn)為尾部型線設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致尾部流場(chǎng)的不均勻是船舶異常振動(dòng)主要原因.在對(duì)前人的研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)[8]的觀點(diǎn)，以及本船的測(cè)試分析，認(rèn)為更為主要的原因是尾部型線設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的尾部流場(chǎng)的紊亂不定常.除了螺旋槳空泡會(huì)使脈動(dòng)水壓力成倍或幾十倍增加外，流場(chǎng)的不定常也會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)水壓力幅值發(fā)生急劇變化.

1 振動(dòng)評(píng)價(jià)、診斷與振因分析

本次異常振動(dòng)的2艘20 000 t近海散貨船為單機(jī)單槳尾機(jī)型船，是同一廠家按照同一套設(shè)計(jì)圖紙建造的姊妹船，其基本參數(shù)如下：垂線間長149.8 m，型寬23 m，型深12.38 m，滿載吃水9 m，上層建筑共5層，總高13.6 m，螺旋槳葉數(shù)為5葉、直徑4.4 m、盤面比0.489、主機(jī)額定功率為4 400 kW，額定轉(zhuǎn)速為175 r/min.該船投入營運(yùn)后船體尾部振動(dòng)劇烈，嚴(yán)重影響船員的正常工作和休息.首先采取實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)本船的振動(dòng)原因進(jìn)行分析，為治理提供依據(jù).

1.1 船體尾部振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)

1.1.1 工作區(qū)與生活區(qū)振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)

根據(jù)ISO—6954《商船振動(dòng)綜合評(píng)價(jià)指南》和《船體振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)》(GB/T7452—1996)，測(cè)試數(shù)據(jù)表明2船尾部船體和上層建筑部分工作和居住場(chǎng)所的振動(dòng)較為嚴(yán)重，有些艙室落入振動(dòng)難以接受區(qū).劇烈振動(dòng)影響船員正常工作和身體健康.

1.1.2 非工作區(qū)與生活區(qū)振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)

B船測(cè)試數(shù)據(jù)表明前后舵機(jī)艙和左右尾壓載艙振動(dòng)劇烈，其中尾壓載艙(右)加速度峰值達(dá)到1.105g，這說明螺旋槳上方的船底結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)劇烈.如果長時(shí)間處于這種劇烈振動(dòng)狀態(tài)，將會(huì)使船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大部位產(chǎn)生裂縫或者疲勞損壞，對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全帶來不利影響.

1.2 尾部流場(chǎng)分析與評(píng)價(jià)

本船為單槳船，從線型圖上可以看到螺旋槳槳盤附近的剖面形狀為V形.尾部流場(chǎng)仿真見圖1，可以看到槳盤面內(nèi)流線比較稀疏，且存在較強(qiáng)的向上流動(dòng)，表明螺旋槳供水不足，在螺旋槳的抽吸作用下，會(huì)導(dǎo)致螺旋槳附近的流場(chǎng)紊亂不穩(wěn)定.螺旋槳槳盤伴流分布見圖2，伴流的變化梯度較大，船后伴流不均勻較為明顯.這反映船舶的尾部線型不合理，來流去流不順暢，導(dǎo)致尾部的伴流在空間分布上不均勻，在時(shí)間分布上不定常.

