福建船政交通職業(yè)學(xué)院　王必改

某船主機(jī)異常振動(dòng)原因分析

福建船政交通職業(yè)學(xué)院王必改

介紹某輪主機(jī)異常振動(dòng)故障的發(fā)生經(jīng)過(guò)及故障的排除過(guò)程。通過(guò)故障原因的分析，指出主機(jī)扭振減振器進(jìn)油軸加工精度不夠是造成故障的主要原因。通過(guò)對(duì)此次故障原因的思考，提出通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高加工精度、安裝質(zhì)量及加強(qiáng)管理，可以有效避免類(lèi)似事故的再次發(fā)生，對(duì)保證船舶的安全航行具有重要的意義。

船舶；主機(jī)；異常振動(dòng)

船舶作為海上交通工具，為了保證在海上的正常航行及船上人員的正常生活，需要安裝諸如主推進(jìn)動(dòng)力裝置等各種動(dòng)力設(shè)備或裝置。當(dāng)船舶在海上航行時(shí)，由于受到各種動(dòng)力裝置產(chǎn)生的不平衡力及不平衡力矩等激勵(lì)源的作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種不同程度的機(jī)械振動(dòng)，如振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率與激勵(lì)頻率一致或接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。即使一些不處在共振狀態(tài)的裝置，由于激勵(lì)增大，也可能產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。過(guò)度的船舶振動(dòng)，除對(duì)人員的健康產(chǎn)生不利外，還可能引起局部構(gòu)件的疲勞破壞，或?qū)е聶C(jī)械設(shè)備故障，甚至影響船舶的正常航行。［1］因此如何控制船舶的有害機(jī)械振動(dòng)成為造船行業(yè)、航運(yùn)業(yè)等必須面對(duì)并不得不解決的一個(gè)重大問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與造船技術(shù)的發(fā)展，船舶振動(dòng)問(wèn)題在很大程度上得到了解決和控制，但隨著船舶噸位的增加、主機(jī)功率的提高及新設(shè)備的使用，船舶產(chǎn)生有害振動(dòng)的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，因此作為輪機(jī)管理人員，必須對(duì)船舶振動(dòng)問(wèn)題引起重視。本文主要介紹一起船舶發(fā)生振動(dòng)的故障事例及故障的解決過(guò)程，希望對(duì)解決類(lèi)似問(wèn)題能起到一定的參考作用。

一、故障經(jīng)過(guò)

某新造散貨輪，由國(guó)內(nèi)某船廠建造，2014年1月底下水，74600t載重噸。主機(jī)采用國(guó)內(nèi)某柴油機(jī)廠生產(chǎn)的MANB&W5S60ME-C8.2tierII型柴油機(jī)，主機(jī)額定轉(zhuǎn)速98r/min，額定功率8197kW。

2014年1月29日，該船從船廠開(kāi)始她的處女航，前往秦皇島港裝煤到廣州港。早上09：00開(kāi)始備車(chē)，10：33主機(jī)開(kāi)始動(dòng)車(chē)，12：42駛出港區(qū)，期間主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常。之后主機(jī)開(kāi)始加速，當(dāng)加速到75r/min時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)振動(dòng)，大管輪巡回檢查后發(fā)現(xiàn)機(jī)艙多處有不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)主機(jī)前端鏈條箱有輕微敲擊聲。之后隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速升高，振動(dòng)加劇，在主機(jī)前端鏈條箱處出現(xiàn)的敲擊聲也逐漸加大。當(dāng)加速到85r/min后，1號(hào)缸出現(xiàn)汽缸蓋冷卻水管破裂，如圖1所示。經(jīng)停車(chē)修理后，主機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)再次加速到86r/min時(shí)，5、4缸汽缸蓋冷卻水管相繼破裂。至此斷定主機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)。經(jīng)與公司機(jī)務(wù)商議后決定，主機(jī)以71r/min降速運(yùn)行，繼續(xù)開(kāi)往秦皇島錨地，同時(shí)請(qǐng)柴油機(jī)廠服務(wù)工程師上船參與故障分析與診斷。

