艦船振動問題檢測方法研究

徐 斌，陳 謙，張愛東

(1. 中國艦船研究院，北京 100192；2. 中國人民解放軍第4806 工廠，浙江 舟山 316000)

0 引 言

水面艦艇可以視其為一種自由漂浮在海中的空心梁結(jié)構(gòu)體，其在航行過程中總會產(chǎn)生不同程度的船體振動，過量的激振力和船體共振是引起船體異常振動的主要因素，在船體高速運(yùn)動下海浪的劇烈拍擊也可能導(dǎo)致船體的振動。如果船體固有頻率與船體激振力頻率一致，則船體將會產(chǎn)生共振。即使不在共振狀態(tài)下，激振力的增大也會引起船體振動。水面艦艇的振源主要包括船體主副機(jī)、軸系、螺旋槳以及其他大功率動力裝置，船體振動不但與振源有關(guān)，還與船舶結(jié)構(gòu)體系和總體布置息息相關(guān)。船體出現(xiàn)振動的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，有些是因?yàn)橹鞲睓C(jī)或者螺旋槳變形引起的振動，有些是因?yàn)檩S系未能對中引起的振動，有些是因?yàn)榇w艙室局部板架及構(gòu)件的改變導(dǎo)致船體共振引起的振動。本文以某型改裝水面艦艇的振動問題為例，在船體靜態(tài)和動態(tài)2 種模式下對船體振動問題進(jìn)行全面的檢測分析，從而對船體振動原因進(jìn)行定位。

某型改裝水面艦艇船體為鋼質(zhì)，具有多層連續(xù)甲板，船體建造時(shí)采用短首樓平甲板、方尾構(gòu)型，具備雙螺旋槳雙軸推進(jìn)、雙主汽輪齒輪機(jī)組，具有多個(gè)汽輪輔機(jī)，并配備相關(guān)的輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該艦艇在進(jìn)行動力系統(tǒng)航行試驗(yàn)過程中，主汽輪機(jī)正車低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，船體運(yùn)行較為平穩(wěn)；試驗(yàn)時(shí)檢查船體所有支撐軸承運(yùn)行溫度處于38 ℃～45 ℃，均符合國軍標(biāo)技術(shù)要求。當(dāng)主汽輪機(jī)正車運(yùn)行到轉(zhuǎn)速Rh時(shí)，該艦艇突然出現(xiàn)大幅度橫向振動，以艦首部位置振動最為明顯，船體艉部相對平穩(wěn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升橫向振動現(xiàn)象逐漸減小。為了定位船體振動原因，對船體振動情況進(jìn)行檢測。

1 靜態(tài)檢測方案

大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明[1–7]，軸系和螺旋槳的狀態(tài)直接影響著船體在航行過程中所受激振力的大小，因此船體靜態(tài)檢測方案主要是針對軸系和螺旋槳的狀態(tài)進(jìn)行檢測，同時(shí)結(jié)合某型改裝水面艦艇在進(jìn)行航行試驗(yàn)過程中的振動問題現(xiàn)象，制定靜態(tài)檢測方案如下：

1）安排潛水員檢查左右螺旋槳、尾軸及將軍帽狀態(tài)，排除螺旋槳纏繞鋼纜或漁網(wǎng)的可能，本船經(jīng)潛水員潛水檢查未發(fā)現(xiàn)尾軸和螺旋槳異常情況。

2）對左右軸系共8 個(gè)支軸承進(jìn)行測力檢查，與船體出廠前數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，檢查軸系受力狀態(tài)，以防止軸系因長時(shí)間工作而導(dǎo)致變形量過大。

3）對主汽輪機(jī)組下部減震器進(jìn)行檢查，測量目前減震器高度，核算主汽輪機(jī)組與軸系對中狀態(tài)。主汽輪機(jī)組與軸系對中狀態(tài)是指主汽輪機(jī)組下方減震器輸出軸與推力軸軸系的相對位置（偏移數(shù)據(jù)）和姿態(tài)（曲折數(shù)據(jù)）。

