王 煒

(長(zhǎng)江武漢航道工程局，武漢 430014)

3 500 m3/h絞吸挖泥船甲板機(jī)艙振動(dòng)分析與優(yōu)化

王 煒

(長(zhǎng)江武漢航道工程局，武漢 430014)

針對(duì)3 500 m3/h絞吸式挖泥船的甲板機(jī)艙異常振動(dòng)問(wèn)題，建立機(jī)艙結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)甲板下支柱與柴油機(jī)工作頻率耦合引起的共振是導(dǎo)致甲板機(jī)艙異常振動(dòng)的主要原因，進(jìn)行甲板機(jī)艙結(jié)構(gòu)和立柱位置的優(yōu)化，檢測(cè)表明,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效避開了共振頻率，振動(dòng)速度峰值和加速度大幅下降，優(yōu)化效果良好。

機(jī)艙振動(dòng);絞吸式挖泥船;模態(tài)分析;共振

某3 500 m3/h 絞吸式挖泥船配置了3 臺(tái)泥漿泵，其中2臺(tái)艙內(nèi)泥泵布置在主甲板上，設(shè)置甲板機(jī)艙。在甲板機(jī)艙內(nèi)布置2臺(tái)泥泵柴油機(jī)、1臺(tái)水下泵柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)主發(fā)電機(jī)組。

該船建造完工投入使用后短短5年時(shí)間內(nèi)，右泥泵柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)僅2 500 h，就發(fā)生過(guò)2次抱軸事故。事故發(fā)生后，對(duì)軸瓦進(jìn)行檢測(cè)和分析認(rèn)為，在柴油機(jī)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)期間，外界振動(dòng)傳入機(jī)體，使主軸瓦和曲軸發(fā)生輕微振蕩碰撞，致使主軸瓦損傷，這是抱軸事故的主要原因。

同期建造3艘同型船CAT3608 柴油機(jī)都有相同問(wèn)題，也是右泥泵柴油機(jī)停車狀態(tài)下主軸瓦振動(dòng)損傷，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抱軸，其中2艘曲軸斷裂，為此對(duì)該型船甲板機(jī)艙的振動(dòng)進(jìn)行仿真分析。

1 振動(dòng)檢測(cè)

在該船施工期間，對(duì)右泥泵柴油機(jī)機(jī)座進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。各檢測(cè)點(diǎn)速度峰值頻率均為59.5 Hz，與水下泵柴油發(fā)電機(jī)組和液壓泵柴油機(jī)的頻率相同。據(jù)此認(rèn)為是由于水下泵柴油發(fā)電機(jī)組和液壓泵柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到了右泥泵柴油機(jī)。

為找到振動(dòng)的傳遞途徑，對(duì)1～10號(hào)立柱進(jìn)行檢測(cè)，為便于說(shuō)明，立柱及其對(duì)應(yīng)編號(hào)參見圖1(當(dāng)前無(wú)13 號(hào)立柱)。檢測(cè)結(jié)果見表1。

圖1 甲板下立柱布置示意

編號(hào)固有頻率/Hz設(shè)備運(yùn)行后的頻率頻率/Hz速度峰值/(mm·s-1)加速度/(mm·s-2)17059.514.404.63828581.75.003.31038859.54.602.56248081.73.942.34058282.72.211.49168859.52.381.88976359.512.213.88088882.56.374.02098888.73.073.685108859.71.801.606

對(duì)比固有頻率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在船舶正常施工時(shí)有5根立柱速度峰值的頻率變?yōu)?9.5 Hz，特別是1號(hào)及7號(hào)立柱產(chǎn)生了較大的速度及加速度峰值。水下泵柴油發(fā)電機(jī)組、立柱與右泥泵柴油機(jī)共振，從而對(duì)右泥泵柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)造成損害。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，由于右泥泵柴油機(jī)距離液壓泵柴油機(jī)較遠(yuǎn)，受到其影響的可能性較低。而水下泵柴油機(jī)距離近，且振動(dòng)頻率基本一致，判斷應(yīng)為水下泵柴油機(jī)造成立柱振動(dòng)速度頻率的改變和振動(dòng)速度放大。

