劉洪賀，洪 哲

(92538部隊(duì)裝備部，遼寧大連 116041)

0 前言

某破冰船裝備9ESDZ43/82B柴油機(jī)2臺(tái)，額定轉(zhuǎn)速200 r/min。中修后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在后甲板、機(jī)艙等區(qū)域出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象。在修理過(guò)程中，處理超出標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)比較棘手，涉及到船機(jī)槳諸方面因素。究其根源，與原始建造、歷次修理、平時(shí)管理等都有密切的關(guān)系。船舶主輔機(jī)、軸系及螺旋槳都有可能是引發(fā)船體振動(dòng)的策源地，爆發(fā)的時(shí)機(jī)、條件都各有其特點(diǎn)，而且振動(dòng)存在一定的潛伏期，會(huì)隨著時(shí)間的推移、工作條件、人工維護(hù)的不同而發(fā)生。

在船舶修理過(guò)程中分析判斷振動(dòng)加劇的原因，提出消除振動(dòng)加劇的方法，很有探討的必要性。現(xiàn)以某破冰船為例，將其振動(dòng)故障的發(fā)生原因、分析、解決故障過(guò)程綜述如下。

1 故障現(xiàn)象

某船主機(jī)在85 r/min、125 r/min時(shí)，船體無(wú)明顯振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)主機(jī)加速至165～175 r/min速時(shí)，船體后甲板振動(dòng)劇烈。機(jī)艙2臺(tái)主機(jī)缸頭附件振動(dòng)明顯，6臺(tái)增壓器抖動(dòng)明顯，其支架底座固定螺栓有震斷現(xiàn)象，排煙管振動(dòng)明顯，機(jī)艙3 m3氣瓶也發(fā)生明顯的振動(dòng)。但主機(jī)缸頭以下振動(dòng)不明顯，機(jī)體也無(wú)異常振動(dòng)。機(jī)艙內(nèi)軸系的感覺(jué)振動(dòng)不明顯，2個(gè)艉軸填料函工作正常。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至160 r/min或轉(zhuǎn)速上升至180 r/min后，振動(dòng)現(xiàn)象立即消失。另外，該船原共振轉(zhuǎn)速為165 r/min左右，振動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)大，振動(dòng)明顯加劇，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往共振水平。

從實(shí)際效果看，該船的振動(dòng)現(xiàn)象十分明顯且有害。振動(dòng)部位的結(jié)構(gòu)承受較大動(dòng)載荷交變應(yīng)力作用，在材料疲勞及應(yīng)力集中的情況下很容易損壞，增壓器托架固定螺栓的斷裂就是證明;其次，超標(biāo)的振動(dòng)極大地影響動(dòng)力設(shè)備相關(guān)檢測(cè)設(shè)備正常使用，如儀表等提前損壞;再就是振動(dòng)產(chǎn)生的附加力矩及共振所引發(fā)的抖動(dòng)、噪音，不僅導(dǎo)致該船戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)下降，而且對(duì)艦員也造成極大的傷害。

2 故障分析

如何處理船體的振動(dòng)問(wèn)題，船舶修理階段所側(cè)重的內(nèi)容與建造階段是有較大區(qū)別的。一條船從入役在航到退役，大致有二十余年的時(shí)間，如果它在服役的某個(gè)時(shí)期突然發(fā)生了明顯船體振動(dòng)，其原因發(fā)生在造船階段，發(fā)生在船舶管理中或在離它較近的修理中。