4）對左右螺旋槳進(jìn)行檢查，重新核算螺旋槳靜平衡、螺距等數(shù)據(jù)。螺旋槳的靜平衡量通用國際標(biāo)準(zhǔn)為螺旋槳自身重量的1%～2%，我國一般選擇為2%，相應(yīng)計(jì)算公式為：

式中：G 為螺旋槳自身重量，R 為螺旋槳半徑，N 為螺旋槳轉(zhuǎn)速，X 為螺旋槳的最大靜平衡量。經(jīng)實(shí)船檢測發(fā)現(xiàn)左右螺旋槳實(shí)測靜平衡量均符合國軍標(biāo)技術(shù)要求。螺旋槳上的1 個(gè)點(diǎn)在螺旋槳旋轉(zhuǎn)1 周時(shí)所移動的軸向距離即為螺距。經(jīng)實(shí)船檢測左右螺旋槳0.7R（R 為螺旋槳半徑）處實(shí)測平均螺距均處于設(shè)計(jì)平均螺距公差范圍以內(nèi)。

2 動態(tài)檢測方案

為了進(jìn)一步檢測船體振動情況，需要進(jìn)行實(shí)船動態(tài)測試，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析船體振動原因。動態(tài)試驗(yàn)開展前，應(yīng)明確試驗(yàn)工況及試驗(yàn)需要保障的條件如試驗(yàn)水域、水文氣象、船體狀態(tài)、檢查確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)備安裝情況等。

2.1 試驗(yàn)保障條件

動態(tài)試驗(yàn)過程中測試水域的水深應(yīng)不小于5 倍船體吃水，離岸或離其他建筑物不宜太近，避免影響振動試驗(yàn)；海況不大于2 級，水流平緩；試驗(yàn)時(shí)船體裝載為正常排水量，其誤差一般應(yīng)不大于2%（特殊情況應(yīng)不大于3%），載荷分布應(yīng)接近設(shè)計(jì)狀態(tài)。船體橫傾角應(yīng)不大于0.5°，縱傾狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相一致，相對于設(shè)計(jì)狀態(tài)允許有小于0.1% 計(jì)算水線長的縱傾誤差。整體測量系統(tǒng)必須在測試前置于標(biāo)準(zhǔn)振動測試臺上進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定內(nèi)容主要有幅頻特性、相頻特性、幅值特性及靈敏度等，確保傳感器牢固安裝，不允許有滑移或松動，聯(lián)結(jié)導(dǎo)線必須符合傳感器的配合要求。在敷設(shè)導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)將導(dǎo)線與船體固定好，不允許有相對運(yùn)動產(chǎn)生；保證測量系統(tǒng)有良好的接地。

2.2 試驗(yàn)工況

針對船體振動現(xiàn)象，將動態(tài)試驗(yàn)分為3 種工況進(jìn)行：工況1 將1 號主機(jī)脫軸，分檔測量，逐步提高2 號主機(jī)轉(zhuǎn)速至大于Rh時(shí)，每增加一檔穩(wěn)定運(yùn)行約1～2 min，測量完成后進(jìn)行下檔測量；工況2 將2 號主機(jī)脫軸，分檔測量，逐步提高1 號主機(jī)轉(zhuǎn)速至大于Rh時(shí)，每增加一檔穩(wěn)定運(yùn)行約1～2 min，測量完成后進(jìn)行下檔測量；工況3 將1 號和2 號主機(jī)同時(shí)運(yùn)行，分檔測量，同步提高1 和2 號主機(jī)轉(zhuǎn)速至大于Rh時(shí)，每增加一檔穩(wěn)定運(yùn)行約1～2 min，測量完成后進(jìn)行下檔測量。

