自吸砂船試航中的振動問題分析及對策

何方熾， 俞士將， 方 靜

(1． 舟山市港航和口岸管理局， 浙江 舟山 316000； 2． 舟山航海學校， 浙江 舟山 316004)

0 引 言

船舶振動問題一般是不可避免的，但當船舶振動過大時，不僅會對船舶的安全運行產(chǎn)生影響，而且會對船上人員的健康造成危害，因此船舶振動問題越來越受船舶所有人、船檢部門和船廠的重視，近幾年船舶所有人對船舶減振的要求越來越高。2020年12月1日生效的《公務(wù)船技術(shù)規(guī)則》對公務(wù)船振動評級有了明確的檢驗要求，表明交通運輸部將逐步實施更嚴格的船舶振動控制法規(guī)。此外，我國是國際海事組織締約國，要求國內(nèi)非入級船舶全面執(zhí)行國際公約中的振動控制規(guī)則的趨勢日益明顯。因此，對國內(nèi)船舶開展振動控制方法與技術(shù)研究具有重要意義。

本文以某新型自吸砂船的首制船為研究對象，對其出現(xiàn)的振動過大的問題進行分析，并給出解決方案，形成船舶振動問題技術(shù)解決路線，為后續(xù)該類型船的設(shè)計和建造提供參考。

1 問題描述

該沿海航行自吸砂船長為67.6 m，寬為14.2 m，型深為4.0 m，總噸為1 379，參考載重量為1 528 t，主機額定功率為300 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。該船具有淺吃水、小長寬比、大方形系數(shù)、自動裝卸和設(shè)有鋼制水密艙蓋等特點，采用雙機雙槳形式。

在該船建造完工之后對其開展航行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著主機轉(zhuǎn)速的增加，船舶的總體振動加劇，噪聲增大。為判斷故障成因，對軸系振動數(shù)據(jù)進行測量，結(jié)果顯示，在該船的各個軸系中，除了測點的振幅偏大，并不存在共振轉(zhuǎn)速禁區(qū)，從而排除了軸系振動的影響。此外，對該船開展航速、操縱性和主機油耗等專項試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該船除了存在振動和噪聲問題以外，還存在航速不達標、航向穩(wěn)定性差、回轉(zhuǎn)半徑大和主機油耗偏高等問題。通過全面排查與分析，最終確定引發(fā)上述問題的原因是軸系安裝質(zhì)量控制不嚴格，導(dǎo)致軸系的安裝性能發(fā)生變化，螺旋槳、船體和舵的幾何關(guān)系不合規(guī)，艉部線型與圖紙不相符等。

2 軸系和船體振動基礎(chǔ)理論

2.1 軸系振動

該船的軸系布置圖見圖1，由柴油機、齒輪箱、中間軸、可拆聯(lián)軸器、艉軸和螺旋槳等組成。

① 柴油機; ② 齒輪箱; ③ 中間軸; ④ 可拆聯(lián)軸器; ⑤ 艉軸; ⑥ 艉軸管; ⑦ 艉軸承; ⑧ 螺旋槳

在該船的主推進軸系中，柴油機是重要的振源，其工作時在燃油燃燒形成的氣體力的作用下產(chǎn)生的傾覆力矩使其左右搖擺，由運動部件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力和回轉(zhuǎn)慣性力使上下、左右振動，由氣體力和往復(fù)慣性力作用在曲柄連桿機構(gòu)上形成的傾覆力矩使其左右搖擺性振動。同時，當螺旋槳在徑向和周向都不均勻的三維伴流場中運轉(zhuǎn)時，受到交變的縱向(軸向)與橫向推力和力矩的作用，在主機與螺旋槳的共同激勵下，軸系發(fā)生縱向振動、橫向(回旋)振動和扭轉(zhuǎn)振動。這是一種繼發(fā)性激勵，同時導(dǎo)致船上有關(guān)設(shè)備和船體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，這些振動除了影響軸系的正常工作以外，還會導(dǎo)致設(shè)備過度磨損，甚至是疲勞損壞，最終影響設(shè)備的正常工作和使用壽命。

