船艇高速螺旋槳引起的船體振動(dòng)分析與解決措施

劉小磊 林威 陳海明

摘? ? 要：本文主要介紹了船艇高速螺旋槳在使用過(guò)程中引起的船體振動(dòng)原因，并結(jié)合實(shí)際案例分析解決此類振動(dòng)的有效措施。

關(guān)鍵詞：高速螺旋槳;船體振動(dòng);解決措施

中圖分類號(hào)：U664.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper mainly introduces the causes of hull vibration caused by high-speed propeller in the course of ship operation， and analyzes the effective measures to reduce this kind of vibration based on the actual case.

Key words： High-speed propeller; Hull vibration; Solution

1? ? 前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，高速游艇幾乎成了奢華的代名詞，其集高科技、高速度、高舒適性、高藝術(shù)性于一體，推動(dòng)著潮流的發(fā)展。隨著人們對(duì)高速游艇的高速性和舒適性的要求越來(lái)越高，船艇高速螺旋槳引起的船體振動(dòng)越來(lái)越受到關(guān)注。雖然引起船體振動(dòng)的原因是多種多樣的，但對(duì)高速船艇而言，在螺旋槳、主機(jī)、海浪等各種振源中，螺旋槳是主要振源。

2? ?螺旋槳激勵(lì)的分類

螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力傳遞給船體，引起船體的振動(dòng)。但螺旋槳的激振力成因極其復(fù)雜，它與槳的形狀參數(shù)、葉片數(shù)及船體尾部線型和航速等因素相關(guān)。

（1）按照激振力的激振頻率分類，可分為軸頻激勵(lì)力和高頻激勵(lì)力兩類：軸頻激勵(lì)力由槳的制造誤差所引起，其激振頻率等于槳軸的回轉(zhuǎn)頻率，為槳的一階激振力;高頻激勵(lì)力由槳在不均勻流場(chǎng)中工作而引起，其激振頻率為軸的轉(zhuǎn)數(shù)乘以葉片數(shù)或葉片數(shù)的倍數(shù)，通常稱作為葉頻激振力或倍葉頻激振力。這種分類方法便于揭示槳對(duì)于船艇激勵(lì)的頻率成分，對(duì)于避免引起船艇共振和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

（2）按照槳的激振力的形成、傳遞和作用方式分類可分為表面力和軸承力兩類：槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，在槳附近的船體表面會(huì)形成變動(dòng)的水壓力，沿船體表面對(duì)該水壓力積分可得到槳對(duì)船體的總激振力，稱為表面力;由于槳葉上的變動(dòng)流體力所引起的激振力，通過(guò)軸系和軸承傳遞給船體，稱為軸承力。這種分類方法對(duì)尾部和船體響應(yīng)的計(jì)算很重要，可作為直接的信息和指標(biāo)。

3? ?螺旋槳設(shè)計(jì)階段的防振措施

3.1? 槳的葉片數(shù)選型

螺旋槳按頻率分類，可分為軸頻N及葉頻NZ兩類：軸頻N為螺旋槳軸的回轉(zhuǎn)速度;葉頻NZ為螺旋槳軸的回轉(zhuǎn)速度N乘以葉片數(shù)Z。在確定螺旋槳的葉片數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量避免引起船的整體或局部的振動(dòng)。即槳的軸頻N與葉頻NZ應(yīng)與船整體或局部振動(dòng)的第一諧調(diào)固有頻率相差±15%以上，與第二諧調(diào)固有頻率相差±20%以上。小型高速船艇更易產(chǎn)生局部振動(dòng)，因?yàn)闃娜~頻NZ與局部振動(dòng)頻率更易接近，因此在螺旋槳設(shè)計(jì)階段要著重計(jì)算船體的阻振頻率，并采用頻率設(shè)計(jì)法或頻率錯(cuò)開法來(lái)確定槳的葉片數(shù)，避免引起共振。

3.2? 槳的直徑選型

我們知道，螺旋槳葉梢與船體的間隙大小直接影響對(duì)船體產(chǎn)生激振力的大小。在高速游艇中，軸系設(shè)計(jì)時(shí)一定要引起高度重視。按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》再結(jié)合大量實(shí)際案例可知：一般要求槳的葉梢距船底最小間隙為14%D（D為槳的直徑），且盡量選擇大于0.2D。如果間隙過(guò)小，則槳的激振力作用于船底時(shí)更容易引起船體振動(dòng)。