2 有限元建模分析

對(duì)本船機(jī)艙區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元建模，分析機(jī)艙區(qū)的整體和局部模態(tài)以及立柱的模態(tài)。

2.1 整艙段板架模態(tài)分析

西北某油田天然氣外輸管線自2003年投產(chǎn)后，未進(jìn)行過(guò)徹底清管。近年來(lái)，隨著天然氣外輸管線運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)、氣源廣泛、處理工藝不同等因素，在輸氣管線內(nèi)形成黑色粉末等雜質(zhì)，并不斷聚集增加，導(dǎo)致管輸氣量只有設(shè)計(jì)輸氣量的70%，并導(dǎo)致下游分離設(shè)備頻發(fā)堵塞、燃?xì)馐褂迷O(shè)備故障增多等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了天然氣外售和下游用戶的正常生產(chǎn)。

為評(píng)估甲板機(jī)艙振動(dòng)問(wèn)題，首先根據(jù)原始設(shè)計(jì)圖紙對(duì)甲板機(jī)艙及對(duì)應(yīng)船體區(qū)域進(jìn)行有限元建模。模型范圍縱向從FR36～FR65，橫向?yàn)槿珜?，垂向自船底至A 甲板。機(jī)艙內(nèi)及船體內(nèi)設(shè)備依照原船設(shè)備單及船東提供的重量重心信息進(jìn)行直接模擬[1-3]。對(duì)艙段整體模態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)置前后艙壁邊界簡(jiǎn)支。模型示意于圖2、3。

圖2 艙段有限元模型及邊界條件

圖3 甲板下立柱布置

在船體FR36～FR65 范圍內(nèi)，中縱面FR41，F(xiàn)R44，F(xiàn)R47，F(xiàn)R50，F(xiàn)R53，F(xiàn)R56，F(xiàn)R59，F(xiàn)R62 肋位上設(shè)置支柱，其中FR53，F(xiàn)R56，F(xiàn)R59，F(xiàn)R62 肋位的立柱處在主甲板艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)組基座長(zhǎng)度范圍內(nèi)。甲板開孔見圖4。

圖4 甲板開孔

當(dāng)前現(xiàn)有結(jié)構(gòu)板架一、二階模態(tài)固有頻率，分別為15.03和22.35 Hz，其相應(yīng)振型見圖5、6。分析結(jié)果與機(jī)艙頂梁振動(dòng)測(cè)試報(bào)告中顯示的固有頻率(15.00和22.50 Hz)基本一致，證明測(cè)試和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖5 板架一階整體模態(tài)

圖6 當(dāng)前板架二階整體模態(tài)

2.2 立柱模態(tài)分析

在艙段分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)振動(dòng)測(cè)試報(bào)告中顯示的立柱固有頻率(60 Hz)與柴油機(jī)耦合問(wèn)題，對(duì)支柱進(jìn)行固有頻率搜索。1號(hào)和7號(hào)立柱模態(tài)參見圖7、8及表2。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)工作頻率附近立柱有較大的共振可能。

圖7 1號(hào)立柱模態(tài)

圖8 7號(hào)立柱模態(tài)

立柱號(hào)頻率/Hz與60Hz錯(cuò)開百分比/%159.311.2748.31/75.5619.5/26.0

3 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)與效果分析

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果判斷，柴油機(jī)損壞應(yīng)是由于甲板下支柱與柴油機(jī)工作頻率耦合。此外，柴油機(jī)未配置減震底座，可能導(dǎo)致激振載荷被迅速放大，從而易導(dǎo)致設(shè)備損壞[4-6]。

3.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析對(duì)該船進(jìn)行改造。封上一部分FR47 ～FR50 之間的甲板開口，取消6，7 號(hào)立柱，增設(shè)13號(hào)立柱Ф325×16，并將8-12號(hào)立柱改為Ф325×16。改造后的支柱布置見圖9、10。

