樂洪波
(揚帆集團股份有限公司,浙江 舟山 316100)
船舶螺旋槳鳴音淺析和處理實例
樂洪波
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本文簡要描述了螺旋槳鳴音的現(xiàn)象、危害、產(chǎn)生原因和解決方案,并通過實例描述了從發(fā)現(xiàn)船舶艉部異常噪音,到確定螺旋槳鳴音,再通過有效方法處理消除鳴音的過程,可為船舶發(fā)生類似現(xiàn)象的檢修提供參考。
螺旋槳;鳴音;異常聲響
船舶正常航行時螺旋槳運轉所發(fā)出異常的有節(jié)奏的單頻調聲音,稱為螺旋槳鳴音。主要體現(xiàn)在船舶的艉部區(qū)域、機艙或艉軸附近能聽到異常的、間斷的、有規(guī)律的似機械摩擦發(fā)出的聲音。這種聲音出現(xiàn)時,它的節(jié)奏頻率和螺旋槳、艉軸轉速是一致的。如鳴音現(xiàn)象出現(xiàn),通常在相當大的轉速范圍內持續(xù),且音量的高低會隨著轉速變化而改變,也會在一定的轉速范圍內消失。此外,鳴音也會隨著船舶吃水狀態(tài)而改變或消失。鳴音現(xiàn)象較為少見。
營運船舶正常航行時,船上產(chǎn)生的異常聲響,船員都非常敏感。一方面作為異常的噪音污染,給船員的日常工作和生活帶來很大困擾,倘若長期處于異常噪音環(huán)境,會導致加速船員疲勞,注意力分散以及交流信息失真,嚴重影響船員對船舶的操作安全,甚至導致事故發(fā)生的風險。
新造船試航出現(xiàn)螺旋槳鳴音時,在不確定聲響來源及原因的情形下,船東往往會懷疑艉軸承安裝有問題,進而會要求船廠拆檢軸系。但軸系拆檢后又不能發(fā)現(xiàn)問題,又要重新安裝后再試航驗證。在沒有經(jīng)驗或沒經(jīng)過專業(yè)測試的情況下,很難確診問題的原因所在,造成非常大的消耗,不僅會延誤交船期,甚至導致船東棄船,對船廠造成嚴重的損失。
產(chǎn)生鳴音的主要原因是螺旋槳槳葉的隨邊產(chǎn)生了旋渦,且旋渦的頻率恰好與槳葉的固有頻率相接近,引起了共振。通常鳴音是由船體、螺旋槳和渦流的擾動產(chǎn)生共鳴鎖而造成,鳴音也與螺旋槳空泡有關,一般無空泡的螺旋槳容易產(chǎn)生鳴音,而空泡產(chǎn)生時,鳴音會減弱或消失。
知道了鳴音產(chǎn)生的原因,就可以針對性地采取方法去消除鳴音,即避免共振發(fā)生。那么簡單來說,改變槳葉的固有頻率,就可以消除鳴音。通??刹捎靡韵路椒ǎ?/p>
(1)修磨槳葉隨邊,改變隨邊邊緣厚度和尾緣尺寸。槳葉材料大多采用鎳鋁青銅合金,材料性質較軟,容易進行修磨。由螺旋槳廠家或專業(yè)工程師通過計算和預測來確定修磨量。
(2)槳葉表面增加阻尼。由專業(yè)工程師通過計算,在槳葉的表面涂覆一種特殊的防腐材料,該材料可以采用高粘度氯丁橡膠或類似產(chǎn)品,可有效抑制振動。
(3)改變槳葉隨邊形狀。把隨邊加工成鋸齒形或不規(guī)則的波浪形,從而改變隨邊產(chǎn)生的水流來消除鳴音。
(4)改變槳葉的表面形狀。即在槳葉的背面或正面隨邊附近固定一些凸出的物體。為了不影響槳的水動力性能,通常在槳葉背面固定,且將凸出物體加工成半橢圓球形或小半球形,橢球的長軸線順著螺旋槳的旋向。該方法的目的是通過改變渦流來消除鳴音。
本船主機為低速機,通過一根中間軸和艉軸帶動固定螺距螺旋槳推進。
案例船在試航時,船舶所處的壓載狀態(tài),艏吃水4.0m,艉吃水7.6m。當主機50%負荷(轉速108rpm)試驗時,發(fā)現(xiàn)機艙及艉部有一種清脆明顯的“嗯—嗯”的異常聲響,似金屬摩擦發(fā)出的聲音,聲音的節(jié)奏、頻率與艉軸轉速一致,于是馬上開展一系列檢查。①對軸系工作狀態(tài)進行檢查。艉軸承溫度31℃,艉管滑油液位正常,滑油取樣正常,轉動部位及周邊也未發(fā)現(xiàn)有異常摩擦和振動,軸系運行一切正常。②對主機進行檢查。主機運行沒有發(fā)生異常聲響和敲擊聲,且所有參數(shù)正常。③對機艙其它設備和結構進行檢查,也未發(fā)現(xiàn)異常聲響情況。④對異常聲響較為明顯可聽見的區(qū)域進行檢查。艉部空艙、軸系周圍、舵機間、艉部甲板及貼近艉部外板處異常聲響明顯,但附近設備運行正常,未能發(fā)現(xiàn)異響情況。