圖1 船舶尾部流場(chǎng)分布

圖2 螺旋槳槳盤伴流等值曲線

1.3 振動(dòng)原因分析

1.3.1 振動(dòng)現(xiàn)象描述

振動(dòng)現(xiàn)象如下：(1) 重載航行時(shí)，轉(zhuǎn)速從140 r/min以后，尾部振動(dòng)開始加劇，且隨著轉(zhuǎn)速的增加響應(yīng)逐漸的增大，在舵機(jī)艙和壓載水艙可以聽到陣發(fā)性的“哐當(dāng)”錘擊聲，隨著轉(zhuǎn)速增加，錘擊聲更加劇烈，頻率加快，這種聲音明顯來自螺旋槳上方船底板；(2) 船舶在不同的海況(包括洋流、風(fēng)級(jí)和浪級(jí))和裝載狀況下，振動(dòng)響應(yīng)差異較為明顯，測(cè)試數(shù)據(jù)明確反映了這一點(diǎn).空載下振動(dòng)明顯較重載航行?。?3) 主機(jī)軸系在測(cè)試工況下，沒有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象.對(duì)螺旋槳質(zhì)量進(jìn)行了檢查，制造精度較好，動(dòng)平衡無問題；(4) 船進(jìn)塢后觀察到螺旋槳表面光滑，無明顯剝蝕現(xiàn)象，說明空泡現(xiàn)象不嚴(yán)重；(5) A船結(jié)構(gòu)整改(采取增加支柱、縱桁，以及在尾壓載艙澆注水泥等措施)后，減振效果并不明顯，振動(dòng)反而向上層建筑振動(dòng)傳遞.

1.3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

2船尾部振動(dòng)測(cè)試分別在渤海和黃海海域進(jìn)行.具體測(cè)試結(jié)果和分析見文獻(xiàn)[9].

為了數(shù)據(jù)圖像便于觀察，在圖像處理時(shí)將主機(jī)傾覆力矩頻率和2倍主機(jī)傾覆力矩頻率響應(yīng)沿頻率軸前移動(dòng)3個(gè)單位.圖像的縱坐標(biāo)均表示對(duì)應(yīng)頻率下的加速度幅值.對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到以下結(jié)論.

1) 圖3為主機(jī)轉(zhuǎn)速155 r/min時(shí)餐廳測(cè)點(diǎn)和舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)時(shí)域垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)譜，對(duì)測(cè)點(diǎn)時(shí)域振動(dòng)加速度響應(yīng)譜比較發(fā)現(xiàn)，同一工況同一轉(zhuǎn)速下，加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間驚人的一致，振動(dòng)加速度在瞬時(shí)放大十幾倍甚至幾十倍，具有明顯的脈沖性.峰值的時(shí)間間隔具有明顯的離散性.

圖3 A船時(shí)域垂向加速度響應(yīng)譜

2) 測(cè)試數(shù)據(jù)表明同一測(cè)點(diǎn)在不同的工況下，振動(dòng)響應(yīng)差異較大，具有隨機(jī)性.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)某些測(cè)點(diǎn)，工況2的響應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況1.主甲板尾端點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明船舶沒有出現(xiàn)尾部船體共振.

3) 圖4、圖5表明轉(zhuǎn)速從140 r/min起，葉頻、倍葉頻、主機(jī)氣缸的傾覆力矩頻率和2倍主機(jī)氣缸的傾覆力矩頻率下的響應(yīng)均增加，其中倍葉頻響應(yīng)的增加要比其他諧次頻率響應(yīng)更明顯.

4) 從圖4、圖6可以發(fā)現(xiàn)上層建筑測(cè)點(diǎn)中倍葉頻激勵(lì)引起的響應(yīng)較大，從圖5、圖7比較發(fā)現(xiàn)主甲板以下測(cè)點(diǎn)中葉頻、倍葉頻激勵(lì)導(dǎo)致的響應(yīng)均很大.

圖4 A船上層建筑測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)

圖5 A船主甲板下測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)

圖6 B船上層建筑測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)

圖7 B船主甲板下測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng) Y-1-螺旋槳葉頻；Y-2-2倍的螺旋槳葉頻；Z-1-主機(jī)氣缸 的傾覆力矩頻率；Z-2-2倍的主機(jī)氣缸的傾覆力矩頻率.

1.3.3 振動(dòng)源與振動(dòng)原因的分析

各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)譜分析表明，葉頻和倍葉頻的響應(yīng)分量在某一轉(zhuǎn)速下較其他激勵(lì)頻率分量要大，可以推斷螺旋槳是主要的振源，且激勵(lì)主要為螺旋槳葉頻和倍葉頻干擾力.總結(jié)起來本船產(chǎn)生振動(dòng)異常的主要原因如下.