從船舶修理的角度分析，引起船體振動(dòng)有下列因素:①船體固有特性發(fā)生變化，如修理中有較多構(gòu)架的修換或因腐蝕、殘余應(yīng)力導(dǎo)致的船體強(qiáng)度下降或變形;②軸線的對(duì)中準(zhǔn)確性超差，如海損、擱淺等造成的船體變形對(duì)軸線的對(duì)中產(chǎn)生影響;③修理中軸系附近大量換板對(duì)軸線的對(duì)中產(chǎn)生影響，或者是軸線對(duì)中檢查有誤，或者軸系本身彎曲、軸承的狀態(tài)不好等;④螺旋槳出現(xiàn)纏繞物、損傷或修補(bǔ)誤差，導(dǎo)致偏心質(zhì)量的出現(xiàn);⑤主機(jī)各缸功率不平衡、主機(jī)修理?yè)Q件不符合要求等，這里也有動(dòng)力裝置管理的問(wèn)題;⑥相關(guān)動(dòng)力裝置零部件的損壞、松動(dòng)等影響。發(fā)現(xiàn)故障后，先判斷振動(dòng)的性質(zhì)，然后分析找出原因，最后給予合理的處置。但無(wú)論是在船舶的建造階段，還是在使用階段，對(duì)振動(dòng)的處理原則都是減少振動(dòng)幅度，降低響應(yīng)效果，力求避免共振。另外，從修理角度出發(fā)，引起船舶振動(dòng)的策源地都要結(jié)合修別和使用情況，給予正確的鑒定及修理。在修理過(guò)程中，關(guān)鍵把握修理的級(jí)別、工程的范圍，如果修理不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生或加重振動(dòng)現(xiàn)象。

大多數(shù)振動(dòng)問(wèn)題都與柴油機(jī)動(dòng)力裝置的振動(dòng)有關(guān)，分以下幾種:①機(jī)體振動(dòng);②軸系的彎曲振動(dòng)以及由此引起的艦尾或其它部位振動(dòng);③軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。為了更好地確定工程范圍，結(jié)合實(shí)際情況，做分析推理如下。

1)觀察機(jī)艙的振動(dòng)情形。

機(jī)艙2臺(tái)主機(jī)缸頭附件振動(dòng)明顯，但主機(jī)缸頭以下振動(dòng)不明顯，機(jī)體也無(wú)異常振動(dòng)。6臺(tái)增壓器抖動(dòng)明顯，其支架底座固定螺栓有震斷現(xiàn)象，排煙管振動(dòng)明顯。另外，機(jī)艙3 m3氣瓶也發(fā)生明顯的振動(dòng)。從現(xiàn)象看，主機(jī)2臺(tái)機(jī)體無(wú)明顯振動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，主機(jī)機(jī)體沒(méi)有發(fā)生共振或說(shuō)明主機(jī)工作很正常。檢查2臺(tái)主機(jī)各缸工作參數(shù)，爆壓、排溫都比較正常，說(shuō)明主機(jī)各缸噴油量比較均勻，各缸實(shí)際的側(cè)壓力基本一致，而機(jī)座的固定螺栓也無(wú)松動(dòng)，說(shuō)明柴油機(jī)的顛覆擺振應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2)2臺(tái)主機(jī)增壓器在主機(jī)165～175 r/min抖動(dòng)劇烈，特別它的進(jìn)排氣管。

增壓器支架底座固定螺栓振斷，說(shuō)明固定螺栓受到了不正常的外力作用。由于主機(jī)缸頭的振動(dòng)只是局限于附件的振動(dòng)，如各種卡子、管路等。所以，增壓器支架固定螺栓所受外加剪切力應(yīng)是增壓器施加的，應(yīng)與主機(jī)無(wú)太大關(guān)系。外排煙管的抖動(dòng)也應(yīng)與增壓器本身有關(guān)。至于機(jī)艙3 m3氣瓶也發(fā)生明顯的振動(dòng)，分析應(yīng)是一種共振所致，振動(dòng)源一時(shí)很難確定。

3)當(dāng)主機(jī)加速至165～175 r/min時(shí)，船體后甲板振動(dòng)劇烈。

由于主機(jī)、螺旋槳所產(chǎn)生的干擾力與船體的的質(zhì)量和剛度相比小得多，因此，在非共振時(shí)，主機(jī)、螺旋槳等干擾力引起的應(yīng)是振幅很小的總振動(dòng)，后甲板乃至該船其它的部位應(yīng)該沒(méi)有過(guò)于異常的振動(dòng)感覺(jué)。從該破冰船的管理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)時(shí)后甲板的振動(dòng)相比以前而言是比較大的，應(yīng)屬于一種較強(qiáng)烈的受迫振動(dòng)，并引發(fā)的局部共振。欄桿及屬具有規(guī)律的擺動(dòng)，則說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題?？紤]機(jī)艙內(nèi)軸系的振動(dòng)無(wú)明顯感覺(jué)，2個(gè)艉軸填料函也工作正常。再加上主機(jī)很穩(wěn)定，擾動(dòng)力矩極可能是螺旋槳引發(fā)的。

