基于船舶推進系統(tǒng)特性船體艉部結構垂向振動試驗

溫小飛,周瑞平,袁 強,金尚崇

(1.浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山316027；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063)

基于船舶推進系統(tǒng)特性船體艉部結構垂向振動試驗

溫小飛1,2,周瑞平2,袁 強1,金尚崇1

(1.浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山316027；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063)

船舶推進系統(tǒng)與船體結構的耦合技術是目前船舶研究的重要方向，需要在基本理論、試驗方法和研究手段等各個方面進行跨學科的創(chuàng)新性深入研究。根據(jù)船舶推進系統(tǒng)的主要激勵形式，確定船體艉部結構垂向振動分析的關鍵頻率，通過關鍵頻率對船體艉部結構垂向振動與船舶推進系統(tǒng)特性進行關聯(lián)性分析，同時也分析油膜渦動對船體艉部結構垂向振動的影響程度，為船舶推進系統(tǒng)振動傳遞規(guī)律和油膜渦動理論方面研究提供一些有意義的結論和參考。

振動與波；船體振動；垂向振動；振動試驗；船舶推進系統(tǒng)

隨著船舶大型化發(fā)展，大型船舶船型的合理設計以及保證推進動力系統(tǒng)的可靠運行是提升其航行性能的重要方面，尤其是解決大型船舶的推進系統(tǒng)與船體的系統(tǒng)動力學耦合問題是關鍵[1]。對船舶推進系統(tǒng)—船體耦合問題的研究，目前主要采用理論分析、數(shù)值仿真為主，試驗研究開展非常少。吳梵、楊傳武、陳翔、陸坡等研究人員運用混合模型對耦合作用在船體結構上的響應特性進行了研究[2—5]。文獻[6，7]分析了振動在艉部結構的傳遞路徑，并認為螺旋槳處縱向激勵的主要傳遞途徑是推力軸承處。朱理、龐福振等科研人員采用數(shù)值分析手段對某艦船在螺旋槳激勵力載荷下的響應進行了分析，認為設備對船體的激勵力不僅與設備激勵力密切相關，還與設備質(zhì)量、隔振器剛度及阻尼、船體結構剛度等密切相關[8，9]。李攀碩，張志誼等采用軸—殼體系統(tǒng)耦合振動模型研究船舶螺旋槳、推進軸系、軸承及其殼體，研究了系統(tǒng)振動控制理論方法，并通過實驗室臺架試驗進行了驗證[10,11]。陳發(fā)祥，諶勇等通過模擬與試驗相結合的方法，從聲輻射方面研究了軸系與船體結構的耦合關系[12]。

船舶推進系統(tǒng)對船體振動的激勵效應主要體現(xiàn)在船體艉部結構及機艙區(qū)結構。船舶推進系統(tǒng)的激勵包含螺旋槳的水力激勵、主機激勵和軸系振動激勵，其中軸系激勵耦合了螺旋槳和主機的激勵因素。螺旋槳激振力是引起船舶尾部劇振的根本原因，依據(jù)作用方式的不同，螺旋槳激振力可分為軸承力和表面力[13]；軸承力通過軸承傳遞給船體，通過密封裝置傳遞給殼體。因此船舶推進系統(tǒng)與船體結構之間存在密切的相互激勵、相互耦合關系。垂向振動作為船體振動和機械設備振動關注的一個重要振動形式，成為研究船體及推進系統(tǒng)振動耦合的研究方向之一。本文采用實船試驗方法，通過采集六個位置的垂向振動信號，對其關鍵頻率特性進行重點分析，研究船體艉部結構在主推進系統(tǒng)不同工況條件下的垂向振動規(guī)律，以期得到主推進系統(tǒng)特性對船體艉部結構垂向振動的關聯(lián)性及影響規(guī)律。

1 船型參數(shù)

以64 000 DWT散貨船主推進系統(tǒng)和船體艉部結構作為試驗對象。該船型的主要參數(shù)：船總長為199.90 m，型寬為32.26 m，型深為18.50 m，設計吃水為11.30 m，載重量為63 800 t，設計航速為14.00 kn。船舶推進系統(tǒng)的主要設備：主機為二沖程低速柴油機MAN B&W 5S60 ME-C8.2，額定功率為8 050 kW，額定轉(zhuǎn)速為89.0 r/min；螺旋槳為定距槳，直徑為6.70 m，葉數(shù)為5；軸系包含了一根螺旋槳軸、一根中間軸、一個尾軸承和一個中間軸承，如圖1所示。

