梁春雨，張新玉

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

某船在交付使用初期，主機(jī)燃油供給管路在使用中頻繁出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，造成該管路多次出現(xiàn)管壁磨穿、馬腳振斷或振裂等安全事故隱患。該管路承擔(dān)著全船主動(dòng)力系統(tǒng)燃油供給任務(wù)，一旦在航行中出現(xiàn)管路嚴(yán)重破損、燃油泄漏，將直接導(dǎo)致船舶動(dòng)力系統(tǒng)短期內(nèi)失去工作能力，甚至引發(fā)機(jī)艙火災(zāi)、爆炸等重大事故，該管系強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題隱患直接危及船舶安全。

1 現(xiàn)場(chǎng)勘察分析振動(dòng)成因

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)故障勘察，初步分析故障原因［1］可能有2種。

1)周圍動(dòng)力設(shè)備自振傳遞至管路系統(tǒng)中。主機(jī)振動(dòng)通過(guò)船體結(jié)構(gòu)、管路支撐傳遞至所研究管路系統(tǒng)中。而該船在建造過(guò)程中管路馬腳固定相對(duì)簡(jiǎn)單，極易出現(xiàn)軸向約束失效，進(jìn)而導(dǎo)致管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體固有振動(dòng)頻率進(jìn)入較低區(qū)間，如果與主機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)頻率較為接近，則極易誘發(fā)管路強(qiáng)烈共振。不同約束方式下管系的固有頻率有較大的差異，因此在該管系振動(dòng)綜合治理過(guò)程中可以通過(guò)改變管路的支撐約束方式、走向、尺寸等因素［2］來(lái)改變管路的固有振動(dòng)屬性 (固有頻率和振型)，以避免管路共振的發(fā)生。

2)管路系統(tǒng)中缺少壓力緩沖裝置。由于該船燃油供給管路系統(tǒng)中缺少能夠有效降低燃油壓力脈動(dòng)能量的緩壓裝置，導(dǎo)致燃油在管路中脈動(dòng)強(qiáng)度較大，在管路彎頭、變截面管段等處形成強(qiáng)烈的脈動(dòng)激振力，同樣易導(dǎo)致管路約束軸向失效，極易誘發(fā)管路出現(xiàn)強(qiáng)烈共振，導(dǎo)致管路損傷。

為此，針對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象相繼開(kāi)展了實(shí)船振動(dòng)測(cè)試、管路系統(tǒng)仿真計(jì)算、實(shí)船管系改造及振動(dòng)檢驗(yàn)測(cè)試等相關(guān)工作。

2 振動(dòng)綜合治理可行性分析

2.1 實(shí)船振動(dòng)測(cè)試

為了獲得供油管路系統(tǒng)和回油管路系統(tǒng)的振動(dòng)情況，選取該船左主機(jī)為測(cè)試對(duì)象，在供油管路系統(tǒng)和回油管路系統(tǒng)外管壁表面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于左主機(jī)和舷邊中間處、靠近左主機(jī)處，并在被測(cè)管路系統(tǒng)附近設(shè)備表面布置相關(guān)測(cè)點(diǎn)，以此綜合分析，具體測(cè)點(diǎn)的位置情況如表1所示，布置圖如圖1。

表1 測(cè)點(diǎn)的位置情況

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

通過(guò)分析測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，左主機(jī)艏部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)符合ISO6954規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、管路上振動(dòng)能量主要集中在34.4 Hz和90.6 Hz的頻段上，說(shuō)明管路的振動(dòng)與機(jī)體振動(dòng)基本無(wú)關(guān)。

而對(duì)于8缸4沖程柴油機(jī)，對(duì)于額定轉(zhuǎn)速515 r/min的脈沖基頻可計(jì)算為34.4 Hz，通過(guò)壓力傳感器測(cè)得該管路內(nèi)部脈動(dòng)壓力如表2所示，頻率集中在 21.875 Hz、34.375 Hz、69.375 Hz、90.625 Hz、103.75 Hz，與管路產(chǎn)生的 34.4 Hz、90.6 Hz振動(dòng)比對(duì)，可知，燃油的壓力脈動(dòng)激勵(lì)起管路結(jié)構(gòu)形成共振，所以降低管路振動(dòng)必須解決燃油脈動(dòng)壓力對(duì)管路結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈激勵(lì)。

表2 供油管脈動(dòng)壓力信號(hào)頻率分析結(jié)果

綜上所述，該管路系統(tǒng)的振動(dòng)綜合治理應(yīng)該從提高管路系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率和衰減燃油的脈動(dòng)壓力強(qiáng)度2個(gè)方向入手。

