劉小磊 林威 陳海明

摘? ? 要：本文主要介紹了船艇高速螺旋槳在使用過程中引起的船體振動原因，并結(jié)合實(shí)際案例分析解決此類振動的有效措施。

關(guān)鍵詞：高速螺旋槳;船體振動;解決措施

中圖分類號：U664.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper mainly introduces the causes of hull vibration caused by high-speed propeller in the course of ship operation， and analyzes the effective measures to reduce this kind of vibration based on the actual case.

Key words： High-speed propeller; Hull vibration; Solution

1? ? 前言

隨著時代的進(jìn)步，高速游艇幾乎成了奢華的代名詞，其集高科技、高速度、高舒適性、高藝術(shù)性于一體，推動著潮流的發(fā)展。隨著人們對高速游艇的高速性和舒適性的要求越來越高，船艇高速螺旋槳引起的船體振動越來越受到關(guān)注。雖然引起船體振動的原因是多種多樣的，但對高速船艇而言，在螺旋槳、主機(jī)、海浪等各種振源中，螺旋槳是主要振源。

2? ?螺旋槳激勵的分類

螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力傳遞給船體，引起船體的振動。但螺旋槳的激振力成因極其復(fù)雜，它與槳的形狀參數(shù)、葉片數(shù)及船體尾部線型和航速等因素相關(guān)。

（1）按照激振力的激振頻率分類，可分為軸頻激勵力和高頻激勵力兩類：軸頻激勵力由槳的制造誤差所引起，其激振頻率等于槳軸的回轉(zhuǎn)頻率，為槳的一階激振力;高頻激勵力由槳在不均勻流場中工作而引起，其激振頻率為軸的轉(zhuǎn)數(shù)乘以葉片數(shù)或葉片數(shù)的倍數(shù)，通常稱作為葉頻激振力或倍葉頻激振力。這種分類方法便于揭示槳對于船艇激勵的頻率成分，對于避免引起船艇共振和結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。

（2）按照槳的激振力的形成、傳遞和作用方式分類可分為表面力和軸承力兩類：槳旋轉(zhuǎn)時，在槳附近的船體表面會形成變動的水壓力，沿船體表面對該水壓力積分可得到槳對船體的總激振力，稱為表面力;由于槳葉上的變動流體力所引起的激振力，通過軸系和軸承傳遞給船體，稱為軸承力。這種分類方法對尾部和船體響應(yīng)的計算很重要，可作為直接的信息和指標(biāo)。

3? ?螺旋槳設(shè)計階段的防振措施

3.1? 槳的葉片數(shù)選型

螺旋槳按頻率分類，可分為軸頻N及葉頻NZ兩類：軸頻N為螺旋槳軸的回轉(zhuǎn)速度;葉頻NZ為螺旋槳軸的回轉(zhuǎn)速度N乘以葉片數(shù)Z。在確定螺旋槳的葉片數(shù)時，應(yīng)盡量避免引起船的整體或局部的振動。即槳的軸頻N與葉頻NZ應(yīng)與船整體或局部振動的第一諧調(diào)固有頻率相差±15%以上，與第二諧調(diào)固有頻率相差±20%以上。小型高速船艇更易產(chǎn)生局部振動，因?yàn)闃娜~頻NZ與局部振動頻率更易接近，因此在螺旋槳設(shè)計階段要著重計算船體的阻振頻率，并采用頻率設(shè)計法或頻率錯開法來確定槳的葉片數(shù)，避免引起共振。

3.2? 槳的直徑選型

我們知道，螺旋槳葉梢與船體的間隙大小直接影響對船體產(chǎn)生激振力的大小。在高速游艇中，軸系設(shè)計時一定要引起高度重視。按照《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》再結(jié)合大量實(shí)際案例可知：一般要求槳的葉梢距船底最小間隙為14%D（D為槳的直徑），且盡量選擇大于0.2D。如果間隙過小，則槳的激振力作用于船底時更容易引起船體振動。