圖1 推進系統(tǒng)與船體艉部結構位置示意圖

2 試驗方案設計

2.1 測點布置

根據(jù)船舶推進系統(tǒng)振動傳遞方式及路徑進行測試點布置，推進系統(tǒng)振動傳遞分為兩種形式：形式一為軸系—密封裝置—殼體，在殼體上布置兩個傳感器，如圖2所示的測點1和測點2；形式二為軸系—艉軸承—船體，根據(jù)船體結構的對稱性，在左側(cè)布置測點3和測點4，在右側(cè)布置測點5和測點6。

圖2 測點布置示意圖

2.2 試驗工況與采集方法

四個工況以主機轉(zhuǎn)速標識，分別為：0 r/min、33.0 r/min、42.0 r/min、50.0 r/min。在工況穩(wěn)定條件下，同步采集6個測點的船體垂向振動數(shù)據(jù)，采集時間超過60 s。

3 試驗數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 關鍵頻率選擇

螺旋槳激勵力按激勵頻率可分為兩類[14,15]：一類是軸頻激勵力，即螺旋槳的激擾頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速的1階激勵力；另一類則是激擾頻率等于槳軸轉(zhuǎn)速n乘以槳葉數(shù)z或槳葉數(shù)倍數(shù)的高階激勵力。在轉(zhuǎn)速不變的情況下，失衡故障產(chǎn)生的振動主要表現(xiàn)為幅值和相位均比較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)頻振動；在轉(zhuǎn)子不對中時，激發(fā)的振動中含有轉(zhuǎn)頻、2倍轉(zhuǎn)頻、3倍轉(zhuǎn)頻及高倍轉(zhuǎn)頻分量；油膜渦動具有亞同步振動現(xiàn)象，其回轉(zhuǎn)頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半（0.42—0.48倍回轉(zhuǎn)頻率）[16]。因此可選擇轉(zhuǎn)頻為基本頻率，轉(zhuǎn)頻的0.42—0.48倍、2倍、3倍、4倍和5倍為關鍵頻率（見表1），通過關鍵頻率建立船舶推進系統(tǒng)特性與船體艉部結構垂向振動的關聯(lián)性。

3.2 頻譜圖分析

通過分析關鍵頻率表1可得：關鍵頻率均為低頻振動信號，大部分是轉(zhuǎn)頻的倍頻信號，其中油膜渦動產(chǎn)生的近似半頻振動與油膜狀態(tài)相關，頻譜圖分析可選擇在0 Hz～20 Hz頻率范圍。通過FFT變換，并對高頻信號進行濾波，得到1 Hz～20 Hz頻譜圖。其中0 r/min工況，是指示船舶推進系統(tǒng)不產(chǎn)生振動傳遞的一種固有振動狀況，表征船體艉部結構振動在無推進系統(tǒng)振動影響的頻響特性，即準靜態(tài)振動特性，如圖3所示。圖3中可得到3個峰值頻率，分別為0.097 Hz、0.838 7 Hz和15 Hz，通過換算其對應轉(zhuǎn)速分別為6 r/min、50 r/min和900 r/min。其中，發(fā)電機組轉(zhuǎn)速為900 r/min，因此15 Hz峰值頻率體現(xiàn)了發(fā)電機組振動特性；同理，其他兩個峰值頻率應體現(xiàn)了其他特定設備或狀態(tài)的穩(wěn)定工況振動特性。

表1 關鍵頻率表

圖3 船體艉部結構頻譜圖（推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為0 r/min）

隨著船舶推進系統(tǒng)運行工況變化，不同特性的船舶推進系統(tǒng)振動傳遞到各個測點。根據(jù)測試數(shù)據(jù)和頻譜圖的初步分析，測點1和測點2具有相同的振動特性；由于測點3、測點4與測點5、測點6為相互對稱布置，也具有相同的振動特性；故可選取具有代表性的測點1和測點3進行比較分析；其中通過途徑一的振動特性如圖4所示，途徑二的振動特性如圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下船體艉部結構垂向振動頻譜圖(測點1)

