某型船艉軸異響原因分析與解決措施

張鵬鷹，隋波

某型船艉軸異響原因分析與解決措施

張鵬鷹，隋波

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連116021）

本文針對某型船在首次航行試驗過程中，推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常響聲現(xiàn)象，通過系統(tǒng)排查、相關(guān)振動與噪聲測量，最后將異常響聲定性為槳鳴。在對槳鳴形成機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了螺旋槳隨邊進(jìn)行修整的解決方案，取得了理想的消音效果。

軸系；螺旋槳；異常響聲；槳鳴；消除

某型船為雙推進(jìn)電機(jī)、雙槳推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)主要由推進(jìn)電機(jī)、高彈連軸器、推力軸承、中間軸承、艉軸密封、中間軸、推力軸及定距漿組成。水下部分由艉軸管、前艉軸架和后艉軸架支撐，推進(jìn)機(jī)艙由推力軸承、中間軸承支撐。

在航行試驗中，當(dāng)船在進(jìn)一、進(jìn)二工況運(yùn)行且直航時，后甲板舵機(jī)艙附近區(qū)域存在異常響聲，類似于低頻“金屬磨擦聲”和高頻“嘯叫”聲，在螺旋槳的正上方甲板部位最顯著。當(dāng)轉(zhuǎn)彎或改變較大舵角時，聲響消失。海況越好、異響越大且碼頭系泊帶槳運(yùn)轉(zhuǎn)無異響。本文通過分析診斷和系統(tǒng)排查相關(guān)振動與噪聲測量，對異常噪聲作出定位，從而對螺旋槳隨機(jī)進(jìn)行修整，取得了理想的消音效果。

1 故障診斷

第一次試航發(fā)現(xiàn)異常響聲后，對舵機(jī)艙、推進(jìn)機(jī)艙、消磁電纜艙進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，通過對推力軸承、支點軸承、艉軸密封等摩擦部位及艉軸的聽音檢查，排除了由軸系產(chǎn)生的可能。返廠后派潛水員下水對軸系、螺旋槳、舵葉及船底外板進(jìn)行了檢查，也沒發(fā)現(xiàn)異常。第二次出海，通過鎖軸方式、單軸推進(jìn)、微調(diào)艉軸轉(zhuǎn)速的方法確定艉軸左軸轉(zhuǎn)速在160 r/min時，右軸180 r/min時有明顯的低頻噪聲，頻率與轉(zhuǎn)速一致。在轉(zhuǎn)速升高過程中，低頻噪聲逐漸減小，船進(jìn)三航行時，低頻噪聲消失，但在轉(zhuǎn)速升高過程中出現(xiàn)高頻噪聲，頻率為600 Hz，船進(jìn)四和進(jìn)五航行時，高、低頻噪聲全部消失。通過振動測量，振幅在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，同時高、低頻噪聲只在正舵正常航行時出現(xiàn)，有舵角時，無論左舵還是右舵，高、低頻噪聲全部消失。在系泊狀態(tài)下，無高、低頻噪聲。

在后甲板聽到的低頻噪聲為周期性的類似金屬磨擦聲，頻率與艉軸轉(zhuǎn)速一致，聽到的高頻噪聲為連續(xù)的鳴音。首先想到的是否為艉軸傳動的機(jī)械磨擦引起，通過對推力軸承、支點軸承、艉軸密封等摩擦部位及艉軸的聽音檢查，排除了由軸系產(chǎn)生的可能，艉軸異響最大可能來源于船舷外水動力噪聲。因此確定對某型船在海上進(jìn)行相關(guān)振動與噪聲測量，為認(rèn)識異常聲音提供依據(jù)。該船主動力為電力推進(jìn)，主要激勵是螺旋槳，螺旋槳主要激勵頻率（Hz）如下：

式中：fe為螺旋槳激勵頻率；K為激勵階數(shù)，K=1葉頻，K=2倍葉頻；Z為螺旋槳葉數(shù)；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

測量在主機(jī)和螺旋槳工作產(chǎn)生異常聲音狀態(tài)下進(jìn)行。對四個工況進(jìn)行艉部振動和噪聲的測量，四個工況如表1所示。

表1 工況與頻率對照表

通過測量得出以下結(jié)論：（1）從艉部結(jié)構(gòu)振動和機(jī)艙機(jī)座振動的頻譜分析，在出現(xiàn)異常聲音的工況，艉部板上有相應(yīng)的高頻成分，強(qiáng)力構(gòu)件上高頻成分非常弱，主機(jī)機(jī)座就幾乎沒有測到，振動測量結(jié)果表明高頻振源來自舷外水動力的可能，不會是主機(jī)和軸系產(chǎn)生；（2）從艉部和機(jī)艙噪聲聲級和頻譜測量分析，出現(xiàn)異常聲音工況時，舵機(jī)艙聲級大于機(jī)艙聲級，如兩車進(jìn)一時，舵機(jī)艙左和右分別是90 dB（A）和90.1 dB（A），而機(jī)艙左和右分別是87.8 dB（A）和88.2 dB（A），舵機(jī)艙噪聲頻譜中有明顯異常高頻成分，機(jī)艙相對不明顯，噪聲測量表明高頻噪聲成分舵機(jī)艙強(qiáng)，聲源靠近舵機(jī)艙；（3）通過實驗和分析，基本判定異常600 Hz頻率左右的聲音為螺旋槳鳴音。