通過上述的檢查,排除了機艙內各運行設備和軸系運行的異常聲響因素。在原因不明的情況下,通過主機各工況下的試驗,觀察異常聲響變化。①對主機進行降速檢查聲響情況。但隨著主機轉速減低,異常聲響有所減小,在主機轉速降至90rpm時,異常聲響消失。②再次提升主機轉速到103rpm時,異常聲響又出現(xiàn)了,但與第一次出現(xiàn)時的轉速略有不同。因此,初步判斷,異常聲響的出現(xiàn)與主機轉速大小有關聯(lián)。經(jīng)過反復測試,主機轉速在90rpm~136rpm(100%負荷)區(qū)間內都會出現(xiàn)異常聲響。主機倒車沒有發(fā)現(xiàn)異常聲響。③操縱舵機,通過調整轉舵角度,觀察聲響情況,當轉舵到大舵角時,異常聲響暫時消失。在保持轉舵角度不變,船舶直線航行時,異常聲響持續(xù)按節(jié)奏發(fā)出。
通過調整主機轉速和操舵角度變化,雖然找到了產(chǎn)生異常聲響的源頭,但由于當時缺乏處理“螺旋槳鳴音”的事故經(jīng)驗,也未查詢到相關資料和信息,大家仍是一籌莫展。船東和船檢的觀點是異常聲響與軸系頻率相同,懷疑軸系出了問題,要求拆軸檢查,不同意再繼續(xù)試航。也由于無法分析異響真正原因,又沒及時咨詢對口的專家,且又得不到船級社技術支持,經(jīng)公司高層討論后決定按船東和船檢要求進塢進行拆軸檢查。但拆軸檢查后一切正常:①在船塢內對船體艉部進行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常。②拆除中間軸連接兩端的螺栓及拆下中間軸承蓋,吊起中間軸,檢查軸徑表面和軸承表面,也未發(fā)現(xiàn)異常。③吊起艉軸并拉出檢查,艉軸表面無異常劃痕,艉管前后軸承表面無異常磨痕,艉管內無金屬粉末,前后密封裝置未發(fā)現(xiàn)異常。
只能重新安裝軸系,出塢后,對船舶進行又一次航行測試。在吃水未到壓載水線時,異常聲音沒有出現(xiàn);當壓水到接近壓載水線和達到壓載水線時,異常聲響又再次發(fā)生。為了找出原因和解決該問題,消除船東及船檢的顧慮,按時將船交付給船東,于是邀請專業(yè)振動、沖擊、噪聲研究機構的專家上船進行振動和噪音測量,在船舶打壓載到試航狀態(tài),通過專業(yè)儀器,在船舶各轉速工況下測試,得出了異響分析報告,并根據(jù)異響振動源和異響特征,最終判定此異常聲響為螺旋槳鳴音。
確認螺旋槳存在鳴音問題后,查閱了螺旋槳的設計和廠方加工數(shù)據(jù),得知廠方在螺旋槳設計和出廠前加工時已對隨邊、消鳴音邊尺寸進行了處理,各數(shù)據(jù)都在允許公差范圍內。因此,通過對上述1.4中描述的方法進行了比較分析,最終確定了修磨螺旋槳隨邊的方案。從0.6R起到0.95R,向內打磨再減小2~3mm,將Ф2mm圓邊加工成2mm直邊,并光順過渡到1.0R,按此修復后的槳葉尺寸仍在公差允許范圍內。見圖1。
為了避免再次進塢造成資源上浪費,決定在碼頭時對槳葉隨邊進行修磨。具體措施為利用壓載水將船頭下壓,使船艉上翹露出槳葉,在不影響盤軸的前提下,通過艉部外板上吊耳,在螺旋槳周圍搭好腳手架,由專業(yè)人員對槳葉隨邊進行修磨。隨邊修磨處理完成后,又進行了試航驗證,主機各種工況下再沒有出現(xiàn)鳴音現(xiàn)象。該船交付營運后,沒有收到船東關于螺旋槳鳴音的意見,證明上述修復方案是成功的。修磨后的隨邊厚度在設計允許值范圍內,即保證了消音的理想效果,又不影響槳葉強度。
圖1 螺旋槳消音邊修復示意圖
基于案例船,我們可以得出總結,當船舶試航或航行期間,如疑似鳴音現(xiàn)象發(fā)生時,對機艙內相關設備及推進系統(tǒng)做常規(guī)檢查,在未發(fā)現(xiàn)異常的情況下,通過以下試驗可判斷和識別是否為螺旋槳鳴音。
(1)改變艉軸轉速,異響是否隨著轉速改變而改變,并且節(jié)奏頻率與轉速相同,或只在某個轉速區(qū)間存在異響,一般在低速時不會發(fā)生鳴音。
(2)在異響發(fā)生時,保持艉軸轉速,并改變操舵角度,觀察異響情況。
(3)改變船舶的壓載吃水狀態(tài),觀察異響情況,在重載吃水狀態(tài)時一般容易發(fā)生鳴音。
如果以上三種情況都符合,基本上就可以判斷是螺旋槳的鳴音。對于營運中的船舶,由于貨物裝載原因比較難以實現(xiàn)通過壓載大幅變化來判定,但可用前兩種方法。
螺旋槳隨邊形狀和厚度對鳴音現(xiàn)象十分敏感,雖然新的螺旋槳隨邊都已具有消鳴音設計及加工,但由于艉部伴流場的復雜性,仍會存在個別鳴音現(xiàn)象的發(fā)生。借以本文對螺旋槳鳴音現(xiàn)象的淺析及實例的分享,也驗證了采取修磨隨邊可消除鳴音的可行性,希望能給其它船舶提供經(jīng)驗參考。
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U664.3
A
1006—7973(2017)10-0033-02
10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.014