圖5 不同轉(zhuǎn)速下船體艉部結構垂向振動頻譜圖(測點3)

圖4和表2分別為測點1所對應的振動頻譜圖和頻率—幅值數(shù)據(jù)表。比較分析圖4、表2可得，隨著轉(zhuǎn)速升高，軸頻、5倍頻與10倍頻的幅值迅速增加；與螺旋槳激勵力的主導影響相吻合，驗證了船舶尾部振動主要是螺旋槳激勵引起的觀點。油膜渦動頻率對應的振幅隨著轉(zhuǎn)速升高而逐漸減小，體現(xiàn)了在低轉(zhuǎn)速區(qū)油膜狀態(tài)漸趨穩(wěn)定，其渦動影響小。同時，從圖表中可以發(fā)現(xiàn)在0.13—0.27倍轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個峰值，且其幅值一直在同一數(shù)量級，該振動特性是否與油膜運動特性相關，還不能確定，需要進一步分析。其他關鍵頻率的幅值均保持在較小范圍，可忽略。

通過比較和分析圖4和圖5、表2和表3，兩種船舶推進系統(tǒng)特性傳遞途徑在傳遞規(guī)律上表現(xiàn)是一致的，但是兩者在振動幅值存在著差異，測點3主要振動頻率對應的振動幅值大于測點1；從位置關系上來分析，測點3相對遠離艉軸承，而測點1在艉軸密封裝置殼體上。依據(jù)阻尼損失大小來進行綜合分析，密封裝置由于不作為承載部件，僅作為密封作用，其阻尼遠遠大于船體鋼結構的阻尼，所以測點3振動可以更好的體現(xiàn)推進系統(tǒng)特性。

表2 測點1頻率—幅值數(shù)據(jù)表

表3 測點3頻率—幅值數(shù)據(jù)表

4 結語

船舶推進系統(tǒng)特性是船舶動力系統(tǒng)工作性能好壞的綜合體現(xiàn)，實船試驗是分析船舶振動特性最直接和有效的方法，通過船體艉部結構振動信號可以逆向分析船舶推進系統(tǒng)特性，應用關鍵頻率可進行船體艉部結構振動與船舶推進系統(tǒng)特性之間的關聯(lián)性分析。通過比較和分析得到以下初步結論：

(1)大型船舶推進系統(tǒng)特性在垂向振動方面主要體現(xiàn)在低頻范圍；

(2)船舶推進系統(tǒng)激勵以軸頻、5倍軸頻、10倍軸頻為主進行振動垂向傳遞；

(3)依據(jù)軸頻進行估算的油膜渦動頻率，對船體艉部結構垂向振動影響不明顯；

(4)0.13～0.27倍轉(zhuǎn)頻范圍出現(xiàn)的峰值頻率尚不能確定其振源，需要進一步研究。

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Experiment on Vertical Vibration of Stern Structure Based on the Characteristics of Ship’s Propulsion System

WEN Xiao-fei1,2,ZHOU Rui-ping2,YUANQiang1,JIN Shang-chong1

（1.School of Navigation,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,Zhejiang China; 2.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China）

∶The coupling between propulsion system and ship structure is a project worth studying.It is an interdisciplinary research to be carried out with basic theories,test methods and research methods.In this paper,main excitations of the ship’s propulsion system are analyzed to determine some key frequencies.The correlation between vertical vibration of stern structure and ship’s propulsion system characteristics is analyzed according to the key frequencies.And the level of oil film whirl effecting on vertical vibration of the stern structure is also analyzed.This work is of significance and reference value for further study of vibration transfer rules and oil film whirl theory of the ship’s propulsion systems.

∶vibration and wave;hull vibration;vertical vibration;vibration experiment;ship propulsion system

U661.44< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.046

1006-1355(2014)06-0206-04

2014-02-10

浙江省自然科學基金項目（Y12E090007）；浙江省科技廳公益性技術應用研究計劃項目（2013C31050）

溫小飛（1977-），男，浙江松陽人，講師，主要從事船舶動力系統(tǒng)性能分析與故障診斷技術研究。

E-mail∶wenxiaofei@zjou.edu.cn