2.2 船體振動

2018年的《國內(nèi)航行海船建造檢驗規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)對船體與螺旋槳之間的最小間隙有明確的規(guī)定，具體見圖2,其中為螺旋槳直徑。若、和小于《規(guī)范》規(guī)定的最小值，使螺旋槳的激振力變大，則會引起螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力傳遞到船板上形成的表面力增大，從而加劇船體振動；若螺旋槳與舵之間的間隙小于《規(guī)范》規(guī)定的最小值，則螺旋槳旋轉(zhuǎn)時形成的不均勻水流場和渦旋會使舵葉不停地左右扭擺，引起船體振動，并降低操舵時的舵效，影響船舶的操縱性能。

a=0.12D; b=0.20D; c=0.14D; d=0.04D

對于艉部線型，根據(jù)文獻 [1]和文獻[4]所述，單槳船型有其固有的線型特征，艉部線型呈反曲形，構(gòu)成所謂的“整流穴”，該線型能起到增大艉部水流速度的作用，并使艉部伴流更加均勻，降低螺旋槳伴流峰值。該船是雙機雙槳船，屬于V型船，難以形成“整流穴”，故其艉部易形成緩水區(qū)，對流場極為不利，且伴流峰值會很大，使螺旋槳運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的脈動壓力急劇增大，誘發(fā)艉部產(chǎn)生劇烈振動。

3 振動原因分析與對策

3.1 軸系安裝質(zhì)量

3.1.1 安裝質(zhì)量問題分析

對于減少軸系振動的措施，除了采用調(diào)頻、減小激勵、安裝減振器和抗振等技術(shù)手段以外，優(yōu)化安裝工藝和保證軸系校中也是重要環(huán)節(jié)。在安裝艉軸之前對其進行拉線復(fù)核時，在圖1中左右軸線對應(yīng)的0#和8#肋位測量鋼絲與船底基線在水平方向和垂直方向的距離，測量結(jié)果見表1。

表1 不同位置鋼絲與船底基線水平方向距離和垂直方向距離測量結(jié)果

根據(jù)《海船法定建造檢驗技術(shù)規(guī)程(2011)》對軸系校中檢查的規(guī)定：在進行軸系校中檢查時，以允許實際軸中心線不超過船體基線偏差允許值為限，允許限值為偏離船臺中心線±5 mm。按照規(guī)定，對于單軸系而言，偏差對船舶的影響不大，但對于雙軸系而言，無法滿足工程實際要求。為避免振動過大，雙軸系的安裝精度應(yīng)比規(guī)范的要求更高一些。由表1可知：該船左軸系實際中心線向右偏下，右軸系實際中心線向左偏上，兩軸系中心線在水平和垂直2個方向上均不平行，因此在船舶航行過程中必然產(chǎn)生水平方向和垂直方向的不平衡分力，從而形成不平衡力矩，使船舶左右、上下?lián)u擺，并產(chǎn)生振動。此外，對2個螺旋槳進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：右螺旋槳的質(zhì)量比左螺旋槳小57 kg；對于槳葉0.6(為螺旋槳半徑)處的螺距而言，左螺旋槳比右螺旋槳大23 mm。因此，軸系安裝精度控制不嚴格和2個螺旋槳的特性參數(shù)不一致是該船產(chǎn)生的船體結(jié)構(gòu)振動和噪聲明顯增大的原因之一。