1) 尾部水下部分線型設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致船后伴流極度不均勻不定常.本船設(shè)計(jì)參考的母型船為雙槳船，線型變換后其尾垂線前0.1L處的橫剖面的形狀參數(shù)τ=a/b=0.87(其中,a=4.621 m，b=5.284 m，見圖8)，為極V形，伴流的不均勻性大，容易出現(xiàn)伴流較高的峰值，對(duì)許多單槳海船的分析表明，τ高于0.4者振動(dòng)已經(jīng)很劇烈.一般在槳軸線以上(0.2～0.6) 螺旋槳直徑D的范圍內(nèi)水線去流角不得大于30°，該船在5 280 WL處的去流角到達(dá)了72°，見圖9.本船0.17D處尾柱半寬值為螺旋槳直徑的13%，0.6D處尾柱半寬值為螺旋槳直徑的45%.文獻(xiàn)[6]建議在槳軸線以上(0.2～0.6)D范圍內(nèi)“尾柱半寬”最好不應(yīng)大于槳直徑D的5%.根據(jù)以上分析可以判定船的尾部水下線型設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致伴流分布不均勻，螺旋槳前方來流不順，流場(chǎng)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致螺旋槳干擾力幅值增大.

2) 螺旋槳與尾部線型配合不當(dāng).螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中，一部分處于低伴流區(qū)，一部分處于高伴流區(qū)其幅值，使得螺旋槳槳葉受力不平衡，尤其螺旋槳參數(shù)選取的不合理，增大了螺旋槳不平衡力.同時(shí)螺旋槳設(shè)計(jì)沒有考慮伴流不穩(wěn)定的影響，其始終處于紊亂水流的干擾中，導(dǎo)致產(chǎn)生過大脈動(dòng)壓力，且可能成倍或幾十倍增加.

圖8 橫剖面形狀參數(shù)τ

圖9 5280水線去流角

2 綜合減振措施設(shè)計(jì)

本系列船的振動(dòng)問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到船舶的正常營運(yùn)，必須采取減振措施[10-11].從經(jīng)濟(jì)性角度和工程實(shí)際出發(fā)，修改尾部線型已經(jīng)不允許，因此首先從更換螺旋槳入手，改變其設(shè)計(jì)參數(shù)，降低激勵(lì)幅值，其次采取合理的阻尼措施，在振源處對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行吸收，再者對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使固有頻率與激勵(lì)頻率錯(cuò)開，避免發(fā)生共振.

2.1 更換螺旋槳

按照本船線型、主機(jī)功率、航速要求、稍隙比等因素確定了螺旋槳主要要素，同時(shí)應(yīng)用仿真軟件對(duì)尾部流場(chǎng)的伴流分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照環(huán)流理論及切片理論，考慮船后伴流不均勻性，選取各半徑處最適宜的螺距和切面形狀.同時(shí)增大螺旋槳的側(cè)斜角到24.5°，并采取稍部卸載措施.與原螺旋槳相比，減小了螺旋槳直徑，增加了盤面比等，在保證快速性的基礎(chǔ)上，著重降低螺旋槳脈動(dòng)壓力，作用于螺旋槳上方船底板的脈動(dòng)壓力，以及改善螺旋槳空泡性能.

2.2 設(shè)計(jì)安裝垂直導(dǎo)流鰭

導(dǎo)流鰭可以有效改變尾部流場(chǎng)，使其變得均勻和穩(wěn)定.因此建議安裝垂向?qū)Я黯?

2.3 阻尼減振

采用阻尼減振是降低船舶振動(dòng)噪聲的重要手段，阻尼材料具有在不改變艦船原有設(shè)計(jì)和設(shè)備的情況下有效減振降噪的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)和噪聲的控制具有特殊效果.螺旋槳作用于船底板的脈動(dòng)壓力很大，為了降低相應(yīng)區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)，建議在螺旋槳上方船底板，以及機(jī)艙外板敷設(shè)船用阻尼涂料T54/T60.

2.4 尾部結(jié)構(gòu)改造

為彌補(bǔ)上層建筑的支承剛度，于舵機(jī)艙平臺(tái)上面增加支柱和構(gòu)成支柱節(jié)點(diǎn)的附加短縱桁和肘板.為了改變局部結(jié)構(gòu)的固有頻率，建議在船長甲板和艇甲板增加縱桁和相應(yīng)的垂直扶強(qiáng)材并加厚，兩者用肘板連接.