圖1　汽缸蓋冷卻水管斷裂情況

2月7日，船開(kāi)到秦皇島錨地，柴油機(jī)廠人員登船。經(jīng)過(guò)廠方與船方人員共同分析后，決定先對(duì)鏈條箱進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鏈條導(dǎo)軌橡膠條已破碎，如圖2所示，經(jīng)分析疑為鏈條松動(dòng)。在對(duì)碎裂的鏈條導(dǎo)軌進(jìn)行更換，并對(duì)前端鏈條進(jìn)行重新上緊后，在錨地附近進(jìn)行動(dòng)車(chē)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題依然存在，打開(kāi)鏈條箱后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌橡膠條再次破碎。經(jīng)多方檢查查找未找到根本原因。為此我們對(duì)船舶振動(dòng)及其故障原因進(jìn)行了深入的綜合分析。

圖2　鏈條導(dǎo)軌橡膠破損情況

二、故障原因分析

1.船舶振動(dòng)機(jī)理

船舶振動(dòng)主要是由于船舶在激勵(lì)源的作用下，當(dāng)激勵(lì)源頻率與船舶結(jié)構(gòu)或設(shè)備的固有頻率相等或接近時(shí)，引起船舶結(jié)構(gòu)或設(shè)備發(fā)生共振，或由于激勵(lì)過(guò)大引起強(qiáng)迫振動(dòng)。

2.激勵(lì)源

船舶的激勵(lì)源分為原發(fā)性激勵(lì)源與繼發(fā)性激勵(lì)源兩種。它們都會(huì)引起船舶整體性、局部結(jié)構(gòu)及設(shè)備的振動(dòng)。

（1）原發(fā)性激勵(lì)源。主要有：柴油機(jī)主機(jī)不平衡力矩激勵(lì)；軸系校中不良激勵(lì)；螺旋槳激勵(lì)；船舶輔機(jī)等激勵(lì)；波浪激勵(lì)。

（2）繼發(fā)性激勵(lì)源。主要有：軸系縱向振動(dòng)；軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；軸系回旋振動(dòng)；柴油機(jī)機(jī)架橫向振動(dòng)；柴油機(jī)縱向振動(dòng)。

3.解決船舶振動(dòng)的技術(shù)路線

研究和解決船舶振動(dòng)的基本方法是，首先分析原發(fā)性激勵(lì)源與繼發(fā)性激勵(lì)源，然后研究激勵(lì)源傳遞的途徑，再計(jì)算分析與振動(dòng)體產(chǎn)生共振的可能性。如產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)或共振，則判斷振動(dòng)量級(jí)是否超過(guò)衡準(zhǔn)，如超過(guò)衡準(zhǔn)，則應(yīng)研究原因，提出經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。［2］如圖3所示。

圖3　解決船舶振動(dòng)的技術(shù)路線

4.船舶的減振原理

根據(jù)船舶振動(dòng)的機(jī)理，船舶減振主要從如下三個(gè)方面著手：

（1）避免共振。改變結(jié)構(gòu)的固有頻率或激勵(lì)頻率防止共振的產(chǎn)生。

（2）減小激勵(lì)力。進(jìn)行動(dòng)平衡或結(jié)構(gòu)改型減小激勵(lì)幅值。

（3）減小振動(dòng)或激勵(lì)力的傳遞。增加阻尼以吸收振動(dòng)能量，裝設(shè)減振裝置以達(dá)到減小振幅的目的。［3］

5.船舶振動(dòng)控制流程

由于船舶振動(dòng)的復(fù)雜性，往往很難通過(guò)一次的設(shè)計(jì)計(jì)算就完全解決船舶的振動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于每條船舶來(lái)說(shuō)，控制船舶振動(dòng)往往需要有關(guān)詳細(xì)的船舶資料，因此，對(duì)船舶振動(dòng)的控制必須貫穿船舶設(shè)計(jì)、建造與使用的全過(guò)程，是一個(gè)逐步深入的過(guò)程。目前，對(duì)船舶振動(dòng)的控制主要分為四個(gè)階段，分別為初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、建造階段和營(yíng)運(yùn)階段。

（1）初步設(shè)計(jì)階段。

在初步設(shè)計(jì)階段，振動(dòng)控制的主要任務(wù)是：根據(jù)船舶建造設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的說(shuō)明收集振動(dòng)的相關(guān)資料，在決定船舶主尺度、主機(jī)機(jī)型及螺旋槳葉片數(shù)時(shí)，就船舶防振方面提出合理的意見(jiàn)。

