船體振動(dòng)與螺旋槳鳴音的防止方法

汪榮華 沈萍

（常石集團(tuán)（舟山）造船有限公司 浙江省舟山市 316000）

船舶振動(dòng)是輪船在行進(jìn)過(guò)程中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，輪船內(nèi)部有發(fā)動(dòng)機(jī)在工作，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪船的船體發(fā)生振動(dòng)，小幅度的振動(dòng)對(duì)輪船的行駛并不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，而如果在輪船行進(jìn)的過(guò)程中船體發(fā)生大幅度的振動(dòng)，那么就要考慮輪船內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷等問(wèn)題。螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置，可有兩個(gè)或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面的一種推進(jìn)器。螺旋槳鳴音的產(chǎn)生是船體運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，本質(zhì)上并不會(huì)產(chǎn)生較大的危害，但是會(huì)對(duì)輪船工作和生活環(huán)境造成惡化，產(chǎn)生一定的噪音，讓人感到疲憊，因此，對(duì)于螺旋槳鳴音也必須采取一定的措施制止。

1 船體振動(dòng)源

輪船的船體會(huì)發(fā)生振動(dòng)，那么肯定就會(huì)有振動(dòng)源，即船體的振動(dòng)是從哪里發(fā)出的，分析船體的振動(dòng)源就可以找到根治的措施，一般情況下，船體的振動(dòng)源有三種，即主機(jī)、螺旋槳和各類機(jī)器設(shè)備，包括發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)及泵等。輪船主機(jī)是輪船的動(dòng)力裝置，為各類輪船提供機(jī)械動(dòng)力的裝置，輪船的主機(jī)根據(jù)采用燃料的性質(zhì)、燃燒的場(chǎng)所、使用的性質(zhì)及其工作方式等的不同，可分為蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、核動(dòng)力機(jī)和電動(dòng)機(jī)。輪船主機(jī)引起船體振動(dòng)，主要是由于運(yùn)動(dòng)部件的慣性力產(chǎn)生的不平衡力矩，以及主機(jī)內(nèi)壓力產(chǎn)生側(cè)向或者垂直的傾覆力矩，會(huì)引起船體發(fā)生振動(dòng)。其次是螺旋槳的運(yùn)行引起船體振動(dòng)，螺旋槳在工作的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種激振力，一種是軸頻激振力，另一種是葉頻激振力，葉頻激振力是螺旋槳在海浪等不均勻流體中產(chǎn)生的高頻激振力。另外，當(dāng)小型輪船在淺水區(qū)域航行，螺旋槳在水下會(huì)遇到各種流沙、卵石以及水草等，會(huì)使螺旋槳槳葉發(fā)生折斷，也會(huì)造成船體發(fā)生振動(dòng)。最后，輪船上各類機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都能產(chǎn)生機(jī)械、電磁和流體激勵(lì)，這些激勵(lì)幅值非常小，當(dāng)與船體某一結(jié)構(gòu)固有的頻率相等時(shí)，就會(huì)引起該機(jī)構(gòu)的共振。而當(dāng)振幅超過(guò)結(jié)構(gòu)所能承受的值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生永久性的破壞，會(huì)使機(jī)器發(fā)生變形或者裂紋。

2 船體振動(dòng)的防止對(duì)策

共振是引起船體振動(dòng)的主要因素，防止措施可以從計(jì)算振動(dòng)頻率做起，通過(guò)計(jì)算和分析可以得出，船體振動(dòng)具體是發(fā)生在哪個(gè)部位，首先要確定振動(dòng)的位置，其次要確定振動(dòng)的頻率，通過(guò)分析與計(jì)算，可以得出共振轉(zhuǎn)速。無(wú)論是局部轉(zhuǎn)速還是整體轉(zhuǎn)速，都可以測(cè)量出來(lái)。船體振動(dòng)雖然是常見(jiàn)的現(xiàn)象，但當(dāng)船體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，船員還是應(yīng)當(dāng)及時(shí)去分析船體發(fā)生振動(dòng)的原因，輪船在海上運(yùn)行會(huì)發(fā)生很多種情況，也存在多種不確定性的危險(xiǎn)因素，為了以防萬(wàn)一，當(dāng)船體發(fā)生振動(dòng)時(shí)就要及時(shí)對(duì)輪船整個(gè)船體去檢查。船體振動(dòng)防止對(duì)策可以從兩個(gè)方面來(lái)分析：①?gòu)恼w居住區(qū)做好船體振動(dòng)的防止措施；②從局部振動(dòng)的方面做好防止措施。接下來(lái)，將從這兩個(gè)方面去分析防止船體振動(dòng)的措施有哪些？