2.3 動態(tài)測試方案

1）船體激振測試方案

當(dāng)船體激振頻率與固有頻率一致時(shí)，船體就會產(chǎn)生共振。為了避免共振現(xiàn)象，需要進(jìn)行激振測試，激振測試是由瞬態(tài)激勵(lì)測定船體振動固有頻率、固有振形及阻尼特性的一種測試方法。本文提供了2 種激振試驗(yàn)測試方法拋錨法和拖船靠幫法，分別用于測量船體垂向和橫向振動第1～2 階的固有頻率、固有振形及阻尼特性。激振試驗(yàn)時(shí)，船體應(yīng)處于自由漂浮狀態(tài)，船體上除了參與試驗(yàn)的機(jī)械設(shè)備，其余設(shè)備均應(yīng)停止運(yùn)行。船體測點(diǎn)應(yīng)布置在首、尾端中線面處及左舷或者右舷靠近舷測甲板邊板的強(qiáng)力構(gòu)件上，加速度計(jì)的安裝方向與激勵(lì)方向要一致。

在進(jìn)行拋錨激振試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使錨懸在錨穴下，將錨自由下落，錨落下的距離以不觸及海底為限，隨之用錨鏈止鏈器迅速制動，使船體振動、記錄從拋錨開始至船體振動消失的有關(guān)船體振動響應(yīng)值。為取得可靠的數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)重復(fù)2～3 次。用拖船靠幫進(jìn)行激勵(lì)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使拖船碰撞本船肋位舷側(cè)處，用以碰撞的拖船應(yīng)以1 kn 左右速度試碰撞，根據(jù)本船振動響應(yīng)情況，逐漸增加碰撞速度，以使本船體產(chǎn)生橫向振動。記錄從靠幫開始至船體振動消失的船體振動響應(yīng)值。在進(jìn)行拖船靠幫激勵(lì)試驗(yàn)前，視情況對船體結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2）全船總體振動和局部振動測試方案

為了完成在規(guī)定工況下船體航行總體和局部振動測試，檢驗(yàn)船體航行中由螺旋槳和主機(jī)等激勵(lì)產(chǎn)生的船體總振動和局部結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)情況，試驗(yàn)前需要復(fù)校整個(gè)測量系統(tǒng)，使之處于正常工作狀態(tài)，記錄各個(gè)測點(diǎn)的位置和儀器的修正系數(shù)。試驗(yàn)時(shí)保持直線航行，減少操舵，且操舵角度應(yīng)該限制在±2°以內(nèi)。航行振動試驗(yàn)應(yīng)從主機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的航速開始，逐漸增大主機(jī)轉(zhuǎn)速，間隔增量為10～20 r/min，直至額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速處于常用工況和振動明顯工況附近時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小間隔增量，以便加密記錄次數(shù)。每次測試均應(yīng)在主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，每次記錄應(yīng)有一段時(shí)間，記錄時(shí)間大約為1～2 min，在振動測量時(shí)記錄各個(gè)工況下的螺旋槳和主機(jī)軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)測試需求，在必要時(shí)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速工況。試驗(yàn)測試分為全船總體振動測試和局部振動測試，總體振動布置點(diǎn)主要分布在船首端首樓甲板中線面、船尾端上甲板中線面、駕駛室甲板前壁中線面、上甲板中線面、主汽輪機(jī)基座、減速器基座、主汽輪機(jī)推力軸承基座等處。局部振動主要針對全船重要部位進(jìn)行振動監(jiān)測，包括舵機(jī)艙中內(nèi)龍骨與尾封板、艙壁、肋骨交接處，直升機(jī)起降平臺的降落區(qū)格柵中心的前、后、左、右各一點(diǎn)，駕駛室內(nèi)甲板，某型發(fā)射裝置基座等處。