（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，振動(dòng)控制的主要任務(wù)是：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算與研究，如不滿足要求，采取必要的減振措施。

此階段，振動(dòng)控制設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：①螺旋槳脈動(dòng)壓力估算；②柴油機(jī)不平衡力矩及振動(dòng)計(jì)算；③軸系校中及振動(dòng)計(jì)算；④船舶設(shè)備及管路等機(jī)械振動(dòng)計(jì)算；⑤船體結(jié)構(gòu)及局部構(gòu)件振動(dòng)計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，對(duì)全船性機(jī)械振動(dòng)作出預(yù)報(bào)并進(jìn)行綜合分析，提出船舶振動(dòng)控制的綜合性意見(jiàn)與建議。

（3）建造階段。

建造階段包括船舶建造階段和試航階段。此階段的主要任務(wù)是：根據(jù)船舶生產(chǎn)圖紙與施工工藝文件，對(duì)船舶建造施工過(guò)程，就機(jī)械振動(dòng)控制方面，對(duì)施工工藝進(jìn)行監(jiān)督控制，提高施工質(zhì)量，防止施工工藝偏差對(duì)振動(dòng)控制造成不利影響，同時(shí)編制《船上振動(dòng)測(cè)量大綱》。在試航時(shí)，要根據(jù)《船上振動(dòng)測(cè)量大綱》，進(jìn)行各種振動(dòng)測(cè)試并編制《船上振動(dòng)測(cè)量報(bào)告》。

（4）營(yíng)運(yùn)階段。

在營(yíng)運(yùn)階段，振動(dòng)控制的主要任務(wù)是：對(duì)船舶在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)的船舶振動(dòng)進(jìn)行分析研究并采取必要減振措施，防止船舶出現(xiàn)有害振動(dòng)，確保船舶航行的安全與人員生活的舒適性。

6.船舶防振與減振的措施

為了防止有害振動(dòng)，要求在設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，并采取預(yù)防措施；在營(yíng)運(yùn)階段必須對(duì)出現(xiàn)的有害振動(dòng)采取減振措施。設(shè)計(jì)階段的防振措施與營(yíng)運(yùn)階段的減振措施，兩者只是處理對(duì)象的差異和處理角度的不同，其基本原理都是一樣的。根據(jù)振動(dòng)的機(jī)理與減振原理，減小船上有害振動(dòng)的措施主要有：

（1）防止共振。

①改變激勵(lì)頻率；

②改變激勵(lì)源的作用位置；

③改變結(jié)構(gòu)的固有頻率。

（2）減小激勵(lì)的幅值。

（3）減小激勵(lì)的傳遞。

（4）船、機(jī)、軸、槳合理匹配。

（5）合理設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)。

（6）增加阻尼或裝減振裝置。

7.船舶的減振方法

根據(jù)船舶的振動(dòng)機(jī)理與減振原理，我們制定了解決異常振動(dòng)的方法，如圖4所示。

圖4　減振方法

三、故障解決經(jīng)過(guò)

1.振動(dòng)測(cè)量

經(jīng)過(guò)船廠方、柴油機(jī)廠方、船公司方及船上輪機(jī)人員共同研究分析后，決定首先進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。為了便于對(duì)比分析，振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)在試航時(shí)的《船上振動(dòng)測(cè)量報(bào)告》中測(cè)量點(diǎn)的基礎(chǔ)上加上振動(dòng)比較明顯的位置。經(jīng)過(guò)測(cè)量分析后，確認(rèn)船上實(shí)際振動(dòng)比測(cè)量報(bào)告中的大，同時(shí)通過(guò)參加試航的人員回憶，試航時(shí)確實(shí)未出現(xiàn)這樣的振動(dòng)，進(jìn)一步確定船上存在有害振動(dòng)。

2.故障排除經(jīng)過(guò)

本船在船廠建有多條姐妹船，通過(guò)詢(xún)問(wèn)其他在航的船舶，得知其他船運(yùn)行正常，可以排除船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主機(jī)機(jī)型、螺旋槳等設(shè)計(jì)選型的因素。