下面結(jié)合實(shí)例分析螺旋槳的直徑D對作用于船體底部激振力大小的影響：

我司（Hin Lee） #5002玻璃纖維雙體高速客輪主尺度如下：

該船在60%載荷情況下：設(shè)計航速約24 knots;軸線實(shí)際角度8.1°;螺旋槳葉尖距船底最小間隙200 mm（16.9%D）。

初次試航時，按設(shè)計采用螺旋槳型號為：直徑1.2m;葉片數(shù)4片;螺距1.145 m;盤面比0.81。試航過程中，航速可達(dá)24.5 kn，主機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1 920 r/min，其它性能也能達(dá)到BV船級社要求。

但通過測振儀檢測，在螺旋槳上方舵機(jī)艙底處船體局部振動值達(dá)到16.5 mm/s，振動情況嚴(yán)重，不僅會影響乘客舒適性，也會對結(jié)構(gòu)造成損傷。

通過對振動頻率的測量分析和振源的調(diào)查，定性為螺旋槳激振力過大而引起船體局部振動?？紤]到施工工藝的簡捷性和經(jīng)濟(jì)性，再結(jié)合本船對航行性能的要求，最終決定：減小螺旋槳的直徑至1.16 m;螺距不變;增大葉梢距船底最小間隙至19%D。經(jīng)試航檢測：主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 980 r/min，航速為24.1 kn，槳上方舵機(jī)艙底處船體局部的振動值大幅下降為5.4 mm/s，不但能滿足舒適性要求，還可減少槳的激振力對結(jié)構(gòu)的損傷。此種通過減小槳的直徑D來增大葉梢距船底間隙，從而減少槳作用于船體的激振力達(dá)到減振的方法簡單快捷。但必須注意，此種方法只能用于船的實(shí)測航速比設(shè)計航速有足夠富余的情況，否則雖然適當(dāng)減小槳的直徑會使槳的轉(zhuǎn)速上升，但同時也會降低槳的效率和軸功率，最終有可能會導(dǎo)致實(shí)測航速小于設(shè)計航速的得不償失的情況。

3.3? 槳的葉型選型

本設(shè)計采用側(cè)斜槳葉。此種槳葉在不同半徑處的切面依次進(jìn)入伴流突變區(qū)，故推力和轉(zhuǎn)矩變化比較均勻，可以很大程度上減小槳葉面的脈動壓力，故不容易引起槳的激振。如圖1所示：我們用一個典型的四葉槳作研究測試，采用四種不同角度的側(cè)斜槳葉，隨著槳葉側(cè)斜角度的增加，由槳產(chǎn)生的脈動壓力的幅值逐漸減小。但在實(shí)際設(shè)計過程中要注意：側(cè)斜過大的槳葉，在鑄造成型后因其盤面比較大，葉片與葉片根部的重疊部分較大，容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，縮短槳的使用壽命，而且會導(dǎo)致葉面的精磨加工及螺距調(diào)校等方面的困難。

4? ?螺旋槳加工階段的防振措施

4.1 將槳的靜力不平衡引起的軸頻激振力控制在合理范圍內(nèi)

在槳的制造過程中，因槳葉夾角不完全相等、葉寬和葉厚也不盡相同等各種原因會導(dǎo)致槳的質(zhì)心偏離軸心線，因此當(dāng)槳高速旋轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生垂直于槳軸的離心慣性力，即軸頻激勵力。若不將此激勵力控制在合理范圍，則此力會通過尾軸軸承傳遞給船體，從而引起船體振動。

為了將此激勵力控制在合理范圍內(nèi)，槳鑄造完工后要對其進(jìn)行必要的靜平衡校驗(yàn)，使槳的靜力不平衡重量及角度分布達(dá)到現(xiàn)有高速艇用槳的Class“S”等級要求。為滿足此工藝要求，我司引進(jìn)了“北京青云航空儀表有限公司”生產(chǎn)的YYH—1000A平衡機(jī)。在使用此機(jī)時依槳的尺寸及重量等，按要求將槳葉沿軸向平均分成平面A及B兩個平面，然后將槳安裝在兩個帶傳感器的支撐軸承上，再給其一定的轉(zhuǎn)速。通過機(jī)器的靜平衡模式，我們可測得平面A及平面B的靜不平衡重量，此重量要求≤3g;平面A及平面B的靜不平衡重量分布在徑向180°角度位置。如果能同時滿足以上兩點(diǎn)，即可將槳的靜不平衡力矩控制在合理范圍，從而將槳因制造誤差而引起的徑向靜力不平衡力矩而產(chǎn)生的軸頻激勵力控制在合理范圍內(nèi)。