3）主汽輪機(jī)和減速器振動測試方案

為了分析船體主汽輪機(jī)和減速器的隔振裝置效果，需要測試主汽輪機(jī)和減速器設(shè)備加速度振級落差。試驗(yàn)時(shí)測量場地應(yīng)有220V 測量電源和必須的燈光照明。測試過程中，避免無關(guān)人員的走動，降低測試干擾。將待測設(shè)備所需測點(diǎn)的加速度傳感器安裝完畢后，在所有設(shè)備未開機(jī)狀態(tài)下，測試被測設(shè)備所在位置的背景振動。然后，按照航行工況要求，測量各設(shè)備測試方向上的振動加速度信號。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所有測點(diǎn)振動加速度級高于背景振動10 dB（包括10 dB）以上時(shí)，測量結(jié)果可不予修正；低于10 dB 時(shí)應(yīng)記錄背景振動以便修正，背景振動的修正按國軍標(biāo)的規(guī)定進(jìn)行處理[8–10]。此方案需用到加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和采集控制分析系統(tǒng)等試驗(yàn)儀器，振動加速度測量系統(tǒng)的測試頻率范圍需要覆蓋10 Hz～10 kHz。試驗(yàn)測試點(diǎn)主要分布在主汽輪機(jī)和減速器箱體頂部、機(jī)腳和基座，齒輪箱頂部，軸承基座等處。

4）軸系振動測試方案

軸系振動測試主要分為扭轉(zhuǎn)振動測試、橫向振動測試、縱向振動測試、軸功率測試。扭轉(zhuǎn)振動共有2 個(gè)測試點(diǎn)，在主機(jī)自由端和尾軸各1 個(gè)。在尾軸上安裝傳動裝置，將傳感器平行固定于傳動裝置上，如圖1 所示。橫向振動共有4 個(gè)測試點(diǎn)，在2 個(gè)軸系中某一截面上布置2 個(gè)相互垂直的位移傳感器，如圖2所示?？v向振動共有2 個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)軸系端面各一個(gè)，垂直于端面安裝位移傳感器，如圖3 所示；軸功率測試點(diǎn)共2 個(gè)，在2 個(gè)軸系尾軸上安裝軸系遙測功率儀的應(yīng)變片，如圖4 所示。

圖 1 軸系扭振測點(diǎn)布置示Fig. 1 Arrangement of measuring points for torsional vibration of shafting system

圖 2 軸系橫向振動測點(diǎn)布置Fig. 2 Layout of measuring points for transverse vibration of shafting system

圖 3 軸系縱向振動測點(diǎn)布置Fig. 3 Arrangement of measuring points for longitudinal vibration of shafting system

圖 4 軸系軸功率測點(diǎn)布置Fig. 4 Arrangement of measuring points for shafting shaft powern

3 實(shí)船測試結(jié)果分析

3.1 主汽輪機(jī)和減速器振動測試結(jié)果分析

如圖5 所示，當(dāng)主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速位于R0～Rh時(shí)（Rh=R0+60 r/min），主機(jī)隔振裝置的垂向和橫向隔振效果均高于15 dB，高轉(zhuǎn)速下的主汽輪機(jī)隔振裝置隔振效果可以達(dá)到20 dB 以上，測試結(jié)果表明主汽輪機(jī)隔振裝置隔振效果良好。

表 1 傳感器布置統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Sensor layout statistics

圖 5 不同轉(zhuǎn)速下的主機(jī)隔振裝置隔振效果Fig. 5 Vibration isolation effect of main engine vibration isolation device at different speed

3.2 軸系振動測試結(jié)果分析

各工況下不同測點(diǎn)處軸系振動幅值隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢如圖6～圖8 所示。測試結(jié)果表明，在主軸轉(zhuǎn)速由R0增加至Rh過程中（Rh=R0+60 r/min），軸系振動平緩，并未發(fā)現(xiàn)異常，可以確認(rèn)軸系振動與軸功率均屬正常，不是導(dǎo)致船體振動的主要因素。

3.3 激振測試結(jié)果分析

船體橫向振動前2 階模態(tài)頻率分別為f1和f2，對應(yīng)振型為典型的1 階2 節(jié)點(diǎn)彎曲和2 階3 節(jié)點(diǎn)彎曲模態(tài)。船體垂向振動前2 階模態(tài)頻率分別為f3和f4，對應(yīng)振型為典型的彎曲模態(tài)。橫向振動第1 階固有頻率f1對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速下船體在航行過程中未發(fā)生振動。橫向振動第2 階固有頻率f2對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速下船體在實(shí)際航行過程中發(fā)生了振動；垂向振動的1 階和2 階頻率對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速下的船體均未發(fā)生振動。所以船體在橫向振動2 階模態(tài)頻率f2處存在橫向共振的可能。