下面結(jié)合實(shí)例分析螺旋槳的直徑D對(duì)作用于船體底部激振力大小的影響：

我司（Hin Lee） #5002玻璃纖維雙體高速客輪主尺度如下：

該船在60%載荷情況下：設(shè)計(jì)航速約24 knots;軸線實(shí)際角度8.1°;螺旋槳葉尖距船底最小間隙200 mm（16.9%D）。

初次試航時(shí)，按設(shè)計(jì)采用螺旋槳型號(hào)為：直徑1.2m;葉片數(shù)4片;螺距1.145 m;盤面比0.81。試航過(guò)程中，航速可達(dá)24.5 kn，主機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1 920 r/min，其它性能也能達(dá)到BV船級(jí)社要求。

但通過(guò)測(cè)振儀檢測(cè)，在螺旋槳上方舵機(jī)艙底處船體局部振動(dòng)值達(dá)到16.5 mm/s，振動(dòng)情況嚴(yán)重，不僅會(huì)影響乘客舒適性，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)頻率的測(cè)量分析和振源的調(diào)查，定性為螺旋槳激振力過(guò)大而引起船體局部振動(dòng)?？紤]到施工工藝的簡(jiǎn)捷性和經(jīng)濟(jì)性，再結(jié)合本船對(duì)航行性能的要求，最終決定：減小螺旋槳的直徑至1.16 m;螺距不變;增大葉梢距船底最小間隙至19%D。經(jīng)試航檢測(cè)：主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 980 r/min，航速為24.1 kn，槳上方舵機(jī)艙底處船體局部的振動(dòng)值大幅下降為5.4 mm/s，不但能滿足舒適性要求，還可減少槳的激振力對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷。此種通過(guò)減小槳的直徑D來(lái)增大葉梢距船底間隙，從而減少槳作用于船體的激振力達(dá)到減振的方法簡(jiǎn)單快捷。但必須注意，此種方法只能用于船的實(shí)測(cè)航速比設(shè)計(jì)航速有足夠富余的情況，否則雖然適當(dāng)減小槳的直徑會(huì)使槳的轉(zhuǎn)速上升，但同時(shí)也會(huì)降低槳的效率和軸功率，最終有可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)航速小于設(shè)計(jì)航速的得不償失的情況。

3.3? 槳的葉型選型

本設(shè)計(jì)采用側(cè)斜槳葉。此種槳葉在不同半徑處的切面依次進(jìn)入伴流突變區(qū)，故推力和轉(zhuǎn)矩變化比較均勻，可以很大程度上減小槳葉面的脈動(dòng)壓力，故不容易引起槳的激振。如圖1所示：我們用一個(gè)典型的四葉槳作研究測(cè)試，采用四種不同角度的側(cè)斜槳葉，隨著槳葉側(cè)斜角度的增加，由槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力的幅值逐漸減小。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意：側(cè)斜過(guò)大的槳葉，在鑄造成型后因其盤面比較大，葉片與葉片根部的重疊部分較大，容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，縮短槳的使用壽命，而且會(huì)導(dǎo)致葉面的精磨加工及螺距調(diào)校等方面的困難。

4? ?螺旋槳加工階段的防振措施

4.1 將槳的靜力不平衡引起的軸頻激振力控制在合理范圍內(nèi)

在槳的制造過(guò)程中，因槳葉夾角不完全相等、葉寬和葉厚也不盡相同等各種原因會(huì)導(dǎo)致槳的質(zhì)心偏離軸心線，因此當(dāng)槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生垂直于槳軸的離心慣性力，即軸頻激勵(lì)力。若不將此激勵(lì)力控制在合理范圍，則此力會(huì)通過(guò)尾軸軸承傳遞給船體，從而引起船體振動(dòng)。

為了將此激勵(lì)力控制在合理范圍內(nèi)，槳鑄造完工后要對(duì)其進(jìn)行必要的靜平衡校驗(yàn)，使槳的靜力不平衡重量及角度分布達(dá)到現(xiàn)有高速艇用槳的Class“S”等級(jí)要求。為滿足此工藝要求，我司引進(jìn)了“北京青云航空儀表有限公司”生產(chǎn)的YYH—1000A平衡機(jī)。在使用此機(jī)時(shí)依槳的尺寸及重量等，按要求將槳葉沿軸向平均分成平面A及B兩個(gè)平面，然后將槳安裝在兩個(gè)帶傳感器的支撐軸承上，再給其一定的轉(zhuǎn)速。通過(guò)機(jī)器的靜平衡模式，我們可測(cè)得平面A及平面B的靜不平衡重量，此重量要求≤3g;平面A及平面B的靜不平衡重量分布在徑向180°角度位置。如果能同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)，即可將槳的靜不平衡力矩控制在合理范圍，從而將槳因制造誤差而引起的徑向靜力不平衡力矩而產(chǎn)生的軸頻激勵(lì)力控制在合理范圍內(nèi)。