2 螺旋槳鳴音的機(jī)理

卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)中所研究的重要現(xiàn)象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，開始時這兩列線渦分別保持自身的運(yùn)動前進(jìn)，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的所謂渦街。只要發(fā)生邊界層脫離，就可能出現(xiàn)卡門渦街。

對于圓柱的繞流，渦街的每個單渦頻率與繞流的速度成正比，與圓柱體的直徑d成反比，即f=Sr. Sr是斯特勞爾系數(shù)，它主要與雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)為300～3×105時，Sr近似于常數(shù)值（0.21），當(dāng)雷諾數(shù)為3×105～3×106時，有規(guī)則的渦街便不再存在，當(dāng)雷諾數(shù)大于3×106時，卡門渦街又會自動出現(xiàn)，這時Sr約為0.27.出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力，如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會引起共振[1]。

當(dāng)流體流經(jīng)螺旋槳時，由于螺旋槳的阻礙，在螺旋槳后面的尾流中，將會出現(xiàn)順時針和逆時針交替旋轉(zhuǎn)的卡門渦，并由此在螺旋槳上產(chǎn)生一個垂直于流向的卡門力。當(dāng)該力的頻率與螺旋槳的固有振動頻率一致時，即產(chǎn)生共振。卡門渦頻率fx與螺旋槳隨邊厚度h及流速v0之間的關(guān)系fx=c

式中c為雷諾數(shù)的函數(shù)，相應(yīng)于fx的角頻率為

同理，當(dāng)葉片固有頻率與卡門渦頻率一致時，也會引起共振。

卡門渦街交替脫落時會產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲響效應(yīng)，這種聲響是由于卡門渦街周期性脫落時引起的流體中的壓強(qiáng)脈動所造成的聲波。如果渦街交替脫落頻率與物體的聲學(xué)駐波頻率相重合，會引發(fā)聲學(xué)共振。

由于船尾伴流場的復(fù)雜性，界層分離程度及分離點的位置是變化的，在設(shè)計螺旋槳時，對鳴音問題很難用理論計算的方法進(jìn)行預(yù)報。同時，螺旋槳的鳴音除了卡門渦的主要原因外，還存在空泡現(xiàn)象造成的振動鳴音和葉片顛振造成的鳴音?？傊?，卡門渦誘發(fā)的非定常流體升力對螺旋槳槳葉隨邊共振起激勵作用，螺旋槳鳴音是典型的卡門渦誘發(fā)的流體動力學(xué)彈性共振問題，對螺旋槳的隨邊進(jìn)行處理可解決螺旋槳的鳴音問題[2]。

3 艉軸異響的解決措施

對某型船艉軸異響的振動頻譜、噪聲級等實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，初步判定艉軸異響為螺旋槳鳴音，且此異響不會對艦船造成危害，不影響總體性能，但考慮到船上人員的舒適性及水下輻射特性，對于某型船有根治鳴音的必要，為此制定了對螺旋槳隨邊進(jìn)行修整的技術(shù)方案。同時制定了槳葉返廠修整及塢內(nèi)對艉軸水下部分的擴(kuò)大性檢查方案。通過檢查，船艉部區(qū)域船體外板、船體外軸系、附件及螺旋槳外觀正常，且軸系各加工部件與圖紙一致。對艉軸抽出米檢查，艉軸軸套處艉軸表面及水潤滑軸承表面磨損情況正常，艉軸與艉軸架水潤滑軸承間隙測量正常，軸承流水槽暢通無異物。

為干擾螺旋槳隨邊區(qū)域邊界層的發(fā)展，減弱卡門渦的影響，對螺旋槳的隨邊進(jìn)行修整，設(shè)置抗鳴邊，范圍為至螺旋槳葉梢界的徑向范圍，抗鳴邊的尺度x不大于20mm.螺旋槳返廠后對螺旋槳的半徑、螺距、厚度和寬度進(jìn)行測量，與原始測量數(shù)據(jù)基本一致且符合圖紙公差要求。根據(jù)螺旋槳型值測量的結(jié)果對螺旋槳隨邊進(jìn)行割邊處理，并進(jìn)行了動平衡試驗。

修整后分別在左右單軸進(jìn)一、進(jìn)二工況和雙軸至進(jìn)五9個工況進(jìn)行驗證，艉部異響消除，測速試驗理想。通過試驗和實船航行結(jié)果證明對某型船艉軸異響的原因定位準(zhǔn)確、解決措施合理有效。

[1]李步墀，應(yīng)明華.“望遠(yuǎn)”號螺旋槳鳴音現(xiàn)象及其消音措施[J].船舶工程，2002（1）：2-13.

[2]華漢金.螺旋槳鳴音產(chǎn)生機(jī)理及防治方法[J].船舶工程，2005（2）：17-18.

Reason Analysis and Solution of Empennage Shafting’s Abnormal Sound on the Ship

ZHANG Peng-ying，SUI Bo
（Military Representative Office of Navy in Dalian Area，Dalian Liaoning 116021，China）

Abnormal sound of propulsion system happened when the first sea trial is proceed of the ship.The abnormal sound is defined as oar’s ring by system’s looking up and the measurement of shake.Based on the analysis ofoar’s ring.The solution of windstick’s repair is presented.Finally，the noise reduction’s effect is good.

shafting；windstick；abnormal sound；oar’s ring；eliminate

U672

A

1672-545X（2017）02-0192-02

2016-11-14

張鵬鷹（1968-），男，河北張家口人，碩士研究生，高級工程師，從事艦船監(jiān)造；隋波（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，工程師，從事艦船監(jiān)造。