4)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

從柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速段來(lái)看，柴油機(jī)車頭相關(guān)傳動(dòng)齒輪沒(méi)有出現(xiàn)異常的沖擊或噪音，因此該破冰船動(dòng)力裝置不存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

由此，該船振動(dòng)故障按作用部位區(qū)域的大小來(lái)分，應(yīng)屬于局部振動(dòng)，如后甲板框架及增壓器、機(jī)艙個(gè)別裝置的振動(dòng)。按其振動(dòng)程度不同來(lái)分，可分為強(qiáng)迫振動(dòng)及共振，如增壓器固定座、增壓器進(jìn)排煙管等的振動(dòng)屬于一種強(qiáng)迫振動(dòng)，機(jī)艙氣瓶、后甲板及相關(guān)屬具等就屬于強(qiáng)迫振動(dòng)下引發(fā)的一種共振。按干擾力性質(zhì)來(lái)分，應(yīng)是一種周期性振動(dòng)?？紤]以前該破冰船是沒(méi)有振動(dòng)現(xiàn)象的，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)又是正常的，因此，查找振動(dòng)源的范圍可大大縮小。

綜合上述分析，經(jīng)檢查后確定修理方案如下:①進(jìn)塢檢查螺旋槳使用情況，檢查艉軸間隙;②檢查中間軸支點(diǎn)瓦情況;③將軸系中間軸兩端聯(lián)接法蘭螺栓松開，重新找中;④臺(tái)增壓器拆修，轉(zhuǎn)子軸做動(dòng)平衡。

檢查后發(fā)現(xiàn):①2個(gè)螺旋槳銹蝕嚴(yán)重，各有1個(gè)槳葉 (4葉槳)存在不同程度的銹穿現(xiàn)象，局部有不同程度的缺損。經(jīng)盤車檢查，艉軸間隙正常，均在修換標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。②打開左右中間軸支點(diǎn)瓦軸承。下軸承工作良好，摩擦面位置對(duì)中性良好，軸瓦接觸面積均正常。③水面狀態(tài)檢查左右軸系中間軸的對(duì)中狀態(tài)，將兩端法蘭螺栓松開，用一對(duì)卡子盤車檢查對(duì)中情況 (方法類似排軸法)，數(shù)據(jù)顯示正常。④對(duì)6臺(tái)增壓器分解、鑒定，對(duì)增壓器轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡試驗(yàn)。增壓器各部間隙均正常，其中轉(zhuǎn)子軸動(dòng)平衡試驗(yàn)，許用標(biāo)準(zhǔn)值為119 g·mm，而殘余不平衡量均低于其50%。

從檢查結(jié)果看，后甲板的振動(dòng)原因基本明確，可以做如下解釋。

作為螺旋槳最終的檢驗(yàn)，最好就是做動(dòng)平衡檢測(cè)。而在船舶修理中，限于船廠條件，無(wú)法對(duì)螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，只要求測(cè)量螺距及做靜平衡。

實(shí)際上，在螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，動(dòng)平衡是否達(dá)標(biāo)對(duì)正常運(yùn)行更為重要。當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)由于擱淺或碰擊水下異物造成的彎曲、缺損時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致螺旋槳?jiǎng)悠胶獬瑯?biāo)。而動(dòng)平衡超標(biāo)后，螺旋槳就會(huì)直接或間接地對(duì)軸承、船體形成較大的周期性沖擊，使船體產(chǎn)生振動(dòng)或共振。實(shí)際上，該船螺旋槳 (材質(zhì)為鑄鋼)使用情況更為糟糕。首先，槳葉存在較大的缺損、變形。產(chǎn)生的偏心質(zhì)量直接導(dǎo)致螺旋槳靜 (動(dòng))平衡超標(biāo)。其次，2個(gè)槳都有1個(gè)槳葉出現(xiàn)大面積的銹穿，其它槳葉有局部的銹穿和銹蝕坑，這是典型的螺旋槳空泡腐蝕，其大大地破壞了螺旋槳的水動(dòng)力特性。