4.2? 將槳的動(dòng)力不平衡引起的軸頻率激勵(lì)力控制在合理范圍內(nèi)

通過(guò)靜平衡處理并符合Class“S”等級(jí)要求的高速槳，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中雖然質(zhì)心在同一回轉(zhuǎn)軸心線上，但各槳葉在軸線方向前后位置上由于制造誤差也會(huì)有不同程度的錯(cuò)位。此錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致各槳葉質(zhì)心不在同一槳盤面內(nèi)，當(dāng)槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各槳葉產(chǎn)生的離心力會(huì)形成垂直于槳盤面的不平衡力矩，此力矩會(huì)引起槳軸沿軸向的彎曲振動(dòng)，并通過(guò)尾軸軸承傳遞給船體引起船體的振動(dòng)。所以高速槳除做靜平衡校驗(yàn)外還必須做動(dòng)平衡校驗(yàn)，使其動(dòng)力不平衡的重量和角度分布達(dá)到現(xiàn)有艇用高速槳的Class“S”級(jí)別要求。

為滿足此要求，我司同樣采用上述平衡機(jī)，以相同于靜平衡的安裝方法將槳固定安裝并分成兩個(gè)平面，然后依照機(jī)器的動(dòng)平衡模式可測(cè)得平面A及平面B的動(dòng)不平衡重量，此重量要求≤10 g;平面A及平面B的動(dòng)不平衡重量分布于徑向180°角度位置。如果能同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)要求，即可將槳由于制造誤差而引起的軸向動(dòng)力不平衡力矩而產(chǎn)生的軸頻激勵(lì)力控制在合理范圍內(nèi)。

4.3 將槳的水動(dòng)力不平衡引起的軸頻激勵(lì)力控制在合理范圍內(nèi)

由船用螺旋槳原理可知：在敞水中旋轉(zhuǎn)的槳，若各槳葉無(wú)誤差且槳盤面上流場(chǎng)均勻，則每一槳葉上所產(chǎn)生的推力Ti及旋轉(zhuǎn)阻力Ri都相同，槳的總推力T必與槳軸心線重合，而各槳葉的旋轉(zhuǎn)阻力合力R也為零。

但槳在制造過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生各葉片螺距不等、槳葉夾角不等、各槳葉長(zhǎng)度和相同半徑處寬度不等等問題，因而即便是機(jī)械平衡性再好的槳，在敞水中旋轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生水動(dòng)力不平衡，其中以各槳葉間螺距差異影響最大。由于來(lái)流對(duì)各槳葉的沖角不同，每一個(gè)槳葉上的推力Ti和旋轉(zhuǎn)阻力Ri也不相等，導(dǎo)致槳的總推力T不與軸心線重合而產(chǎn)生周期性軸頻力矩;另外，旋轉(zhuǎn)阻力的合力R也不為零，也會(huì)產(chǎn)生周期性軸頻力矩。此兩種力矩通過(guò)尾軸軸承傳遞到船體，從而引起船體振動(dòng)。

為控制由于螺距差而產(chǎn)生軸頻激勵(lì)力的大小，我司引進(jìn)了“Prop Scan EPS”螺旋槳螺距檢測(cè)及調(diào)校設(shè)備，結(jié)合艇用高速槳Class“S”級(jí)別要求，若我們把每片槳葉相同半徑處螺距Pi的誤差控制在±0.75%，且每片葉的總平均螺距誤差P控制在±0.5%范圍，則可以將槳的水動(dòng)力不平衡引起的軸頻激勵(lì)力控制在合理的范圍內(nèi)，見以下實(shí)例：

我司（Hin Lee） #5007游艇主尺度如下：

該艇所用螺旋槳型號(hào)如下：葉片數(shù)4片;直徑775 mm;設(shè)計(jì)螺距535 mm;盤面比0.55。經(jīng)初次試航，各航行性能均能達(dá)到合約要求。