2.2 擬定改造方案及仿真計(jì)算

從改變管路系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率考慮，在馬腳改型上選擇軸向約束強(qiáng)度較大的“門”型雙抱HALF馬腳;并選擇將管系外徑由原有的42mm加粗至60mm，保持管壁厚度4mm不變，增加燃油通流橫截面積，同時(shí)降低脈動(dòng)壓力強(qiáng)度。從衰減燃油的脈動(dòng)壓力強(qiáng)度考慮，降低燃油駁運(yùn)壓力、在該管路系統(tǒng)中加裝壓力緩沖裝置。

為驗(yàn)證前2種改造方案的可行性，本文采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算技術(shù)，利用ANSYS Workbench大型有限元計(jì)算軟件，對(duì)改造后管路固有頻率變化進(jìn)行了仿真計(jì)算［3－4］，4種情況下管系固有振動(dòng)頻率如表3所示。

表3 約束馬腳更改前后固有振動(dòng)頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

在衰減管內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度方面，研究中主要采取了以下措施［5］:①增大燃油通流面積;②降低燃油駁運(yùn)壓力;③加裝管路壓力緩沖器。本文采用了Flowmaster V7一維管網(wǎng)流體計(jì)算軟件，對(duì)上述措施進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)改造效果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證［6］，并對(duì)加裝緩沖器時(shí)其內(nèi)部預(yù)充氣壓力的選擇進(jìn)行了多種條件下仿真計(jì)算，獲得了最佳參數(shù)值，將管路內(nèi)管路壓力脈動(dòng)強(qiáng)度降低至最低效果。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

分析計(jì)算結(jié)果我們獲得以下結(jié)論。

1)原有管路馬腳出現(xiàn)軸向失效后，管路固有振動(dòng)頻率明顯進(jìn)入較低區(qū)間;通過(guò)2種約束條件下各階管系振型圖對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)軸向約束減弱或失效后，管系軸向位移明顯增大;在實(shí)施馬腳改型后，在管路軸向約束增強(qiáng)的同時(shí)，管路整體固有振動(dòng)頻率明顯提升。

2)管路外徑加粗后，管路整體固有振動(dòng)頻率明顯提升，而且管內(nèi)燃油通流面積增大至2.34倍;因此，可以證明2種改造方案具有很好的可行性。

3)增大管系燃油通流面積、降低燃油駁運(yùn)壓力、管路加裝燃油緩沖器后，管路內(nèi)部燃油壓力脈動(dòng)強(qiáng)度明顯下降;預(yù)充氣壓力選擇對(duì)于緩沖器作用影響較大，不同的預(yù)充氣壓力值對(duì)應(yīng)的衰減效果差異較大，在上述計(jì)算中0.2MPa為最佳值。

3 改造后振動(dòng)測(cè)試檢驗(yàn)

完成對(duì)該船主機(jī)燃油供給管系振動(dòng)問(wèn)題綜合治理工程改造后，對(duì)該管路系統(tǒng)振動(dòng)情況、管內(nèi)燃油壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)試。改造前后振動(dòng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表4所示，管內(nèi)脈動(dòng)壓力信號(hào)頻率分析結(jié)果如表5所示。

表5 改造前后管內(nèi)脈動(dòng)壓力信號(hào)頻率分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

1)加裝蓄能器后的主機(jī)供油管路和回油管路的振動(dòng)總值比加裝前的振動(dòng)總值明顯大幅度的下降，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值比加裝蓄能器前均下降了60% ～94%。

2)鑒于造成管路產(chǎn)生振動(dòng)的根源在于脈動(dòng)壓力引起，經(jīng)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析后可以得到，管內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，且造成該管系強(qiáng)烈振動(dòng)的34.4 Hz和90.6 Hz脈動(dòng)頻率分量明顯得到了遏制，可使管內(nèi)壓力脈動(dòng)頻率避開(kāi)管系固有振動(dòng)頻率。

3)ANSYS Workbench大型有限元計(jì)算軟件和Flowmaster V7一維管網(wǎng)流體計(jì)算軟件在管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算、流體仿真計(jì)算中作用較為明顯，為今后進(jìn)一步開(kāi)展管路系統(tǒng)問(wèn)題研究提供了很好的仿真計(jì)算方法。

［1］姚熊亮.船體振動(dòng)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

［2］吳成軍.工程振動(dòng)與控制［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2008.

［3］張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］王強(qiáng)，胡明，姚本炎，等.船用往復(fù)泵管路減振技術(shù)研究 ［J］.船舶工程，2002，27(3):27－31.

［5］趙玫，周海亭，陳光治，等.機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［6］黨德功，張?zhí)鞆?qiáng)，高清秀，等.使用FLOWMASTER模擬和優(yōu)化柴油機(jī)的供油系統(tǒng) ［J］.鐵道機(jī)車車輛，2003，23(S1):116－120，137.