船舶振動ISO 20283-5新標準研究

付 佳,徐智言,王 銘

（上海外高橋造船有限公司,上海 200137）

船舶在海上運行時會產生振動，劇烈的振動會導致船舶結構和機械部件的疲勞損壞，妨礙機器和設備的正常使用，影響船上人員的工作與生活，這樣的振動稱為有害振動。為了限制船舶有害振動的干擾與影響，保證船舶的安全運營，國內外的專家、學者、工程師以及科研機構對此展開了大量理論、數(shù)值和實船驗證等研究并制定了相關船舶振動標準。

目前，國際上使用最為廣泛的標準是2000年12月由國際標準化組織“機械振動與沖擊”技術委員會（ISO/TC 108）SC2分技術協(xié)會（機械、車輛和結構的機械振動和沖擊的測量和評定）發(fā)布的ISO6954振動評價標準：《客船和商船適居性振動測量、報告和評價準則》[1]（以下簡稱ISO 6954:2000(E)）。這個版本相較于1984年版的ISO6954有了實質性的改進，主要體現(xiàn)在考核內容從對船體振動的評估轉移到對人體舒適性的評估。

2016年12月，ISO/TC 108 SC2分技術協(xié)會發(fā)布了ISO20283-5:2016（E）《客船和商船適居性振動測量、評價和報告準則》[2]（以下簡稱ISO 20283-5:2016(E)）。新的標準將船員處所與乘客處所劃分得更為詳細，衡準值較ISO 6954:2000(E)更嚴格，即提高了振動標準，這為船廠設計建造滿足要求的船舶提出新的挑戰(zhàn)。此外，ISO 20283-5:2016(E)還針對裝有動力定位裝置的船舶增加了動力定位模式下的測量要求。

ISO 20283-5:2016(E)的提出無疑對船舶設計與建造提出了更高的要求，但目前國內對最新振動標準的深入研究較少，尤其缺少對實測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)考核。本文將對以上2種振動標準進行比較，并分別采用新舊標準對實船數(shù)據(jù)進行考核，提出船舶振動控制優(yōu)化方向，為設計人員理解新振動標準、采取降低船舶振動措施提供參考。

1 振動評價標準對比

1.1 考核對象

ISO 20283-5:2016(E)與 ISO 6954:2000(E)的考核對象都是在1 Hz～80 Hz頻率范圍內頻率加權匯總的振動加速度或速度的有效值(Frequencyweighted RMS)，其加權系數(shù)見圖1。

圖1 頻率加權系數(shù)

2種標準都從舒適性角度衡量振動問題，考慮人體對不同頻率下的振動響應產生的不同反應程度。

1.2 考核區(qū)域

ISO 20283-5:2016(E)與 ISO 6954:2000(E)兩種標準都是對船舶的適居性進行評估，考核區(qū)域為人長時間工作或者休息的處所。ISO 6954:2000(E)僅將考核區(qū)域劃分為A、B、C 3個級別，即乘客房間、船員房間與工作處所。船廠在進行試航大綱編寫工作時，常常由于對標準中區(qū)域類型定義混淆而導致出現(xiàn)考核區(qū)域選擇錯誤或衡準值界定不明等情況。新的標準對處所進行明確的定義與分類，如表1所示，這給設計人員提供了明確的技術支持，避免出現(xiàn)上述錯誤，并幫助船東與船廠在測量點選取時更易達成共識。

此外，ISO 20283-5:2016(E)中明確指出，機器區(qū)域不屬于人長期工作與生活區(qū)域，不應包含在考核范圍內。而在此之前，在進行船舶試航大綱編寫時，是否將機器區(qū)域劃分到考核范圍內一直是船東與船廠爭論的問題之一。

1.3 測量點類型與數(shù)量

ISO 6954:2000(E)中僅要求每層甲板測量點數(shù)量不少于2個，對測量點的處所類型沒有具體要求。而ISO 20283-5:2016(E)中要求對不同處所類型必須選取至少1個測量點，且每層測量點數(shù)量應滿足表2中所占比例。

此外，ISO 20283-5:2016(E)中提出對于房間面積較大區(qū)域，例如駕駛室、集控室、餐廳、休息室等，測量點的數(shù)量不少于1個。

在編寫試航大綱時，船東與船廠對所選擇測量點的位置與數(shù)量應達成共識，根據(jù)ISO 6954:2000(E)標準選取測量點時通常容易忽略工作區(qū)，即維修間、洗衣間等房間，而依照新的標準則必須保證每層甲板工作區(qū)測量點數(shù)量，從而為乘客與船員提供更為優(yōu)質的生活與居住環(huán)境。

1.4 測量條件

船舶進行振動試驗時，ISO 6954:2000(E)提出如下要求：

表1 ISO 20283-5:2016(E)中處所的定義與分類

表2 推薦測量點

（1）測試時，船舶應向前以穩(wěn)定航速直線航行；

（2）主機處于典型持續(xù)運轉功率狀態(tài)；

（3）試航測試應在不高于3級海況下進行；

（4）螺旋槳應完全浸沒；

（5）測試水深應不低于船舶5倍吃水。

新的標準在ISO 6954:2000(E)的基礎上進行了修改與補充，其中將第（2）條修改為“推進裝置持續(xù)運轉功率為在合同中通常航行狀態(tài)下功率”，且“試航時推進裝置轉速設置恒定”，并增加“船上所有系統(tǒng)應處于正常額定工作狀態(tài)（例如空調通風系統(tǒng)、輔機、穩(wěn)定裝置等系統(tǒng)）”的要求。這樣修改考慮到部分不以主機為推進裝置的商船的振動測試環(huán)境條件，且試驗環(huán)境與船舶運營情況相符。

