于得水,張志亮,蔡曉濤,王燁,黃志武

(1.國信中船(青島)海洋科技有限公司,山東 青島 266200;2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室,上海 201108;3.中國船舶集團有限公司第七一一研究所,上海 201108)

主機和軸系的振動、螺旋槳空泡的激振、船體總體的共振、零部件和局部板架的共振及艉部斜流造成螺旋槳脈動壓力的激振[1]都會引起船體振動。針對船舶艉部結(jié)構(gòu)的振動問題，已有大量的研究，尤其在船舶設計階段，對艉部結(jié)構(gòu)振動進行理論計算[2-3]和數(shù)值仿真[4]。有學者針對船舶艉部激勵耦合振動問題，系統(tǒng)研究了船舶螺旋槳激勵力特性，得出船舶艉部激勵與槳-軸-船體耦合系統(tǒng)振動噪聲的映射關系，提出針對低頻振動噪聲的控制方法。在實船已經(jīng)建成，船體結(jié)構(gòu)難以修改的情況下，通過結(jié)構(gòu)加強[5]、阻尼敷設[6]、阻振質(zhì)量[7]、動力吸振器[8]、隔振處理[9]，以及消除振動短路[10]等措施進行振動控制。其中，振動短路為柴油機等主動力設備采用彈性連接時，應盡量避免任何鋼結(jié)構(gòu)的直接接觸，但在實際建造中經(jīng)常發(fā)生電纜、管路和其他連接物品間的短接。而且，在高速船的現(xiàn)有規(guī)范設計中，很難對船體艉部振動做出精確預報，尤其是對高速船艉部結(jié)構(gòu)振動控制的實船研究還很缺乏。為此，針對某高速客船艉部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的振動問題，提出在艉部區(qū)域采取局部結(jié)構(gòu)加強、敷設阻尼減振材料、布置阻振質(zhì)量，以及消除振動短路等方法進行振動控制。

1 船舶基本參數(shù)與振動現(xiàn)象描述

該高速客船航區(qū)為內(nèi)河B級，全船振動參照ISO 6954—2000《機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價準則》的推薦值進行控制，見表1。考核的指標為振動速度值，采用1～80 Hz范圍內(nèi)速度的計權(quán)均方根值。

表1 ISO6954—2000 標準

全船總長45 m、型寬8 m、型深3 m，設計吃水1.8 m，排水量240 t。由2臺柴油機提供全船的動力供應，通過減速齒輪箱(減速比為3.52∶1)帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，提供全船的推進力。螺旋槳為5葉槳，采用定螺距變轉(zhuǎn)速運行模式，最大航速23 kn，對應柴油機最大轉(zhuǎn)速為2 450 r/min，螺旋槳最大轉(zhuǎn)速為696.2 r/min。艉部舵槳裝置見圖1。

圖1 某高速客船艉部舵槳裝置示意

試航中發(fā)現(xiàn)，在柴油機轉(zhuǎn)速大于2 100 r/min時，主甲板艉部結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)較大振動，雖然設備結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)損壞，但船員站在艉部甲板感到嚴重不適，其中舵機艙的強烈振動使人難以站立。在23 kn全速航行工況下，測試得到主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動速度超過20 mm/s(1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計權(quán)均方根值)，最大響應峰值為13.83 mm/s，遠大于標準的限值要求。

2 振動測試及分析

為明確引起振動的激勵源，進行振動信號采集，使用單向加速度計(丹麥B&K，4513-B-001)，信號采集分析系統(tǒng)(丹麥B&K，3050-A-060)，安裝有PULSE軟件的測試電腦等組成。其中，將振動傳感器分別布置在機艙、舵機艙以及主甲板艉部(編號①～⑧，詳見圖2)。測點位置說明：①右舷柴油機基座；②左舷柴油機基座；③右舷齒輪箱基座；④左舷齒輪箱基座；⑤右舷舵槳座；⑥左舷舵槳座；⑦右舷主甲板艉部；⑧左舷主甲板艉部。

圖2 測點布置示意

測點布置位置盡量設在局部剛度較大處，以避免結(jié)構(gòu)局部振動對測試結(jié)果造成影響。在全速航行工況下，測量結(jié)果見表2。各點垂向振動速度線譜見圖3～4，頻率帶寬為1 Hz。

表2 某高速客船結(jié)構(gòu)振動測試結(jié)果

圖3 機艙振動速度線譜

圖4 舵機艙振動速度線譜

分析測試數(shù)據(jù)，主甲板艉部結(jié)構(gòu)和舵機座均出現(xiàn)58 Hz及其二倍頻116 Hz的峰值，并且最大響應峰值對應螺旋槳的葉頻，振動響應的次峰值由螺旋槳二倍葉頻激勵引起，其次是柴油機的基頻和螺旋槳的轉(zhuǎn)頻。說明柴油機作為激勵源對主甲板艉部振動有一定的能量貢獻，結(jié)合現(xiàn)場勘驗情況，主要是由于柴油機排煙管(尾部排放形式)及附屬管系與主甲板剛性連接導致，造成振動短路，因此柴油機排氣引起的管系振動進一步傳遞到主甲板艉部。但是主甲板艉部最大響應峰值為螺旋槳葉頻激勵，振動速度峰值為13.83 mm/s，遠大于柴油機基頻激勵的振動峰值?？梢耘卸ú裼蜋C的激勵對主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動有能量貢獻，但不是決定性的。