3 治理效果

螺旋槳重新設(shè)計(jì)并更換后，2船的快速性能變化不大，振動(dòng)響應(yīng)大大降低，尤其是倍葉頻激勵(lì)引起的響應(yīng)大幅降低，工作和居住場(chǎng)所的振動(dòng)均滿足ISO—6954振動(dòng)衡準(zhǔn)要求[9].圖10給出了時(shí)域的加速度譜，與圖3相比，響應(yīng)的變化更為均勻，沒有出現(xiàn)急劇增加的峰值.圖11從側(cè)面反映換槳后螺旋槳激勵(lì)大大降低.換槳后，取得了較好的治理效果，因此其他減振措施并沒有繼續(xù)實(shí)施.需要說明的是換槳并沒有完全上解決本船的振動(dòng)問題，在某些工況下，一些場(chǎng)所的振動(dòng)會(huì)落入振動(dòng)輕微區(qū).

圖10 A船機(jī)換槳后機(jī)艙外板測(cè)點(diǎn)155 r/min 時(shí)域垂向加速度響應(yīng)譜

圖11 B船換槳前后舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)螺旋槳激勵(lì)和 主機(jī)激勵(lì)下加速度響應(yīng)峰值比較

4 結(jié)束語

本船出現(xiàn)劇烈尾部振動(dòng)問題的根本原因是螺旋槳激振力過大.主要原因是尾型設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致尾部流場(chǎng)的不均勻及不穩(wěn)定，導(dǎo)致脈動(dòng)水壓力劇增.以往出現(xiàn)此類振動(dòng)，認(rèn)為是尾部伴流不均勻以及螺旋槳空泡所致，分析表明尾部流場(chǎng)的不定常也會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)壓力劇增，使得尾部振動(dòng)異常，其機(jī)理需待進(jìn)一步研究.此外，螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)未能考慮尾流不均勻性和不穩(wěn)定性的影響，也會(huì)導(dǎo)致螺旋槳激振力過大.因此，在設(shè)計(jì)階段，要將尾型設(shè)計(jì)、螺旋槳設(shè)計(jì)與振動(dòng)預(yù)報(bào)相結(jié)合，綜合考慮.

實(shí)船振動(dòng)測(cè)試的響應(yīng)時(shí)域譜分析和頻域譜分析相結(jié)合，可為振動(dòng)異常原因診斷提供有效的分析手段，能直接找到振動(dòng)異常的主要振源及形成原因，為治理工作提供科學(xué)依據(jù).

螺旋槳引起的尾部強(qiáng)迫振動(dòng)，改變局部結(jié)構(gòu)的剛度并不能根本解決振動(dòng)問題.必須從振源入手.在不改變線型的限制條件，一方面可以優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)，另一方面設(shè)置導(dǎo)流鰭.文中基于環(huán)流理論和切片理論的螺旋槳理論設(shè)計(jì)，采取的更換螺旋槳的減振方法可以根據(jù)具體情況運(yùn)用到有類似振動(dòng)情況的船舶.

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Diagnosis and Treatment for Harmful Vibration of 20 000 ton Offshore Bulk Carrier

LIN Yongshui WU Weiguo WENG Changjian

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063，China)

A case study on the diagnosis and treatment aiming at harmful vibration of 20 000 ton offshore bulk carrier are presented. It is found that vibration source is the propeller by vibration test, self-propulsion test and towing test, evaluation of wake fields behind stern and numerical calculation and analysis with 3-D FEM. The root of the problem is that the stern forms are unreasonable, which cause wake fields serious non-uniform and unsteady, leading to excessive blade frequency and twice blade frequency propeller-excited force. A set of comprehensive treatment is proposed, such as redesigning propeller, adopting vibration damping. Ship vibration are great improved by changing the propeller, which meets vibration criterion ISO—6954. Also it gains beneficial experiences for ship vibration diagnosis and treatment and some suggestions for anti-vibration are proposed at the design stage.

ship vibration; propeller fluctuating pressure; diagnosis; treatment; vibration reduction

2015-01-05

*工信部高技術(shù)船舶專項(xiàng)項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：[2010]337)

U661.44

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.014

林永水(1983- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲預(yù)報(bào)及控制