3.1.2 整改措施與對策

1) 軸系重新校中。嚴格按批準的圖紙對2個軸系進行重新拉線，使其實際中心線與理論中心線盡量一致；同時，在進行軸系校中時，嚴控曲折值和偏移值。

2) 更換高彈。鑒于試航時測得的軸系測點的振幅偏大，為降低振幅，經(jīng)協(xié)商，由主機廠重新進行軸系扭振計算，更換2個高彈。

3) 增加緊配螺栓和加固機座支撐。在試航時，通過觸摸2臺主機發(fā)現(xiàn)其抖動得比較厲害，根據(jù)經(jīng)驗判斷，除了在基座前后端安裝主機緊配螺栓以外，還需為中間基座增加緊配螺栓，并在機座兩側(cè)增加肘板，加固機座支撐。

4) 調(diào)節(jié)連接螺母的預(yù)緊力至規(guī)定的預(yù)緊力。復(fù)查時測量主機和齒輪箱與機座各連接螺母的預(yù)緊力，發(fā)現(xiàn)部分不一致，這些力不平衡也可能加劇柴油機振動，進而引發(fā)船舶振動，故在進行軸系重新校中時，用扭力扳手將各螺母的預(yù)緊力調(diào)節(jié)到規(guī)定的預(yù)緊力。

5) 按圖整改螺旋槳。將2個螺旋槳返廠，并嚴格按批準的圖紙進行整改，在驗船師檢查核準之后再重新裝船使用。

3.2 螺旋槳幾何位置與艉部線型

3.2.1 位置與線型問題分析

該船螺旋槳的直徑為2 250 mm，船體計算書中的、、和計算值，以及根據(jù)圖2得到的設(shè)計取值和現(xiàn)場實測值見表2。

表2 螺旋槳與船體不同部位之間的距離 mm

由表2可知，實測值既不滿足法規(guī)中的最低要求，又不滿足設(shè)計的規(guī)定。這主要是由于艉部線型未嚴格按設(shè)計圖紙施工，加上首制船的艉部線型存在一定的改進空間，致使艉部的形狀控制不理想，且外形不夠光順，導(dǎo)致螺旋槳與船體各部分和舵之間的間隙較小。這樣除了影響螺旋槳的槳效以外, 還會影響螺旋槳來流和去流的順暢性, 一旦線型設(shè)計不合理，螺旋槳運轉(zhuǎn)時就會形成大量渦旋, 并使伴流不均勻，導(dǎo)致艉部振動加劇。

由于艉部外觀偏胖，爭議比較大，故對艉部線型進行測量取證。根據(jù)該船的線型圖(見圖3)，通過在中剖面處測量各標定點與船底基線之間的距離(例如：在13#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為0；在12#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為-5 mm；在12#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為-5.5 mm；在11#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為-7 mm等)，依次測量各肋位標定設(shè)計值與實測值的偏差，連接這些點得到對比型線①，說明該船的艉部線型在垂直方向相比設(shè)計線型下沉。在2000WL處，通過測量每道肋位與舯部的距離(例如：在19#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為0；在18#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為+2 mm；在17#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為+2.5 mm；在16#肋位，設(shè)計值與實測值的偏差為+3 mm等)，依次測量各肋位設(shè)計值與實測值的偏差，并將這些點相連接得出實際對比型線②，說明該船的艉部線型在水平方向相比設(shè)計線型外飄，從而證實該船的實際線型不符合設(shè)計要求。

圖3 線型圖

根據(jù)上述艉部振動基礎(chǔ)理論，對于雙機雙槳船舶，為避免水流分離引起的旋渦和振動及相互間的干擾，應(yīng)嚴格控制來流和去流的方向，盡量使艉部線型平滑光順，使水流均勻并降低螺旋槳盤面上部的伴流峰值,從而減小螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力，進而減輕船舶振動。

3.2.2 整改措施與對策

1) 調(diào)整螺旋槳與船體和舵之間的間隙。該船的船體、舵與螺旋槳之間的間隙既不滿足法規(guī)中的最低要求，又與批準的設(shè)計圖紙存在較大的差異，是引起該船振動和噪聲過大的一個重要因素，船舶所有人和船檢部門一致要求船廠結(jié)合軸系校中對艉部進行修改。