2.1 居住區(qū)整體振動(dòng)防止對(duì)策

在對(duì)船體振動(dòng)源進(jìn)行分析之后，那么就要對(duì)船體振動(dòng)提出一定的防止對(duì)策，船體的振動(dòng)幅度雖然小，但是長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)也會(huì)對(duì)船體造成很大的危害。一般情況下，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)噪音時(shí)，可以從三個(gè)方面來(lái)有效減少噪音或者振動(dòng)，首先是從振動(dòng)源入手，切斷振動(dòng)源就可以從根本上解決船體發(fā)生振動(dòng)。其次是對(duì)振動(dòng)傳播途徑進(jìn)行切斷，最后是對(duì)船體進(jìn)行加固，很顯然，本文運(yùn)用的是第三種方法。首先是居住區(qū)整體振動(dòng)的防止對(duì)策，如果采取一定的措施也無(wú)法回避共振區(qū)間，那么就需要變更結(jié)構(gòu)改變自身的固有頻率，主要措施有在居住區(qū)前后壁及側(cè)壁板加厚，這樣就能減小振動(dòng)頻率帶來(lái)的噪音。其次是加強(qiáng)居住區(qū)下方的支撐結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)居住區(qū)的支撐力，使整個(gè)居住區(qū)更加穩(wěn)固，也可以減小振動(dòng)頻率對(duì)于居住區(qū)的影響?；蛘呖梢宰芳訙p震平衡器，減震平衡器在一定程度上可以減小振動(dòng)帶來(lái)的頻率或者噪音。

2.2 局部振動(dòng)防止對(duì)策

其次就是局部振動(dòng)的防止對(duì)策，局部振動(dòng)的防止主要是限制輪船局部區(qū)域的振動(dòng)，首先是板格振動(dòng)，通過(guò)追加筋板，避免過(guò)大板格的方法來(lái)防止局部振動(dòng)。追加筋板可以有效的加大局部振動(dòng)區(qū)域的質(zhì)量，重量過(guò)大時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)船體造成的傷害就可以減小到最低。其次是筋板振動(dòng)，通過(guò)計(jì)算可以得到筋板的固有頻率，避免和主機(jī)及螺旋槳等振動(dòng)源產(chǎn)生共振，共振會(huì)對(duì)船體造成極大的傷害，因此可以通過(guò)計(jì)算有效地控制筋板的頻率，防止和其他震源產(chǎn)生共振，可以在共振區(qū)間內(nèi)根據(jù)需要變更板筋的尺寸或者長(zhǎng)度，這樣可以避免與其他震源產(chǎn)生一樣的振動(dòng)頻率。

3 螺旋槳鳴音產(chǎn)生的機(jī)理

螺旋槳鳴音是輪船在行進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，雖然它并不會(huì)對(duì)輪船產(chǎn)生較大的傷害，但是螺旋槳鳴音一直存在，總會(huì)讓人覺(jué)得很刺耳，總認(rèn)為是船體內(nèi)部發(fā)生了故障，會(huì)對(duì)船員工作的環(huán)境產(chǎn)生噪音影響。因此，螺旋槳鳴音是怎樣產(chǎn)生的，以及如何防止是幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)科學(xué)家一直在研究的課題。一直以來(lái)，都知道風(fēng)會(huì)讓緊繃的琴弦產(chǎn)生較大的聲音，科學(xué)家在對(duì)螺旋槳產(chǎn)生鳴音的問(wèn)題上做出了很多實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)螺旋槳鳴音是一種典型的卡門渦街誘發(fā)的流體動(dòng)力彈性共振產(chǎn)生的現(xiàn)象，那么螺旋槳的噪音到底是怎樣形成的，科學(xué)家做出了很多試驗(yàn)。當(dāng)流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的作用力時(shí)，流體產(chǎn)生的作用力會(huì)給予卡門渦街極強(qiáng)的能量，而卡門渦街的能量達(dá)到一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)的聲音，但當(dāng)螺旋槳的槳葉與振動(dòng)板產(chǎn)生的頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，而共振就會(huì)引起螺旋槳產(chǎn)生鳴音，見(jiàn)圖1。