但測(cè)量出右主機(jī)經(jīng)減振機(jī)腳減振后振動(dòng)值為48.6mm/s，舵機(jī)艙右尾人架頂局部振動(dòng)值為10.7 mm/s，均明顯高于正常值。但振源不確定，故安排此船上船臺(tái)檢查分析：（1）通過(guò)試航過(guò)程中由主機(jī)供應(yīng)商所測(cè)得的主機(jī)各參數(shù)分析，排除由右主機(jī)各缸做工不均衡等情況而引起的主機(jī)自身振動(dòng);（2）斷開右減速箱輸出法蘭與聯(lián)軸器的聯(lián)接，并重新進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)，結(jié)果也在合理范圍;（3）拆掉右尾軸，上車床檢測(cè)其圓柱度及聯(lián)軸器的平面度等也屬正常;（4）檢查右軸承的完整性及布局，均正常;（5）重新核算螺旋槳的葉頻與軸頻和船體舵機(jī)艙的局部固有頻率差，亦不在引起局部振動(dòng)范圍;（6）對(duì)右槳重新進(jìn)行了靜平衡與動(dòng)平衡測(cè)試，其性能也達(dá)到Class“S”等級(jí)要求;（7）對(duì)該右槳螺距進(jìn)行重新測(cè)量，發(fā)現(xiàn)葉片3在其各半徑處螺距與葉片1、2、4相比，部分明顯超出±0.75%范圍;葉片3的總平均螺距與葉片1、2、4相比，亦超過(guò)±0.5%范圍，故其螺距誤差不滿足Class“S”等級(jí)要求。

為此，我們用螺旋槳調(diào)校儀對(duì)該槳重新進(jìn)行調(diào)校。鑒于槳葉根部0.3R及0.4R處槳葉的厚度及其受力情況，我司所使用的螺距調(diào)校儀對(duì)此兩點(diǎn)螺距調(diào)節(jié)存在工藝上的困難，故只合理的調(diào)整了由0.5～0.95R處螺距，使其各半徑處螺距差及總平均螺距差滿足Class“S”等級(jí)要求。

隨后，我們對(duì)該艇重新下水試航并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試得出：右主機(jī)經(jīng)減振腳后的振動(dòng)值為10.2 mm/s，舵機(jī)艙右尾人架頂船體局部振動(dòng)值為2.1 mm/s，兩者振動(dòng)值均明顯下降且均在合理范圍內(nèi)。由此可見，各槳葉間螺距差亦是引起螺旋槳激振力大小的重要因素之一。

5? ?螺旋槳制作完工后的減振措施

5.1? 改換多葉槳

一般情況下，對(duì)于已經(jīng)建造好的船艇，通過(guò)改變螺旋槳參數(shù)來(lái)減小槳的激勵(lì)力是比較困難的。但通過(guò)改變槳的葉片數(shù)來(lái)錯(cuò)開激勵(lì)頻率，通常可作為一種備選方法。

5.2? 切除槳葉部分葉梢

切除部分葉梢，即增加葉梢與船體間的間隙，此種方法可以直接有效的減小槳的激勵(lì)力。

5.3? 在尾部槳的上方安裝導(dǎo)流鰭

在船艇尾部槳的上方安裝導(dǎo)流鰭，相當(dāng)于設(shè)置外整流附件，可以在一定程度上改善尾伴流的均勻性。特別是對(duì)于高速艇，由于主機(jī)轉(zhuǎn)速高、槳的負(fù)荷大，故伴流的不均勻性對(duì)槳的激勵(lì)力大小影響比較顯著。但在槳的上方安裝導(dǎo)流鰭必然也會(huì)影響葉梢距船底的間隙，導(dǎo)致新的問題產(chǎn)生，故此種方法在使用時(shí)一定要設(shè)計(jì)好導(dǎo)流鰭的外形尺寸和位置，使其不過(guò)多的影響葉梢距船底間隙的同時(shí)亦能起到在一定程度上改善尾伴流均勻性的作用，從而達(dá)到減小槳作用于船體表面激勵(lì)力的目的。

6? ?總結(jié)

本文通過(guò)槳的設(shè)計(jì) 、加工和完工后三個(gè)階段，分析了船艇高速螺旋槳引起的船體振動(dòng)產(chǎn)生原因，并結(jié)合典型實(shí)例闡述了解決此類振動(dòng)的方法及注意事項(xiàng)，對(duì)解決艇用高速槳引起的船體振動(dòng)具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]金咸定， 夏利娟. 船體振動(dòng)學(xué)[M]. 上海交通大學(xué)出版社，2011.

[2]孫自力， 曹乃志. 船舶用螺旋槳原理及修理[M]. 哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.