某高速客船艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與控制

于得水,張志亮,蔡曉濤,王燁,黃志武

(1.國(guó)信中船(青島)海洋科技有限公司,山東 青島 266200;2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,上海 201108;3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201108)

主機(jī)和軸系的振動(dòng)、螺旋槳空泡的激振、船體總體的共振、零部件和局部板架的共振及艉部斜流造成螺旋槳脈動(dòng)壓力的激振[1]都會(huì)引起船體振動(dòng)。針對(duì)船舶艉部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題，已有大量的研究，尤其在船舶設(shè)計(jì)階段，對(duì)艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行理論計(jì)算[2-3]和數(shù)值仿真[4]。有學(xué)者針對(duì)船舶艉部激勵(lì)耦合振動(dòng)問(wèn)題，系統(tǒng)研究了船舶螺旋槳激勵(lì)力特性，得出船舶艉部激勵(lì)與槳-軸-船體耦合系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的映射關(guān)系，提出針對(duì)低頻振動(dòng)噪聲的控制方法。在實(shí)船已經(jīng)建成，船體結(jié)構(gòu)難以修改的情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)[5]、阻尼敷設(shè)[6]、阻振質(zhì)量[7]、動(dòng)力吸振器[8]、隔振處理[9]，以及消除振動(dòng)短路[10]等措施進(jìn)行振動(dòng)控制。其中，振動(dòng)短路為柴油機(jī)等主動(dòng)力設(shè)備采用彈性連接時(shí)，應(yīng)盡量避免任何鋼結(jié)構(gòu)的直接接觸，但在實(shí)際建造中經(jīng)常發(fā)生電纜、管路和其他連接物品間的短接。而且，在高速船的現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)中，很難對(duì)船體艉部振動(dòng)做出精確預(yù)報(bào)，尤其是對(duì)高速船艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的實(shí)船研究還很缺乏。為此，針對(duì)某高速客船艉部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，提出在艉部區(qū)域采取局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、敷設(shè)阻尼減振材料、布置阻振質(zhì)量，以及消除振動(dòng)短路等方法進(jìn)行振動(dòng)控制。

1 船舶基本參數(shù)與振動(dòng)現(xiàn)象描述

該高速客船航區(qū)為內(nèi)河B級(jí)，全船振動(dòng)參照ISO 6954—2000《機(jī)械振動(dòng)客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》的推薦值進(jìn)行控制，見(jiàn)表1?？己说闹笜?biāo)為振動(dòng)速度值，采用1～80 Hz范圍內(nèi)速度的計(jì)權(quán)均方根值。

表1 ISO6954—2000 標(biāo)準(zhǔn)

全船總長(zhǎng)45 m、型寬8 m、型深3 m，設(shè)計(jì)吃水1.8 m，排水量240 t。由2臺(tái)柴油機(jī)提供全船的動(dòng)力供應(yīng)，通過(guò)減速齒輪箱(減速比為3.52∶1)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，提供全船的推進(jìn)力。螺旋槳為5葉槳，采用定螺距變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式，最大航速23 kn，對(duì)應(yīng)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 450 r/min，螺旋槳最大轉(zhuǎn)速為696.2 r/min。艉部舵槳裝置見(jiàn)圖1。

圖1 某高速客船艉部舵槳裝置示意

試航中發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 100 r/min時(shí)，主甲板艉部結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)較大振動(dòng)，雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)損壞，但船員站在艉部甲板感到嚴(yán)重不適，其中舵機(jī)艙的強(qiáng)烈振動(dòng)使人難以站立。在23 kn全速航行工況下，測(cè)試得到主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度超過(guò)20 mm/s(1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計(jì)權(quán)均方根值)，最大響應(yīng)峰值為13.83 mm/s，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。