4 螺旋槳鳴音的防止方法

圖1 用PIV（粒子成像測(cè)速）法拍攝的卡門渦街

螺旋槳鳴音是共振產(chǎn)生的結(jié)果，那么防止螺旋槳鳴音就可以從螺旋槳的槳葉入手，避免槳葉與卡門渦街產(chǎn)生同樣的頻率，就可以避免發(fā)生共振。只要在較小弦向長(zhǎng)度范圍內(nèi)把槳葉葉片的隨邊厚度減小到強(qiáng)度可接受的程度就可杜絕鳴音的發(fā)生，把槳葉的厚度減小，那么槳葉在水的作用力下就不會(huì)與卡門渦街產(chǎn)生一樣的頻率，這樣減小厚度的方法，不僅能改變卡門渦街的振動(dòng)頻率，同時(shí)還可以使其離開(kāi)結(jié)構(gòu)固有的頻率，避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，把鳴音消除掉。螺旋槳鳴音消除的根本原理是避免槳葉產(chǎn)生的頻率與卡門渦街產(chǎn)生的頻率一致，因此，只要改變一方的振動(dòng)頻率，那么就可以避免螺旋槳產(chǎn)生鳴音。在實(shí)際工作中，很多輪船為了避免產(chǎn)生鳴音，都會(huì)一定程度的減小槳葉的厚度，在實(shí)際應(yīng)用中，此項(xiàng)結(jié)論也可以得以應(yīng)用。目前，螺旋槳鳴音的主要防止措施只有這一種，在今后的不斷發(fā)展過(guò)程中，螺旋槳的應(yīng)用會(huì)更加完善，更加智能。現(xiàn)代輪船的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化機(jī)械的應(yīng)用，當(dāng)螺旋槳鳴音或者故障時(shí)，在輪船總控制中心是可以有所預(yù)警的，系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)螺旋槳鳴音具體的原因給出可行的實(shí)施方案。此外，輪船在運(yùn)行的過(guò)程中，螺旋槳遇到的其他故障與問(wèn)題，總控制中心也可以發(fā)現(xiàn)。未來(lái)，輪船的應(yīng)用會(huì)更加智能，我國(guó)輪船的設(shè)備也會(huì)更加先進(jìn)，只有不斷的研究與更新，促進(jìn)輪船各方面功能的完善，才有可能從根本上解決船體振動(dòng)和螺旋槳鳴音的問(wèn)題，同時(shí)，輪船的發(fā)展也可以促進(jìn)我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和制造業(yè)的發(fā)展。

5 小結(jié)

輪船發(fā)生振動(dòng)是常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，船體振動(dòng)并不會(huì)對(duì)輪船運(yùn)行產(chǎn)生本質(zhì)性的傷害，引起船體振動(dòng)的原因有多種，本文分析了三種引起船體振動(dòng)發(fā)生的原因，分析了三種振動(dòng)源，其中有一種引起船體發(fā)生振動(dòng)的原因是螺旋槳，螺旋槳在發(fā)生振動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生鳴音，是一種典型的共振現(xiàn)象，本文分析了螺旋槳鳴音產(chǎn)生的作用機(jī)理，是圓柱形線狀體和一切有鈍后緣的葉片在流體中共有的一種流體動(dòng)力彈性力學(xué)現(xiàn)象。一般民用船舶的螺旋槳鳴音并不會(huì)對(duì)船體造成實(shí)質(zhì)性的傷害，但是對(duì)于軍用艦來(lái)說(shuō)，螺旋槳鳴音會(huì)讓敵方發(fā)現(xiàn)軍艦的存在，因此，對(duì)于軍用輪船來(lái)說(shuō)，螺旋槳鳴音必須得到有效解決。一般情況下，解決螺旋槳鳴音的根本方法是減小螺旋槳槳葉的厚度，而且這一方法也在輪船的實(shí)際運(yùn)行中得到了有效實(shí)施。輪船在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)遇到多種不可預(yù)見(jiàn)因素的影響，引起船體振動(dòng)以及螺旋槳鳴音的因素也有可能是風(fēng)浪不平穩(wěn)的襲擊，或者在運(yùn)行過(guò)程中遇到了暗礁、沙石等，這些潛在的因素都會(huì)讓輪船發(fā)生振動(dòng)。因此，當(dāng)輪船的船體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，船員就要及時(shí)去分析振動(dòng)發(fā)生的原因，找到原因才能找到解決的方法和途徑，保證輪船的正常運(yùn)行。