此外，ISO 20283-5:2016(E)新增加了對安裝動力定位裝置（DP）船舶DP模式下對指定區(qū)域進行測試的要求（所有參與DP工況的推進裝置應同時在40%的功率下運行，測量條件需要船東與船廠協(xié)商一致）。在此之前，試航大綱中并未考慮穿梭油輪等商船配備動力定位系統(tǒng)這一特點。

1.5 衡準評估

表3為ISO 6954:2000(E)中不同區(qū)域的振動衡準，其中高于上限值認定為有害振動，低于下限值為無害振動，介于上下限值間的船上振動環(huán)境，認為在可接受范圍內。

表3 ISO 6954:2000(E)振動衡準

ISO 20283-5:2016(E)中對于振動衡準將不再設下限值，只設上限值，當測量結果超過衡準值時則認為船舶結構產生有害振動。其次，ISO 20283-5:2016(E)中的衡準值較ISO 6954:2000(E)的上限值有很大程度的降低，這也是設計人員最為關注的部分，如表4所示。

表4 ISO 20283-5:2016(E)振動衡準

對于具有2沖程、長沖程、低轉速的主機或細高型上層建筑等船舶而言，滿足上述要求無疑是對船舶的設計與建造提出新的挑戰(zhàn)。后文將根據(jù)船舶局部振動實測結果對滿足兩種標準的難易程度進行比較說明。

雖然ISO 20283-5:2016(E)的振動衡準要求高于 ISO 6954:2000(E)，但 ISO 20283-5:2016(E)中允許部分測量點測量結果超出衡準值（測量點不包括駕駛室與集控室），即對于單層甲板，當測量點少于5個時，不允許有超過衡準值區(qū)域；當測量點為5～9個時，允許有一個測量點測量值超出衡準值的0.5 mm/s范圍內；當測量點不少于10個時，允許超出范圍如表5所示。

表5 甲板區(qū)域衡準允許超出范圍

2 實測對比結果

本文以兩艘裝備長沖程、低轉速主機、上層建筑為細高型船舶為例，即以31.8萬噸級VLCC船和20.8萬噸級散貨船為例來進行對比。圖2、圖3為兩艘船舶在壓載吃水工況下船體局部振動測試數(shù)據(jù)。

圖2 31.8萬噸級VLCC船局部振動測試數(shù)據(jù)

圖3 20.8萬噸級散貨船局部振動測試數(shù)據(jù)

從以上兩艘船舶試航實測數(shù)據(jù)中可以看出，按照ISO 6954:2000(E)的衡準要求進行考核，在對VLCC船抽查的28個區(qū)域、對散貨船抽查的17個區(qū)域中，測量振動響應值全部滿足標準要求。但按照ISO 20283-5:2016(E)的衡準要求，VLCC船有2個測量點超出衡準限值，散貨船中有9個測量點超出衡準限值。這些超標區(qū)域大多分布在駕駛室和上層建筑中船員生活艙室，該部分衡準值分別由原來的8 mm/s與6 mm/s降低到5 mm/s與3.5 mm/s。

為了保證新建船舶能夠滿足最新振動標準要求，設計人員應熟識和正確使用新振動標準，在設計過程中結合船型特點、主機特性與結構形式等因素，對船舶振動水平進行評估、計算與分析，采取經濟有效的預防措施，避免船舶出現(xiàn)超標振動情況，建議從以下幾個方面展開研究，從而控制船舶振動響應水平。

（1）修改艙室布置、結構布置與尺寸，改變結構固有頻率；

（2）調整主機轉速、缸數(shù)、螺旋槳葉數(shù)，改變激振源激振頻率；

（3）優(yōu)化尾部型線與螺旋槳設計，降低螺旋槳激振力；

（4）增設主機頂撐，改變機架固有頻率，防止機架橫向共振，減少機架振動對船體的二次激勵；

（5）增設振動補償器等。

3 結語

本文對船舶振動評價標準ISO 20283-5:2016(E)與ISO 6954:2000(E)進行對比研究，并將兩艘具有長沖程、低轉速主機、上層建筑為細高型船舶振動測試數(shù)據(jù)與標準進行對比，從對比結果中可以發(fā)現(xiàn)新標準對船舶的設計、建造水平提出了更高的要求，原本滿足舊標準建造的船舶在新標準下會出現(xiàn)不達標的情況。這需要船舶設計和建造人員將ISO 20283-5:2016(E)標準內容理解透徹、熟練掌握，采取積極合理的應對措施，使新建船舶滿足船舶振動評價標準的最新要求，保障船舶順利交付，讓我國成為真正的世界一流船舶強國。

參考文獻：

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