內河船舶的振動分析及減震對策

杜松林

摘 要：船舶的有害振動是影響船舶安全營運的重要問題。因此船舶防振和減振已是目前造船界和航運界極為關注的內容，對振動研究的目的是確保船舶不會產(chǎn)生有害的振動問題，以保證船舶安全營運。

關鍵詞：內河船舶; 振動分析; 減震對策

中圖分類號：U661? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）8-196-001

隨著航運事業(yè)的發(fā)展和水陸空交通的競爭，人們逐漸要求內河船舶噸位載重量大、航速高，必然促使內河船舶向船型寬大和主機功率大的方向發(fā)展。由于造船技術的進步和優(yōu)化設計等因素，船體用板及構件相對減薄和減小，結構剛度不足，所有這些都使船體振動加劇，船體振動已成為一個突出的問題。

船舶振動的產(chǎn)生有建造和營運方面的原因，目前在內河船舶的設計階段，對船舶振動問題還沒有給予足夠的重視，若建成的船舶一旦投入營運后才發(fā)現(xiàn)有嚴重的振動問題，再尋求對策，要想徹底根除一般是很困難的，且花的代價也相當大，往往是浪費人力和物力，也不易收到滿意的結果。

為了防患于未然，要求在設計階段就進行必要的振動研究，并采取有效的預防措施。這就要求設計者在設計時應了解船舶的主要激勵源和影響振動的其他因素，對船舶的快速性、動力裝置、結構設計等全面考慮，選出較好的方案。

船體振動分總振動和局部振動，總振動較少出現(xiàn)，而局部振動則較為普遍。主要原因及減振或避振措施如下：

一、共振及減振措施

船舶同其他彈性體一樣，即使激勵的幅值較小，但在共振時也會有大的響應。對內河船舶來說，雖然主機的轉速一般較高，在常用工況下發(fā)生低速共振的現(xiàn)象并不多見，但為了節(jié)能，提高推進效率，往往采用減速齒輪箱，以降低尾軸轉速，加大螺旋槳直徑，這就使主機在常用工況下出現(xiàn)船體低諧共振的可能性大大增加。為了避開共振，就需要改變固有頻率和激勵頻率。改變船舶的固有頻率可以從船體梁的剛度考慮，如增大船體梁剖面慣性矩、合理設計上層建筑，采用彈性接頭可降低總振動的程度。改變船舶激勵頻率可以從選擇主機、減速齒輪箱和螺旋槳入手，如改變減速比和螺旋漿的葉數(shù)。

二、機械設備振動及減震措施

船舶的機械設備如動力機械、發(fā)電機、空氣瓶、鼓風機以及柴油機排氣管等，由于其本身均含有運動部件或壓力脈沖，他們在工作時將產(chǎn)生激勵，造成船體振動，這不但會引起機械設備本身的損壞，而且會引起其他結構和設備的有害振動，同時產(chǎn)生較大的機械噪音。因此，對于這類機械設備為了降低所產(chǎn)生的振動量級，一般采取在機械設備與其固定的基座之間采用彈性支承，但需考慮機械設備與外界相連的所有管路、導管電纜等應有足夠的彈性。

三、線型的選擇及減震措施

因為尾部線型直接影響螺旋槳來流和去流產(chǎn)生漩渦、伴流等方面的狀況，這些都直接與產(chǎn)生船體振動有關，從水線面線型看，為避免水流分離而發(fā)生漩渦和振動，對于雙機船，尾段的縱向斜度應大于30°C，且保持順滑，以直線形為佳，而不宜凹形;單槳船螺旋槳區(qū)水線應力求平直，縱向斜度以不超過20°C為宜，而且終端（尾柱處）不應飩闊、水線反曲處也應避免斜度過大。從橫剖面線型看，對單漿或雙尾船尾部線型宜采用U型構成整流穴，因為U型可改善沿縱剖線自下而上的水流方向，使水流勻稱并降低螺旋槳盤面上部的伴流峰值，從而降低螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力，以減少振動。

四、機型的選擇及減震

柴油機也是引起船舶振動的一個重要振源，因為柴油機運轉時作用在船體上的周期性干擾力主要有兩種：一是運動部件的慣性力產(chǎn)生的不平衡力和不平衡力矩;二是汽缸內氣體爆炸壓力產(chǎn)生的對氣缸側壁的側向壓力和傾復力矩;若主、輔機選擇不當，會使以上兩種周期性干擾力增大，使船體產(chǎn)生強勁振動，有時主機的干擾力還可能與螺旋槳力疊加，使振動加劇，所以在設計階段應引起重視。

在船舶設計階段，應選用較小不平衡慣性力與力矩較小的柴油機作為船舶的主、輔機，可在機座下裝設橡皮減振墊、金屬彈簧減振墊等作為隔振措施，對于四沖程柴油機應選用大于四缸的，對于二沖程柴油機應選用大于六缸的，總之，應盡量選用缸數(shù)比較多的柴油機，其次是主機的安裝位置，恰當?shù)剡x擇主機的位置，可以減小主機引起的船體振動。

五、船體結構設計及減震

引起船體振動的另一重要的因素是船體結構的影響結構設計的好壞對船體振動的大小有很大關系，如船體結構布置、構件取材不合理、剛度不足、結構不連續(xù)，這些都會使船底板格固有頻率太小，引起船體振動，在結構設計時，除了保證縱向構件的連續(xù)性外，還應盡量使甲板、舷側及船底板架有機地連接起來，要避免大面積的板架及跨度的梁。船的主機座應盡可能延伸到機艙前、后壁，機艙內應避免懸臂梁結構。還應特別注意避免或緩和應力集中。

六、螺旋槳的選擇及減振

對一艘船的螺旋槳選擇直接影響到船體振動，因為螺旋槳誘導的表面力和空泡是導致劇烈尾振的原因，而這兩者又與螺旋獎的設計，如漿葉的傾斜度、盤面比、螺距、厚度分布和葉片數(shù)等有關，在設計時應盡量合理選擇螺旋槳，如采用葉數(shù)多和盤面比較大的螺旋槳，可使空泡減少和螺旋槳誘導的表面力降低，使振動減弱;更要保證螺旋槳的建造質量，如螺距誤差和平衡試驗等要符合規(guī)范要求。另外螺旋槳與船體線型是否匹配與船體、舵托、舵之間的間隙是否足夠，均與船體振動密切相關，如果它們之間的間隙太小，將會使螺旋槳誘導的脈動壓力劇增，使尾振加劇，在設計時，應合理布置螺旋槳，改善尾部線型使螺旋槳來流和去流順暢，螺旋槳上方船體內敷設水泥，合理選擇螺旋槳，螺旋槳上方船底板開設避振穴等，均可降低船體振動。

無數(shù)實踐證明，只要在船舶設計階段對船舶振動問題予以充分注意，應用現(xiàn)有的計算方法進行預算，在選擇船型、主機、設計螺旋槳、結構尺寸時進行全面綜合平衡，在確保船舶其他性能的同時，船舶的振動問題是可以預防和解決的。