從螺旋槳的原理來(lái)看，槳葉的作用可以看成是無(wú)數(shù)“葉片元”作用的總和，1個(gè)葉片元可以看成很短的翼，它在水下運(yùn)轉(zhuǎn)，相當(dāng)于翼片不動(dòng)而海水以一定的速度和夾角向翼片沖來(lái)，在迎水面與背水面形成了壓力差，經(jīng)疊加合成，形成對(duì)螺旋槳的推力。當(dāng)葉片由于空泡腐蝕銹穿后，不僅造成推力的損失，而且大大地改變、干擾了螺旋槳葉片的水流場(chǎng)的分布，使得伴流場(chǎng)紊亂。并且各個(gè)葉片的推力差已嚴(yán)重超標(biāo)，其合力的作用線偏移旋轉(zhuǎn)軸中心線，出現(xiàn)大小、方向都在變化的偏轉(zhuǎn)力矩，且在高轉(zhuǎn)速工況下達(dá)到最大。同時(shí)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中還會(huì)因?yàn)轸狠S彎曲變形產(chǎn)生偏移甩頭，越發(fā)造成螺旋槳伴流場(chǎng)的紊亂，而且對(duì)舵葉的伴流場(chǎng)也造成極大的干擾破壞。最終，這個(gè)偏轉(zhuǎn)力矩及螺旋槳靜(動(dòng))平衡超標(biāo)的存在，通過(guò)軸系的軸承及交變水動(dòng)力周期性地作用到船體上，產(chǎn)生了交變縱向、橫向推力和力矩，再加上空泡的振動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致該破冰船船體的顯著振動(dòng) (如果此時(shí)打舵角，振動(dòng)會(huì)更大)。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，相當(dāng)于存在周期性的外加擾動(dòng)力。后甲板的振動(dòng)、后甲板欄桿及屬具有規(guī)律的擺動(dòng)、機(jī)艙氣瓶等物體有規(guī)律晃動(dòng)等，就是因?yàn)樵谥鳈C(jī)加到某個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，周期性外加擾動(dòng)力頻率與它們的固有頻率相同或相近，出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，外觀可以明顯看到振動(dòng)的位移。可以斷定，由于螺旋槳的問(wèn)題，加劇了該破冰船原共振效果，而且擴(kuò)大了共振轉(zhuǎn)速范圍。

增壓器的檢查，特別易引發(fā)增壓器產(chǎn)生振動(dòng)的轉(zhuǎn)子軸殘余不平衡量都在許可值范圍內(nèi)，表明對(duì)增壓器及附屬煙管的振動(dòng)原因判斷有誤，振動(dòng)源并不是增壓器本身。那么增壓器振動(dòng)是否也是螺旋槳引發(fā)的共振現(xiàn)象呢，分析認(rèn)為這種可能性極小，因?yàn)檫@不符合柴油機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)。另外在船體振動(dòng)最嚴(yán)重的時(shí)候，2臺(tái)主機(jī)機(jī)體并不振動(dòng)，而主機(jī)的工況參數(shù)始終是正常的，對(duì)增壓器的拆檢也未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)此，特別檢查了排煙總管的各固定支架，又檢查了至廢氣鍋爐的二路門開啟情況及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)果都未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。經(jīng)研究，決定回裝增壓器，但在聯(lián)接增壓器出口排煙管時(shí)，檢查員偶然發(fā)現(xiàn)工人用葫蘆拉動(dòng)排煙總管與增壓器出口進(jìn)行裝配時(shí)，兩者法蘭大致錯(cuò)開3 cm左右，排查其原因，應(yīng)歸結(jié)到上次中修對(duì)相關(guān)部件回裝位置的偏差所致。