4.2? 將槳的動力不平衡引起的軸頻率激勵力控制在合理范圍內(nèi)

通過靜平衡處理并符合Class“S”等級要求的高速槳，在轉(zhuǎn)動過程中雖然質(zhì)心在同一回轉(zhuǎn)軸心線上，但各槳葉在軸線方向前后位置上由于制造誤差也會有不同程度的錯位。此錯位會導(dǎo)致各槳葉質(zhì)心不在同一槳盤面內(nèi)，當(dāng)槳高速旋轉(zhuǎn)時各槳葉產(chǎn)生的離心力會形成垂直于槳盤面的不平衡力矩，此力矩會引起槳軸沿軸向的彎曲振動，并通過尾軸軸承傳遞給船體引起船體的振動。所以高速槳除做靜平衡校驗(yàn)外還必須做動平衡校驗(yàn)，使其動力不平衡的重量和角度分布達(dá)到現(xiàn)有艇用高速槳的Class“S”級別要求。

為滿足此要求，我司同樣采用上述平衡機(jī)，以相同于靜平衡的安裝方法將槳固定安裝并分成兩個平面，然后依照機(jī)器的動平衡模式可測得平面A及平面B的動不平衡重量，此重量要求≤10 g;平面A及平面B的動不平衡重量分布于徑向180°角度位置。如果能同時滿足以上兩點(diǎn)要求，即可將槳由于制造誤差而引起的軸向動力不平衡力矩而產(chǎn)生的軸頻激勵力控制在合理范圍內(nèi)。

4.3 將槳的水動力不平衡引起的軸頻激勵力控制在合理范圍內(nèi)

由船用螺旋槳原理可知：在敞水中旋轉(zhuǎn)的槳，若各槳葉無誤差且槳盤面上流場均勻，則每一槳葉上所產(chǎn)生的推力Ti及旋轉(zhuǎn)阻力Ri都相同，槳的總推力T必與槳軸心線重合，而各槳葉的旋轉(zhuǎn)阻力合力R也為零。

但槳在制造過程中難免會產(chǎn)生各葉片螺距不等、槳葉夾角不等、各槳葉長度和相同半徑處寬度不等等問題，因而即便是機(jī)械平衡性再好的槳，在敞水中旋轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生水動力不平衡，其中以各槳葉間螺距差異影響最大。由于來流對各槳葉的沖角不同，每一個槳葉上的推力Ti和旋轉(zhuǎn)阻力Ri也不相等，導(dǎo)致槳的總推力T不與軸心線重合而產(chǎn)生周期性軸頻力矩;另外，旋轉(zhuǎn)阻力的合力R也不為零，也會產(chǎn)生周期性軸頻力矩。此兩種力矩通過尾軸軸承傳遞到船體，從而引起船體振動。

為控制由于螺距差而產(chǎn)生軸頻激勵力的大小，我司引進(jìn)了“Prop Scan EPS”螺旋槳螺距檢測及調(diào)校設(shè)備，結(jié)合艇用高速槳Class“S”級別要求，若我們把每片槳葉相同半徑處螺距Pi的誤差控制在±0.75%，且每片葉的總平均螺距誤差P控制在±0.5%范圍，則可以將槳的水動力不平衡引起的軸頻激勵力控制在合理的范圍內(nèi)，見以下實(shí)例：

我司（Hin Lee） #5007游艇主尺度如下：

該艇所用螺旋槳型號如下：葉片數(shù)4片;直徑775 mm;設(shè)計螺距535 mm;盤面比0.55。經(jīng)初次試航，各航行性能均能達(dá)到合約要求。