2 振動(dòng)測(cè)試及分析

為明確引起振動(dòng)的激勵(lì)源，進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，使用單向加速度計(jì)(丹麥B&K，4513-B-001)，信號(hào)采集分析系統(tǒng)(丹麥B&K，3050-A-060)，安裝有PULSE軟件的測(cè)試電腦等組成。其中，將振動(dòng)傳感器分別布置在機(jī)艙、舵機(jī)艙以及主甲板艉部(編號(hào)①～⑧，詳見(jiàn)圖2)。測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明：①右舷柴油機(jī)基座；②左舷柴油機(jī)基座；③右舷齒輪箱基座；④左舷齒輪箱基座；⑤右舷舵槳座；⑥左舷舵槳座；⑦右舷主甲板艉部；⑧左舷主甲板艉部。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意

測(cè)點(diǎn)布置位置盡量設(shè)在局部剛度較大處，以避免結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。在全速航行工況下，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。各點(diǎn)垂向振動(dòng)速度線譜見(jiàn)圖3～4，頻率帶寬為1 Hz。

表2 某高速客船結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖3 機(jī)艙振動(dòng)速度線譜

圖4 舵機(jī)艙振動(dòng)速度線譜

分析測(cè)試數(shù)據(jù)，主甲板艉部結(jié)構(gòu)和舵機(jī)座均出現(xiàn)58 Hz及其二倍頻116 Hz的峰值，并且最大響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)螺旋槳的葉頻，振動(dòng)響應(yīng)的次峰值由螺旋槳二倍葉頻激勵(lì)引起，其次是柴油機(jī)的基頻和螺旋槳的轉(zhuǎn)頻。說(shuō)明柴油機(jī)作為激勵(lì)源對(duì)主甲板艉部振動(dòng)有一定的能量貢獻(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況，主要是由于柴油機(jī)排煙管(尾部排放形式)及附屬管系與主甲板剛性連接導(dǎo)致，造成振動(dòng)短路，因此柴油機(jī)排氣引起的管系振動(dòng)進(jìn)一步傳遞到主甲板艉部。但是主甲板艉部最大響應(yīng)峰值為螺旋槳葉頻激勵(lì)，振動(dòng)速度峰值為13.83 mm/s，遠(yuǎn)大于柴油機(jī)基頻激勵(lì)的振動(dòng)峰值?？梢耘卸ú裼蜋C(jī)的激勵(lì)對(duì)主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)有能量貢獻(xiàn)，但不是決定性的。

振動(dòng)測(cè)試后，水下檢查表明，螺旋槳及軸系狀態(tài)良好，無(wú)損傷。

當(dāng)螺旋槳在船的尾流中工作，由于船體線型及附體并非完全中心對(duì)稱(chēng)，所以船的尾流速度具有明顯的周向不均勻性。在每片槳葉的回轉(zhuǎn)周期中，與其接觸的流體的相對(duì)速度就有周期性的變化，從而空泡的激烈程度也發(fā)生相應(yīng)的周期變化。另外，由于槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋槳附近區(qū)域的海水中形成葉片頻率的流體力的脈動(dòng)壓力場(chǎng)，在脈動(dòng)壓力的作用下，存在于該區(qū)域的大量氣泡隨著外界壓力的周期性變化而作受迫的體積脈動(dòng)。其中，本船振動(dòng)測(cè)試得出的特征頻譜主要是螺旋槳的葉頻激勵(lì)和倍葉頻。因此在排除主機(jī)振動(dòng)、軸承扭振、結(jié)構(gòu)板架共振、螺旋槳損傷等諸多因素后，根據(jù)振動(dòng)出現(xiàn)的部位、形式以及實(shí)船振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析得出，引起該高速客船艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)最主要激勵(lì)源是螺旋槳空泡的激振，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 100 r/min時(shí)，螺旋槳已經(jīng)發(fā)生空泡。

3 減振措施的選用

在確切地分析出艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的原因后，采取何種減振措施成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。由于該船已經(jīng)建造完工，優(yōu)化船底流場(chǎng)情況、改造艉部分段，修改螺旋槳設(shè)計(jì)(葉數(shù)、直徑、轉(zhuǎn)速等)都難以實(shí)施，因此在有限的條件下，當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生空泡后，對(duì)艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的重點(diǎn)是控制振動(dòng)的傳遞。