圖 6 雙主機(jī)全開加速度級Fig. 6 Full open acceleration level of dual main engines

圖 7 右主機(jī)單開加速度級Fig. 7 Right main engine single open acceleration level

圖 8 左主機(jī)單開加速度級Fig. 8 Single open acceleration stage of left main engine

3.4 總體和局部振動測試結(jié)果分析

觀察發(fā)現(xiàn)某型設(shè)備基座對應(yīng)測試點(diǎn)在主軸轉(zhuǎn)速由R0增至Rh變化過程中（Rh=R0+60 r/min），在f2頻率點(diǎn)左右均出現(xiàn)峰值（見圖9），且該峰值在隨主軸轉(zhuǎn)速升高至Rh過程中迅速增加，超過Rh后迅速減小，提取某型設(shè)備基座其他位置的測點(diǎn)均有此規(guī)律，實(shí)船振動測試數(shù)據(jù)說明在主軸轉(zhuǎn)速為Rh左右時(shí)，船體發(fā)生共振。

為了進(jìn)一步證明船體發(fā)生共振，現(xiàn)分別提取不同工況下、不同測點(diǎn)處f2頻率點(diǎn)左右的振動加速度信號如圖10～圖12 所示。

圖 9 某型設(shè)備基座測點(diǎn)振動加速度頻譜Fig. 9 Vibration acceleration spectrum of base measuring point of a certain equipment

圖 10 雙主機(jī)全開加速度級Fig. 10 Full-open acceleration level for dual mainframe

圖 11 左主機(jī)單開加速度級Fig. 11 Left main engine open acceleration level

圖 12 右主機(jī)單開加速度級Fig. 12 Right main engine open acceleration level

在雙主機(jī)并開工況下，總體上船體各測點(diǎn)的振動加速度級隨著轉(zhuǎn)速增加而增大；在左主機(jī)單開和右主機(jī)單開工況下，船體各測點(diǎn)的振動加速度級隨轉(zhuǎn)速增加而變大，部分測點(diǎn)的振動加速度級隨轉(zhuǎn)速增加，在Rh附近達(dá)到峰值，隨后快速減小。結(jié)合激振試驗(yàn)測試結(jié)果，進(jìn)一步證明了在船體轉(zhuǎn)速為Rh左右時(shí)，船體發(fā)生了共振。

4 結(jié) 語

對水面艦艇振動檢測方法進(jìn)行了研究，從靜態(tài)和動態(tài)2 種方式下對船體振動進(jìn)行檢測，重點(diǎn)介紹了軸承力、軸系對中、螺旋槳靜平衡和螺距、船體激振力、船總體和局部振動、主機(jī)和減速器振動特性、軸系振動特性、軸功率等測試方法。結(jié)合實(shí)船測試數(shù)據(jù)，分析得出主機(jī)轉(zhuǎn)速在Rh左右時(shí)船體的激振頻率與船體固有頻率重合，船體發(fā)生共振。船體共振的產(chǎn)生主要是由于船體改裝時(shí)，對船體某型設(shè)備基座底部艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，導(dǎo)致船體2 階橫向固有頻率發(fā)生大幅度變化，而船體改裝后的固有頻率對應(yīng)了船體主軸的常規(guī)轉(zhuǎn)速，無法進(jìn)行規(guī)避。所以需要對改裝后的船體艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)一步計(jì)算規(guī)劃，使船體固有頻率盡可能避開常規(guī)激振頻率，防止船體共振現(xiàn)象的發(fā)生。本文不僅探索了船體振動特性的測量技術(shù)及檢測方法，同時(shí)對我國水面艦艇的改裝也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。