圖9 改造后甲板下立柱布置

圖10 改造后甲板開孔

根據(jù)改造方案進(jìn)行模型調(diào)整，分析得到艙段整體一、二階模態(tài)固有頻率15.13和22.34 Hz。振型見圖11、12?？梢姡脑烨昂笈摱握w模態(tài)頻率和振型變化都很小，在該頻率下結(jié)構(gòu)響應(yīng)很小，不會(huì)因改造方案造成新的振動(dòng)問(wèn)題。

圖11 改造后板架一階整體模態(tài)

圖12 改造后板架二階整體模態(tài)

3.3 改造后立柱模態(tài)分析

對(duì)改造方案下的各支柱固有頻率進(jìn)行搜索，得到支柱固有頻率分析結(jié)果見表5。

表5 改造后各立柱頻率錯(cuò)開百分比

可見，各支柱固有頻率同柴油機(jī)工作頻率均能有效錯(cuò)開40%以上，可有效解決支柱固有頻率同原柴油機(jī)工作頻率耦合的問(wèn)題。

4 優(yōu)化效果檢測(cè)與分析

改造結(jié)束后，在該船正常施工時(shí)，對(duì)右泥泵柴油機(jī)機(jī)座振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，并與改造前結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。改造前后檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見圖13。

圖13 改造前后右泥泵柴油機(jī)機(jī)座振動(dòng)對(duì)比

由圖13可見，立柱改造優(yōu)化后，右泥泵柴油機(jī)機(jī)座處振動(dòng)頻率發(fā)生了變化，避開了共振頻率，速度峰值和加速度大幅下降。改造優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)論

1)對(duì)3 500 m3/h 絞吸式挖泥船的振動(dòng)檢測(cè)分析表明甲板下支柱與柴油機(jī)工作頻率耦合引起的共振是導(dǎo)致甲板機(jī)艙異常振動(dòng)的主要原因；

2)通過(guò)仿真計(jì)算的結(jié)果可以證明：對(duì)甲板機(jī)艙結(jié)構(gòu)和立柱的位置進(jìn)行合理改造，可改變艙段整體的固有頻率，能與柴油機(jī)的工作頻率有效錯(cuò)開40%以上，可有效減少機(jī)艙的異常振動(dòng)，提升了船舶工作性能;

3)同類型絞吸式挖泥船均存在艙內(nèi)泥泵布置在主甲板上，振動(dòng)偏大的問(wèn)題，可利用本優(yōu)化方法對(duì)甲板機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，減少震動(dòng)。

在后續(xù)的船舶設(shè)計(jì)與建造中，應(yīng)充分考慮引起振動(dòng)的不利因素，避開共振頻率，優(yōu)化甲板機(jī)艙的結(jié)構(gòu)布置。

[1] 羅秋明,薛鴻祥,唐文勇.45萬(wàn)t級(jí)超大型礦砂船全船結(jié)構(gòu)有限元分析[J].船舶工程,20103(2):8-12.

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Analysis and Optimization of Deck Cabin Vibration in 3 500 m3/ h Cutter Suction Dredger

WANG Wei

(Changjiang Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430014, China)

In view of abnormal vibration on deck engine room of 3 500 m3/h cutter suction dredger, the FE structural model of the engine room is established. Via the analysis of mode of vibration, resonance coupling of working frequency of the diesel engine with the pillar under deck is the primary cause for abnormal vibration of deck engine room. So the location of pillars is redesigned to avoid the resonant frequency. The test results verify that the peaks of vibration acceleration and velocity are sharply decreased; the effects of optimization are satisfactory.

cabin vibration; cutter suction dredger; modal analysis; resonance

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.021

2015-06-15

王 煒(1977- )，男，碩士，高級(jí)工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0089-04

修回日期：2015-07-13

研究方向:挖泥工程船建造及使用管理

E-mail: 14466719@qq.com