分享：某船局部地面甲板異常振動原因

船舶在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的振動噪聲，損害了船員的身體健康，同時長期高強(qiáng)度的噪聲也容易造成船舶結(jié)構(gòu)的疲勞，導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此控制船舶振動噪聲具有重要意義。船舶振動噪聲的主要來源有主機(jī)、主推進(jìn)器和海浪等，其中動力結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)及其螺旋槳是重點(diǎn)振動噪聲源。周清華等[1]采用有限元法對某型散貨船的船體總振動和上層建筑振動在主機(jī)激勵下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究了主機(jī)激振力的加載方法及主機(jī)機(jī)架的振動，并且指出了減振支撐和平衡補(bǔ)償器在散貨船結(jié)構(gòu)中的減振作用等。田麗等[2]利用計算流體力學(xué)技術(shù)深入分析了船體艉部出現(xiàn)劇烈振動的原因，通過在艉部加裝上下整流鰭，改善了船艉半生流場，成功解決了艉部劇烈振動的問題。由螺旋槳帶來的激振力包括機(jī)械不平衡引起的干擾力、流場不均勻引起的葉頻干擾力和表面力等作用力，其特性決定船舶結(jié)構(gòu)的振動幅度。此外，螺旋槳附著生物發(fā)展到一定程度時也會帶來較大的振動[3-7]，振動經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳遞至其他部位，可引起振動噪聲問題。

某型船在運(yùn)行過程中，據(jù)船員反饋局部地面甲板出現(xiàn)異常振動，嚴(yán)重影響船員生活的安全性和舒適性。

該型船舶為雙機(jī)雙槳推進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、中間軸、中間支點(diǎn)軸承、尾軸及可調(diào)螺距螺旋槳等組成，柴油機(jī)為中速四沖程柴油機(jī)，齒輪箱減速比為2.9，有4個可調(diào)螺距螺旋槳葉片。可調(diào)距螺旋槳工作原理為：槳轂中的操縱機(jī)構(gòu)使槳葉相對于槳轂轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)螺距，改變槳葉與水流的相對運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致水流對槳葉沖擊不均勻，形成脈動壓力?？烧{(diào)距螺旋槳是船舶系統(tǒng)主要的振源之一。振動異常區(qū)域位于船舶艉端至1/8水線長的艉部區(qū)，正下方依次為冷水機(jī)組艙和艉軸艙，冷水機(jī)組艙列裝有2臺冷水機(jī)組和若干泵浦，艉軸艙列裝有2根中間軸和2個中間支點(diǎn)軸承。針對船體局部結(jié)構(gòu)振動，船體振動評價基準(zhǔn)規(guī)定了船舶安全性和適居性的兩種評價方法[8]。

筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對局部地面甲板異常振動問題進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   安全性評價

根據(jù)評價區(qū)域不同，安全性評價分為艏艉區(qū)評價和船中部區(qū)評價，其中艏端至1/10水線長為艏部區(qū)，艉端至1/8水線長為艉部區(qū)，不同區(qū)域分別設(shè)置了上限線值和下限線值。根據(jù)上限線值和下限線值的不同，將船體振動評價區(qū)劃分成3個評價區(qū)，下限線值以下為良好區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結(jié)構(gòu)振動良好；上限線值以上為建議改進(jìn)區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結(jié)構(gòu)振動超過了規(guī)定安全閾值，長時間運(yùn)行會對船體結(jié)構(gòu)或者設(shè)備造成一定的損害；下限線值和上限線值之間為可接受區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結(jié)構(gòu)振動是可以接受的，該船可以安全運(yùn)行。

對地板垂向振動進(jìn)行測試，測點(diǎn)為餐廳立柱0.5 m處局部振動較敏感的地板，采用單向壓電式加速度傳感器，將磁鐵吸附固定在地板水平面上。測試設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集儀采樣率為0.5 Hz~200 kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為24位，頻率誤差小于0.005%，幅值誤差小于0.5%，滿足測量信號的精確度。

整改前后測試期間船舶保持自由直線航行，推進(jìn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，操作舵角變化不超過-2°~2°。振動測試系統(tǒng)如圖1所示。采用膠帶固定傳感器信號線，以避免引線晃動和沖擊造成測試數(shù)據(jù)的漂移和劇烈波動，采樣頻率為1 024 Hz。

圖  1  振動測試系統(tǒng)示意

將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將加速度和速度頻譜匯總，結(jié)果如圖2所示，其中1~3.33 Hz為加速度頻譜，3.33~100 Hz為速度頻譜。由圖2可知：在1.4 Hz處加速度分量最大，加速度單峰值為10.0 mm/s2，根據(jù)安全性評價基準(zhǔn)規(guī)定，如果加速度處于下限線值以下，加速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評價要求；在63.1 Hz處速度分量最大，速度單峰值為4.0 mm/s，根據(jù)安全性評價基準(zhǔn)規(guī)定，速度處于下限線值處時，速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評價要求。