但測量出右主機(jī)經(jīng)減振機(jī)腳減振后振動值為48.6mm/s，舵機(jī)艙右尾人架頂局部振動值為10.7 mm/s，均明顯高于正常值。但振源不確定，故安排此船上船臺檢查分析：（1）通過試航過程中由主機(jī)供應(yīng)商所測得的主機(jī)各參數(shù)分析，排除由右主機(jī)各缸做工不均衡等情況而引起的主機(jī)自身振動;（2）斷開右減速箱輸出法蘭與聯(lián)軸器的聯(lián)接，并重新進(jìn)行對中檢測，結(jié)果也在合理范圍;（3）拆掉右尾軸，上車床檢測其圓柱度及聯(lián)軸器的平面度等也屬正常;（4）檢查右軸承的完整性及布局，均正常;（5）重新核算螺旋槳的葉頻與軸頻和船體舵機(jī)艙的局部固有頻率差，亦不在引起局部振動范圍;（6）對右槳重新進(jìn)行了靜平衡與動平衡測試，其性能也達(dá)到Class“S”等級要求;（7）對該右槳螺距進(jìn)行重新測量，發(fā)現(xiàn)葉片3在其各半徑處螺距與葉片1、2、4相比，部分明顯超出±0.75%范圍;葉片3的總平均螺距與葉片1、2、4相比，亦超過±0.5%范圍，故其螺距誤差不滿足Class“S”等級要求。

為此，我們用螺旋槳調(diào)校儀對該槳重新進(jìn)行調(diào)校。鑒于槳葉根部0.3R及0.4R處槳葉的厚度及其受力情況，我司所使用的螺距調(diào)校儀對此兩點(diǎn)螺距調(diào)節(jié)存在工藝上的困難，故只合理的調(diào)整了由0.5～0.95R處螺距，使其各半徑處螺距差及總平均螺距差滿足Class“S”等級要求。

隨后，我們對該艇重新下水試航并進(jìn)行振動測試得出：右主機(jī)經(jīng)減振腳后的振動值為10.2 mm/s，舵機(jī)艙右尾人架頂船體局部振動值為2.1 mm/s，兩者振動值均明顯下降且均在合理范圍內(nèi)。由此可見，各槳葉間螺距差亦是引起螺旋槳激振力大小的重要因素之一。

5? ?螺旋槳制作完工后的減振措施

5.1? 改換多葉槳

一般情況下，對于已經(jīng)建造好的船艇，通過改變螺旋槳參數(shù)來減小槳的激勵力是比較困難的。但通過改變槳的葉片數(shù)來錯開激勵頻率，通常可作為一種備選方法。

5.2? 切除槳葉部分葉梢

切除部分葉梢，即增加葉梢與船體間的間隙，此種方法可以直接有效的減小槳的激勵力。

5.3? 在尾部槳的上方安裝導(dǎo)流鰭

在船艇尾部槳的上方安裝導(dǎo)流鰭，相當(dāng)于設(shè)置外整流附件，可以在一定程度上改善尾伴流的均勻性。特別是對于高速艇，由于主機(jī)轉(zhuǎn)速高、槳的負(fù)荷大，故伴流的不均勻性對槳的激勵力大小影響比較顯著。但在槳的上方安裝導(dǎo)流鰭必然也會影響葉梢距船底的間隙，導(dǎo)致新的問題產(chǎn)生，故此種方法在使用時一定要設(shè)計好導(dǎo)流鰭的外形尺寸和位置，使其不過多的影響葉梢距船底間隙的同時亦能起到在一定程度上改善尾伴流均勻性的作用，從而達(dá)到減小槳作用于船體表面激勵力的目的。

6? ?總結(jié)

本文通過槳的設(shè)計 、加工和完工后三個階段，分析了船艇高速螺旋槳引起的船體振動產(chǎn)生原因，并結(jié)合典型實(shí)例闡述了解決此類振動的方法及注意事項(xiàng)，對解決艇用高速槳引起的船體振動具有參考價值。

參考文獻(xiàn)

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