振動測試后，水下檢查表明，螺旋槳及軸系狀態(tài)良好，無損傷。

當螺旋槳在船的尾流中工作，由于船體線型及附體并非完全中心對稱，所以船的尾流速度具有明顯的周向不均勻性。在每片槳葉的回轉(zhuǎn)周期中，與其接觸的流體的相對速度就有周期性的變化，從而空泡的激烈程度也發(fā)生相應的周期變化。另外，由于槳葉的轉(zhuǎn)動，在螺旋槳附近區(qū)域的海水中形成葉片頻率的流體力的脈動壓力場，在脈動壓力的作用下，存在于該區(qū)域的大量氣泡隨著外界壓力的周期性變化而作受迫的體積脈動。其中，本船振動測試得出的特征頻譜主要是螺旋槳的葉頻激勵和倍葉頻。因此在排除主機振動、軸承扭振、結(jié)構(gòu)板架共振、螺旋槳損傷等諸多因素后，根據(jù)振動出現(xiàn)的部位、形式以及實船振動測試結(jié)果分析得出，引起該高速客船艉部結(jié)構(gòu)振動最主要激勵源是螺旋槳空泡的激振，當柴油機轉(zhuǎn)速達到2 100 r/min時，螺旋槳已經(jīng)發(fā)生空泡。

3 減振措施的選用

在確切地分析出艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈振動的原因后，采取何種減振措施成為解決問題的關鍵。由于該船已經(jīng)建造完工，優(yōu)化船底流場情況、改造艉部分段，修改螺旋槳設計(葉數(shù)、直徑、轉(zhuǎn)速等)都難以實施，因此在有限的條件下，當螺旋槳產(chǎn)生空泡后，對艉部結(jié)構(gòu)振動控制的重點是控制振動的傳遞。

具體的振動控制措施如下。

1)在主甲板艉部增加加強筋以及在舵機艙內(nèi)增加立柱進行結(jié)構(gòu)加強，增強艉部甲板的強度，以增強抗振能力，降低振動響應幅值。

2)在舵機艙敷設QY-DP1型阻尼減振材料，耗散振動能量，在舵機艙底板螺旋槳上方區(qū)域敷設厚度為16 mm，其余區(qū)域敷設厚度為10 mm，舵機艙天花甲板敷設厚度為8 mm。阻尼材料為多功能水性涂料，能夠在較寬的溫域范圍內(nèi)具有較高的復合損耗因子，可有效地將結(jié)構(gòu)振動能量或聲能耗散，而且附著力強。

3)在舵機艙激振區(qū)底板布置阻振質(zhì)量。剛性阻振質(zhì)量是沿著聲振動傳播途徑配置在板結(jié)合處的1個矩形、正方形或圓形截面的大而重的條體，當激勵引起的板平面彎曲波以某一角度入射剛性阻振質(zhì)量，由于阻振質(zhì)量相對板而言具有大的阻抗，從而反射一部分抵達阻振質(zhì)量的彎曲波，達到隔振聲振動的目的。底板左右舷各布置1個阻振質(zhì)量，單個阻振質(zhì)量塊為1 200 kg，控制振動傳遞。

4)消除排煙管系與艉部甲板的振動短路，優(yōu)化柴油機排煙管安裝方式，采用彈性支吊架連接在船體強結(jié)構(gòu)處，排煙管附屬的冷卻水管系采用金屬軟管與排煙管進行連接，并與主甲板的連接采用橡膠管夾。

4 實船振動測試驗證及結(jié)果分析

改造完成后，為了確定減振措施的有效性，采用振動測量的試驗方法對艉部結(jié)構(gòu)的振動控制效果進行實船驗證，在全速工況選取相同測點進行振動測試。柴油機轉(zhuǎn)速由2 100 r/min至全速時，原船體出現(xiàn)的艉部結(jié)構(gòu)激振現(xiàn)象已基本消除。圖5～圖6給出各測點的測試結(jié)果，表3給出振動控制措施前后1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計權(quán)均方根值。

表3 振動控制前/后振動速度(1-80 Hz)

圖5 機艙振動速度線譜

圖6 舵機艙振動速度線譜

根據(jù)測試結(jié)果，當航速達到全速時，螺旋槳的葉頻激勵引起的艉部結(jié)構(gòu)振動最大響應峰值由振動控制前的13.83 mm/s降低至3.79 mm/s；并且在多種減振措施聯(lián)合作用下，機艙柴油機基座和齒輪箱基座的振動速度進一步降低，而且主甲板艉部結(jié)構(gòu)振動速度降低11 mm/s以上，各測點振動速度均小于8 mm/s(1～80 Hz頻段內(nèi)速度的計權(quán)均方根值)，滿足標準的限值要求。說明艉部結(jié)構(gòu)采取減振措施后，船體艉部結(jié)構(gòu)振動基本消除，由螺旋槳葉頻及倍葉頻激勵引起響應峰值得到抑制，振動問題得到有效解決。

5 結(jié)論

1)采取增強局部結(jié)構(gòu)剛度、敷設阻尼減振材料、布置阻振質(zhì)量以及消除振動短路的方式，可以有效控制高速船舶螺旋槳空泡的振動傳遞。這種措施在船舶已經(jīng)建造完工，船體結(jié)構(gòu)難以修改的情況下是一種較簡便、可靠的方法。

2)就高速船而言，有必要在設計階段進行螺旋槳模型空泡脈動壓力試驗，對可能存在的風險盡早采取措施，以避免螺旋槳空泡而引起的振動，并且在設計、建造過程中貫徹低噪聲施工工藝，避免振動短路。