圖  2  加速度和速度頻譜

1.2   適居性評價

適居性評價采用1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權(quán)加速度（速度）均方根作為評價指標(biāo)，根據(jù)評價區(qū)域等級的不同分為住艙和工作艙，其中A區(qū)域等級為居住艙，是保證船員休息、學(xué)習(xí)和工作的處所，如住艙、閱覽室、餐廳、會議室等；B區(qū)域等級為工作艙，是人員停留或工作時間較短的處所，如廚房、洗衣房、通道等，不同區(qū)域等級的振動限值如表1所示。筆者采用的測點(diǎn)區(qū)域?yàn)锳區(qū)域。

采用Matlab軟件計算1~80 Hz頻帶內(nèi)振動加速度（速度）級信號1/3倍頻程譜線，結(jié)果如表2所示，并按照式（1）進(jìn)行總振級計算。

式中：L為1~80 Hz經(jīng)計權(quán)后的總振級；n為頻帶點(diǎn)數(shù)，n=20；Li為第i頻帶點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)測振級，i=1,2,3,…；Ai為與Li第i頻帶點(diǎn)對應(yīng)頻率的加速度加權(quán)值和速度加權(quán)值，其數(shù)值如表3所示。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權(quán)加速度均方根的計算方式如式（2）所示。

式中：La為式（1）計算的加速度總振級；a為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計權(quán)加速度均方根；a0為EN ISO 1683—2008 《聲學(xué)和振動等級用基準(zhǔn)參考值》中規(guī)定的加速度基準(zhǔn)值，a0=10-6 m/s2。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權(quán)速度均方根的計算方式如式（3）所示。

式中：Lv為式（1）計算的速度總振級；v為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計權(quán)速度均方根；v0為標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 1683—2008中規(guī)定的加速度基準(zhǔn)值，v0=10-9 m/s。

由式（2）計算得到的全頻率計權(quán)加速度均方根為154.98 mm/s2，由式（3）計算得到的全頻率計權(quán)速度均方根為4.33 mm/s。測試結(jié)果均處于輕微振動上限值與嚴(yán)重振動下限值之間，船體振動情況是可接受的。

1.3   頻譜分析

地板局部垂向振動速度頻譜如圖3所示。由圖3可知：最大的峰值頻率分別為10.9 Hz和63.1 Hz，這與舒適性評價出現(xiàn)明顯波峰頻率較吻合。

圖  3  地板局部垂向振動速度頻譜

由船舶結(jié)構(gòu)和使用工況可知，10.9 Hz頻率與螺旋槳葉頻激振頻率相吻合，63.1 Hz頻率與柴油機(jī)整機(jī)發(fā)火頻率相吻合。螺旋槳葉頻激振頻率和柴油機(jī)整機(jī)發(fā)火頻率為地板的主要振源，柴油機(jī)或螺旋槳產(chǎn)生的激振力傳到船體，再由船體傳給餐廳地板，建議重點(diǎn)排查螺旋槳槳葉。

2.   結(jié)構(gòu)排查

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，重點(diǎn)排查了螺旋槳，并對柴油機(jī)中的部分缸頭活塞進(jìn)行了換新。結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳葉和艉軸上存在藤壺、牡蠣等大量海洋附著生物，并沒有發(fā)現(xiàn)其他異常。隨后對海洋附著生物進(jìn)行鏟除。經(jīng)過上述治理，對船出船塢后再次進(jìn)行了振動信號采集，測試前后工況一致，改進(jìn)后的振動加速度級和振動速度級1/3倍頻程譜線數(shù)值如表4所示。

測試可得加速度和速度均方根分別為144.68 mm/s2和3.99 mm/s，結(jié)果均處于輕微振動上限值與嚴(yán)重振動下限值之間，振動情況在可接受范圍內(nèi)。由表4可知：在中心頻率10 Hz處，振動加速度級由原來的94.50 dB降低到78.62 dB，振動速度級由原來的123.45 dB降低到110.92 dB；在中心頻率63 Hz處，振動加速度級由原來的102.08 dB升高到102.96 dB，振動速度級由原來的131.02 dB升高到131.09 dB，海洋附著生物鏟除后中心頻率10 Hz附近振動加速度級和振動速度級明顯得到改善。

3.   結(jié)論

對地面甲板異常振動區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地面甲板異常振動與螺旋槳激振力增大有關(guān)。螺旋槳激振力增大的主要原因是海洋附著生物富集，導(dǎo)致螺旋槳表面粗糙度增大，改變了螺旋槳原有伴生流場，繼而造成激振力增大。將海洋生物鏟除后，餐廳地面甲板異常振動問題得到了明顯改善。

文章來源——材料與測試網(wǎng)