具體的振動(dòng)控制措施如下。

1)在主甲板艉部增加加強(qiáng)筋以及在舵機(jī)艙內(nèi)增加立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，增強(qiáng)艉部甲板的強(qiáng)度，以增強(qiáng)抗振能力，降低振動(dòng)響應(yīng)幅值。

2)在舵機(jī)艙敷設(shè)QY-DP1型阻尼減振材料，耗散振動(dòng)能量，在舵機(jī)艙底板螺旋槳上方區(qū)域敷設(shè)厚度為16 mm，其余區(qū)域敷設(shè)厚度為10 mm，舵機(jī)艙天花甲板敷設(shè)厚度為8 mm。阻尼材料為多功能水性涂料，能夠在較寬的溫域范圍內(nèi)具有較高的復(fù)合損耗因子，可有效地將結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量或聲能耗散，而且附著力強(qiáng)。

3)在舵機(jī)艙激振區(qū)底板布置阻振質(zhì)量。剛性阻振質(zhì)量是沿著聲振動(dòng)傳播途徑配置在板結(jié)合處的1個(gè)矩形、正方形或圓形截面的大而重的條體，當(dāng)激勵(lì)引起的板平面彎曲波以某一角度入射剛性阻振質(zhì)量，由于阻振質(zhì)量相對(duì)板而言具有大的阻抗，從而反射一部分抵達(dá)阻振質(zhì)量的彎曲波，達(dá)到隔振聲振動(dòng)的目的。底板左右舷各布置1個(gè)阻振質(zhì)量，單個(gè)阻振質(zhì)量塊為1 200 kg，控制振動(dòng)傳遞。

4)消除排煙管系與艉部甲板的振動(dòng)短路，優(yōu)化柴油機(jī)排煙管安裝方式，采用彈性支吊架連接在船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，排煙管附屬的冷卻水管系采用金屬軟管與排煙管進(jìn)行連接，并與主甲板的連接采用橡膠管夾。

4 實(shí)船振動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證及結(jié)果分析

改造完成后，為了確定減振措施的有效性，采用振動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)方法對(duì)艉部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制效果進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證，在全速工況選取相同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由2 100 r/min至全速時(shí)，原船體出現(xiàn)的艉部結(jié)構(gòu)激振現(xiàn)象已基本消除。圖5～圖6給出各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，表3給出振動(dòng)控制措施前后1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計(jì)權(quán)均方根值。

表3 振動(dòng)控制前/后振動(dòng)速度(1-80 Hz)

圖5 機(jī)艙振動(dòng)速度線譜

圖6 舵機(jī)艙振動(dòng)速度線譜

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)航速達(dá)到全速時(shí)，螺旋槳的葉頻激勵(lì)引起的艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)最大響應(yīng)峰值由振動(dòng)控制前的13.83 mm/s降低至3.79 mm/s；并且在多種減振措施聯(lián)合作用下，機(jī)艙柴油機(jī)基座和齒輪箱基座的振動(dòng)速度進(jìn)一步降低，而且主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度降低11 mm/s以上，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于8 mm/s(1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計(jì)權(quán)均方根值)，滿足標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。說(shuō)明艉部結(jié)構(gòu)采取減振措施后，船體艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)基本消除，由螺旋槳葉頻及倍葉頻激勵(lì)引起響應(yīng)峰值得到抑制，振動(dòng)問(wèn)題得到有效解決。

5 結(jié)論

1)采取增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)剛度、敷設(shè)阻尼減振材料、布置阻振質(zhì)量以及消除振動(dòng)短路的方式，可以有效控制高速船舶螺旋槳空泡的振動(dòng)傳遞。這種措施在船舶已經(jīng)建造完工，船體結(jié)構(gòu)難以修改的情況下是一種較簡(jiǎn)便、可靠的方法。

2)就高速船而言，有必要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行螺旋槳模型空泡脈動(dòng)壓力試驗(yàn)，對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)盡早采取措施，以避免螺旋槳空泡而引起的振動(dòng)，并且在設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中貫徹低噪聲施工工藝，避免振動(dòng)短路。