對(duì)軸系重新校中，檢查結(jié)果為正常，排除軸系對(duì)中不良的原因。檢查主機(jī)等各設(shè)備的支撐情況，發(fā)現(xiàn)除主機(jī)支撐個(gè)別接頭螺栓稍有松動(dòng)外，沒(méi)有其他問(wèn)題，排除支撐的問(wèn)題。通過(guò)綜合分析，認(rèn)為最可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方在主機(jī)平衡裝置及減振裝置上，但通過(guò)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常。至此故障分析陷入僵局。

為了進(jìn)一步觀察了解故障情況，經(jīng)多方共同商議后決定先行裝貨，主機(jī)降速運(yùn)行前往廣州，途中派船廠與柴油機(jī)廠人員跟船同行以進(jìn)一步觀察主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

2月9日，船舶裝貨后，主機(jī)以72r/min運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)航前往廣州。

2月10日16：05，主機(jī)振動(dòng)加大，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)扭振減振器滑油進(jìn)油壓力下降，停車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)扭振減振器進(jìn)油軸軸套密封圈磨損，見(jiàn)圖5、圖6。因無(wú)備件，船上臨時(shí)用尼龍棒加工密封圈密封后，以71r/min開(kāi)往廣州。

圖5　扭振減振器進(jìn)油軸軸套密封圈磨損情況

圖6　扭振減振器進(jìn)油軸軸套與角度編碼器圖

2月17日，船靠港后，柴油機(jī)廠人員送上備件，對(duì)扭振減振器進(jìn)油軸軸套進(jìn)行了更換。同時(shí)檢查進(jìn)油軸的對(duì)中性，發(fā)現(xiàn)其跳動(dòng)量為2.40mm，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)進(jìn)油軸重新對(duì)中，發(fā)現(xiàn)無(wú)法調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)值以?xún)?nèi)，懷疑進(jìn)油軸加工精度不足，要求加工廠送新件上船。因加工廠無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)送貨上船，遂決定船先開(kāi)往曹妃甸港。

2月19日卸貨后，船開(kāi)航前往曹妃甸港，主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)正常。2月21日，主機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)振動(dòng)。降速后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2月24日，在曹妃甸錨地，拆開(kāi)角度編碼器及扭振減振器進(jìn)油軸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸與軸套再次磨損。

2月22日22：32，主機(jī)突然自動(dòng)停車(chē)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)角度編碼器軸松動(dòng)。因主機(jī)無(wú)法運(yùn)行，船舶在海上漂航。故障解決后，繼續(xù)航行。

3月4日，柴油機(jī)廠人員上船更換進(jìn)油軸與軸套，并對(duì)蓋斯林格、進(jìn)油軸及角碼器軸進(jìn)行調(diào)整，各對(duì)中度符合要求。經(jīng)動(dòng)車(chē)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)減輕至合理的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)多次航行后，未再出現(xiàn)異常振動(dòng)，至此故障排除。

四、故障經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

1.故障造成的損失及風(fēng)險(xiǎn)

此次振動(dòng)的故障造成了嚴(yán)重的后果，首先主機(jī)第1、4、5缸缸蓋冷卻水管相繼斷裂，造成船舶多次在海上漂航進(jìn)行修理。其次主機(jī)無(wú)法加到全速，長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行造成主機(jī)工況惡化，影響主機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性及使用壽命，同時(shí)給船東帶來(lái)了巨大的船期損失。同時(shí)因振動(dòng)造成角度編碼器松動(dòng)致使主機(jī)自動(dòng)停車(chē)，造成船舶失去動(dòng)力在海上漂航長(zhǎng)達(dá)6個(gè)多小時(shí)，給船舶及船上人員安全帶來(lái)了極大的安全隱患。萬(wàn)幸的是幾次漂航，海況均不錯(cuò)，同時(shí)還有船廠與柴油機(jī)廠人員隨航，否則后果不堪設(shè)想。

2.對(duì)故障的幾點(diǎn)反思

對(duì)此次故障，我們進(jìn)行了深刻的反思。從故障原因來(lái)看，此次故障絕非偶然。

對(duì)于B&WmE型共軌柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，角度編碼器是極其重要的。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將造成主機(jī)無(wú)法運(yùn)行，后果極為嚴(yán)重，下面從幾個(gè)方面談?wù)勔恍﹤€(gè)人的建議。