我們知道，現(xiàn)代船舶管系的聯(lián)接大多常用柔性聯(lián)接，主要目的就是消除安裝應(yīng)力，特別與動(dòng)力裝置的聯(lián)接更為重要。柴油機(jī)的排氣波脈動(dòng)經(jīng)常會(huì)引起排氣管及毗鄰結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，如果排煙管為了裝配到位被強(qiáng)行施加外力，就等于被施加了預(yù)應(yīng)力，煙管由于變形，相當(dāng)約束的邊界條件發(fā)生了變化，其固有頻率會(huì)發(fā)生緩慢的偏移。另外，其煙道的流線型也發(fā)生了變化，對(duì)廢氣流產(chǎn)生附加阻力，廢氣流在流動(dòng)中因產(chǎn)生的附加阻力而對(duì)排煙管形成脈動(dòng)沖擊 (該型機(jī)增壓器采用脈沖增壓)，其轉(zhuǎn)速越高，脈沖頻率就越大。

可見，當(dāng)排氣波脈動(dòng)頻率與排煙管固有頻率(已發(fā)生變化)相近或相同時(shí)，排煙管發(fā)生共振。受排煙管共振牽聯(lián)影響，增壓器及廢氣進(jìn)氣管，一并發(fā)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)，主機(jī)缸頭附件也會(huì)因此發(fā)生明顯振動(dòng)。由于增壓器具有較大重量，其支架底座固定螺栓長(zhǎng)時(shí)間受到交變剪切應(yīng)力的作用后最終斷裂。

3 確定修理方案

1)螺旋槳的處理。該破冰船船體振動(dòng)的原因在于螺旋槳的損壞，而螺旋槳的損壞則直接歸結(jié)于螺旋槳的空泡腐蝕或與其有較大的關(guān)系。由于原螺旋槳已無(wú)法修復(fù)，我們將螺旋槳換新并對(duì)新槳進(jìn)行預(yù)處理，即在螺旋槳的迎水面涂抹玻璃鋼，以防止空泡腐蝕對(duì)槳葉的破壞。其玻璃鋼的配制、槳葉的清潔、光潔度處理及玻璃鋼的涂抹都嚴(yán)格按照相關(guān)工藝執(zhí)行。

2)增壓器排煙總管的處理。將故障煙管結(jié)構(gòu)全部進(jìn)行了修正，消除了安裝應(yīng)力，重新研配聯(lián)接法蘭，各固定支架全部換新并保證排煙管的牢固性。

3)2臺(tái)主機(jī)的局部調(diào)整。復(fù)核主機(jī)拐擋差，校準(zhǔn)全部噴油器，各排溫表進(jìn)行校準(zhǔn)等等。

4 修后試驗(yàn)及啟示

綜合上述情況，編制了該破冰船試車大綱。按試車大綱進(jìn)行了系泊試驗(yàn)及航行試驗(yàn)，2臺(tái)主機(jī)順利地加至190 r/min，各性能參數(shù)正常。在共振轉(zhuǎn)速段，以往劇烈的共振現(xiàn)象也消失了，在其它常用轉(zhuǎn)速段，柴油機(jī)動(dòng)力裝置工作也很正常，船體也未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。至此，該破冰船船體振動(dòng)故障得到較圓滿的解決。

可見，能夠引發(fā)船體振動(dòng)的原因很多也較復(fù)雜，涉及到船機(jī)槳等諸方面因素。1條船舶服役后，各種級(jí)別的維修就不斷地發(fā)生。柴油機(jī)動(dòng)力裝置的維修雖已經(jīng)作為一門科學(xué)逐步得到全面的完善與提升，但落實(shí)到具體的維修內(nèi)容上，會(huì)出現(xiàn)隨意性和盲目性，振動(dòng)的出現(xiàn)大多是帶有潛移默化的特點(diǎn)，上述提到的船體振動(dòng)故障，也不是中修出廠后就立即爆發(fā)的。即使排煙管安裝位置的偏差導(dǎo)致強(qiáng)行裝配，振動(dòng)現(xiàn)象也不會(huì)立即出現(xiàn)，而是隨著時(shí)間的推移，安裝條件改變的影響才逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。螺旋槳的問(wèn)題也是同樣的道理。

因此，對(duì)于廣大的船舶維修人員來(lái)說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)很重要，但經(jīng)驗(yàn)的分析、升華就更為重要;要做到具體問(wèn)題具體分析、對(duì)癥下藥，排除故障又快又準(zhǔn)，就非得認(rèn)認(rèn)真真狠下一番苦功不可。