2) 重新設(shè)計和改變艉部線型。鑒于機艙設(shè)備及其管系已安裝，若完全重新設(shè)計艉部線型并按圖紙整改，難度較大。經(jīng)協(xié)調(diào)，由設(shè)計單位對艉部線型進行局部計算和設(shè)計，并提交具體的改造方案，與船檢部門會商確定之后執(zhí)行。最終的解決方案是將船側(cè)水線以下部分從13號肋位處內(nèi)收，向螺旋槳方向形成一個淺C型扇形槽(見圖4)，以利來流，提高槳效。

圖4 淺C型扇形槽

3) 重新設(shè)計和布局舭龍骨。由于采用了上述2)的方案，為增強船舶的穩(wěn)性，減輕船舶橫搖，船檢部門要求設(shè)計單位采用COMPASS軟件重新計算該船的舭龍骨對穩(wěn)性的影響，并對舭龍骨的形狀和布置進行調(diào)整，采用長而窄的舭龍骨，并將其安裝在船體的半寬線與基線的交點至船舶的重心的斜直線上。

4) 設(shè)置鐘形減振穴。由于值不滿足設(shè)計要求，故在螺旋槳上方設(shè)置鐘形減振穴(見圖5)，利于密閉的空氣彈簧和水質(zhì)量的吸振作用的發(fā)揮，以減弱螺旋槳作用在船體上的表面力，從而達到減振降噪的目的。

圖5 鐘形減振穴

4 試驗驗證

對該船作上述改進之后進行二次試航，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能達到預(yù)期要求，有效降低了船體振動，各測試項目的測試結(jié)果均明顯好于首次試航，達到了規(guī)范和設(shè)計的要求，除了減輕船舶振動以外，還提高了船舶的航行性能。船檢部門、船舶所有人和船廠對此次改進的結(jié)果均比較滿意，其中，在船舶航速、操縱性能和主機燃油消耗率等方面的測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 測試數(shù)據(jù)

進一步考核船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動情況，測試分析結(jié)果見圖6和表4。在圖6中，4.5諧次軸系扭轉(zhuǎn)振動峰值為0.043°，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為753.4 r/min，軸系計算頻率與實測頻率的相對誤差僅為0.28%，滿足規(guī)范的要求，表明該船軸系的運行狀態(tài)良好，主機在正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，證明上述措施有效。

圖6 諧次轉(zhuǎn)速曲線與扭角波形圖

表4 共振轉(zhuǎn)速和頻率測試分析結(jié)果

5 結(jié) 語

本文針對在實船試航過程中發(fā)現(xiàn)的船舶振動異常問題，根據(jù)振動基礎(chǔ)理論和規(guī)范的要求對問題成因進行了多角度分析，并提出了應(yīng)對措施，為解決此類問題提供了基本技術(shù)思路，最終得到以下結(jié)論：

1) 對于雙軸系或多軸系船型，應(yīng)確保船舶軸系各部件特征參數(shù)的一致性，嚴格控制軸系校中精度，并保證各機械設(shè)備機座可靠固定、連接螺母預(yù)緊力相同且達標，從而使各軸系的力學特性的差異性在合理范圍內(nèi)。

2) 調(diào)整螺旋槳與船體和舵之間的間隙、優(yōu)化艉部線型是控制船舶振動的重要手段；采用C型扇形槽、設(shè)置鐘形減振穴是解決該首制船振動問題的有效措施，但需重新設(shè)計和布局舭龍骨，只有如此才能發(fā)揮更明顯的減振效果。

3) 鑒于目前針對國內(nèi)海上航行非入級商船的振動評價標準尚未實施，在設(shè)計階段未考慮船舶振動響應(yīng)問題，建議在后續(xù)的船舶檢驗或設(shè)計中，提前考慮工藝誤差對船舶振動的影響，并在船舶試航測試中增加船體振動考核項目，提升各相關(guān)方對船舶性能評價的科學性。