（1）改進(jìn)設(shè)計(jì)。

從設(shè)計(jì)上來(lái)看，存在一定的缺陷或設(shè)計(jì)不夠理想。首先角度編碼器軸是通過(guò)內(nèi)外螺紋連接在扭振減振器的進(jìn)油軸上，如圖7、圖8、圖9、圖10所示。沒(méi)有防松設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)振動(dòng)，角度編碼器軸將會(huì)松動(dòng)造成海上停車(chē)，存在極大的安全隱患。其次其對(duì)中度難以調(diào)整，同時(shí)影響對(duì)中度的因素過(guò)多，不夠簡(jiǎn)單可靠。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，角度編碼器軸的對(duì)中性，取決于扭振減振器進(jìn)油軸及軸套的對(duì)中性；扭振減振器軸套的對(duì)中性取決于外面的保護(hù)罩，而扭振減振器軸的對(duì)中性取決于蓋斯林格；蓋斯林格又要與曲軸自由端進(jìn)行對(duì)中。一旦中間任一環(huán)節(jié)對(duì)中不好，或加工精度不夠及在運(yùn)行中螺紋出現(xiàn)損傷，角度編碼器將會(huì)出現(xiàn)故障，而一旦出現(xiàn)故障，船上人員將無(wú)法自行解決故障。建議改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證角度編碼器軸要直接連接在曲軸自由端上，同時(shí)改內(nèi)外螺紋連接方式為其他更為可靠且便于調(diào)中的連接方式，以確保主機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。

圖7　角度編碼器與扭振減振器圖

圖8　扭振減振器進(jìn)油軸

圖9　角度編碼器

（2）提高加工質(zhì)量。

從本次故障原因來(lái)看，發(fā)生振動(dòng)的根本原因就是由于扭振減振器進(jìn)油軸加工精度不夠造成的，因此對(duì)于這種直接影響安全的關(guān)鍵部件，一定要提高加工精度，同時(shí)把好質(zhì)量關(guān)，對(duì)于不合格的產(chǎn)品嚴(yán)禁出廠。

（3）提高安裝人員工藝水平和工作責(zé)任心。

本次故障除了部件本身有問(wèn)題外，還與安裝人員的工藝水平不高及工作責(zé)任心不強(qiáng)有關(guān)。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，扭振減振器進(jìn)油軸的跳動(dòng)量及與軸套的對(duì)中度嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整可以大幅提高，說(shuō)明安裝時(shí)安裝人員工藝水平不夠，出現(xiàn)問(wèn)題沒(méi)有及時(shí)處理，而是抱著僥幸心理，說(shuō)明工作責(zé)任心不強(qiáng)。

圖10　扭振減振器軸

（4）加強(qiáng)船舶監(jiān)造。

據(jù)參加試航的人員說(shuō)，本船在試航時(shí)由于連續(xù)出現(xiàn)主機(jī)多缸缸頭墊片漏煙的問(wèn)題，且當(dāng)時(shí)海況不好，主機(jī)全速試航的時(shí)間嚴(yán)重不足，從而使本該在試航時(shí)就可能發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題沒(méi)有及時(shí)解決，在一定程度上也是造成此次故障的重要原因。因此，加強(qiáng)船舶監(jiān)造，嚴(yán)格按照相關(guān)文件與規(guī)范的要求對(duì)新船進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)新船存在的問(wèn)題，提高新船航行的安全性具有重要的意義。

五、總結(jié)

船舶振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。由于振動(dòng)難以精確計(jì)算，往往需要借助振動(dòng)模型及復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)，船上人員往往很少經(jīng)歷船舶振動(dòng)的故障，缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，因此常常感到比較棘手。希望通過(guò)此次故障的分析，能夠?qū)鉀Q類(lèi)似的振動(dòng)問(wèn)題起到一定的參考作用。

［1］李斌，王宏志，傅克陽(yáng)，等.主推進(jìn)動(dòng)力裝置［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2012:729.

［2］中國(guó)船級(jí)社.船上振動(dòng)控制指南2012［M］.北京:人民交通出版社，2014:16-29.

［3］張永根.船舶振動(dòng)原因及其減振方法［J］.江蘇船舶，2005（3）:25.