葉金鈺，畢躍文2，寧長(zhǎng)青3，張兆德

(1.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.榮成造船工業(yè)有限公司，山東 威海 264309；3.舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江 舟山 316021)

某49 m遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船在試航過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在主機(jī)達(dá)到某些特定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)艙里會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的、間歇性的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，考慮對(duì)該船的振動(dòng)成因進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的減振方案。

1 船舶模態(tài)分析

該船主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

船舶總布置圖見(jiàn)圖1。

使用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立全船的三維有限元模型，使用板單元來(lái)模擬外板、甲板、艙壁及橫向強(qiáng)構(gòu)件的腹板，用梁?jiǎn)卧M橫向和縱向骨架，網(wǎng)格大小選取為縱骨間距，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 185，單元數(shù)為24 058，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖1 全船總布置

圖2 有限元模型

以質(zhì)量點(diǎn)單元的形式，考慮船艙油料和有關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及船體垂向振動(dòng)時(shí)的附連水質(zhì)量。對(duì)船舶空載出港進(jìn)行模態(tài)分析，得出全船一階垂向振動(dòng)固有頻率為3.604 6 Hz，二階垂向固有頻率為7.308 9 Hz，見(jiàn)圖3。

圖3 船體的前兩階垂向振動(dòng)模態(tài)

該船主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，齒輪箱減速比為9.552∶1，螺旋槳轉(zhuǎn)速為188.4 r/min。由此計(jì)算出主機(jī)的一階激振力頻率為30 Hz，二階激振力頻率位60 Hz，螺旋槳葉頻為12.56 Hz，葉倍頻為25.12 Hz。與空載出港的前兩階固有頻率錯(cuò)開(kāi)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15%，判斷機(jī)槳振動(dòng)不會(huì)引起船體共振。

2 實(shí)船振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

當(dāng)船舶的主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min以上時(shí)，船舶局部會(huì)出現(xiàn)比較大的振動(dòng)和噪聲，其中艉舵機(jī)艙附近振動(dòng)比較強(qiáng)烈。同時(shí)，甲板及艏部區(qū)域也能感受到較強(qiáng)的振動(dòng)和噪聲。針對(duì)船舶的振動(dòng)情況，在艉舵機(jī)艙及甲板的不同區(qū)域共選擇了9處測(cè)點(diǎn)，得到不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度，其中在舵機(jī)艙尾部上方、舵機(jī)艙尾部下方船底板、機(jī)艙入口、甲板左舷等處各選取了2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)和水平振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試；在機(jī)艙中部上方(主甲板下)選取1個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量垂向振動(dòng)。

本次測(cè)試使用加速度傳感器及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，測(cè)試船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400、1 500、1 600和1 700 r/min時(shí)的振動(dòng)加速度，每次測(cè)量時(shí)間不少于120 s，采樣頻率為10 kHz。對(duì)所采的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，并提取前10階的振動(dòng)頻率及對(duì)應(yīng)的加速度峰值。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)1 400 r/min時(shí)，分析各測(cè)點(diǎn)的頻率分布。根據(jù)商船垂向和水平振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)所有點(diǎn)的水平和垂向振動(dòng)幅值都在正常范圍內(nèi)。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，最大振動(dòng)發(fā)生在舵機(jī)艙區(qū)域，對(duì)時(shí)歷曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，見(jiàn)圖4?？梢钥闯龃藭r(shí)的振動(dòng)頻率多在45 Hz以上，以較高的頻率為主，且振動(dòng)幅值在可接受范圍內(nèi)。

當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min及以上時(shí)，舵機(jī)艙和機(jī)艙的水平和垂向振動(dòng)逐漸超出規(guī)范中可接受的振動(dòng)幅值范圍。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500、1 600及1 700 r/min時(shí)，舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)加速度的快速傅里葉變換見(jiàn)圖5～7。

圖4 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)垂向加速度信號(hào)的快速傅里葉變換

圖5 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)垂向加速度信號(hào)的快速傅里葉變換

圖6 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)垂向加速度信號(hào)的快速傅里葉變換

圖7 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 700 r/min時(shí)舵機(jī)艙測(cè)點(diǎn)垂向加速度信號(hào)的快速傅里葉變換

可以看出，主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 500～1 700 r/min逐漸增加，振動(dòng)幅值增加，且振動(dòng)信號(hào)中的低階頻率成分逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 700 r/min時(shí)，機(jī)艙和甲板測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)都達(dá)到了規(guī)范中的臨界值。

本船的主機(jī)位于機(jī)艙的中后部，所使用的是康明斯V型四沖程柴油機(jī)，主機(jī)可能會(huì)引起船體振動(dòng)。但主機(jī)引起的振動(dòng)頻率較高，不會(huì)引起本船間歇性的較強(qiáng)振動(dòng)。

螺旋槳在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于槳葉的周期性變化，會(huì)使船體表面的壓力也發(fā)生周期性的變化從而產(chǎn)生脈動(dòng)壓力。如果螺旋槳設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)壓力顯著增加。同時(shí)，不均勻水流還會(huì)造成不同槳葉的受力發(fā)生改變，并通過(guò)槳軸軸承傳遞給船體，也導(dǎo)致船舶的艉部和機(jī)艙的振動(dòng)。

3 減振分析

根據(jù)以上分析并結(jié)合主機(jī)與螺旋槳的頻率計(jì)算，發(fā)現(xiàn)1 700 r/min轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí)最大振動(dòng)頻率為22.460 9 Hz，而螺旋槳葉倍頻為25.12 Hz，兩者較為接近，初步判斷該船振動(dòng)過(guò)大的主要原因是螺旋槳湍流現(xiàn)象。另外，由于該圍網(wǎng)漁船駕駛艙位于船艏，在進(jìn)行空載試航時(shí)艏部吃水大于艉部吃水，即發(fā)生艏傾，螺旋槳吃水變小，更容易產(chǎn)生湍流，嚴(yán)重時(shí)甚至還可能將會(huì)產(chǎn)生空泡現(xiàn)象[1-3]。

為減小螺旋槳湍流造成的激勵(lì)，可在螺旋槳外側(cè)安裝導(dǎo)流板，一方面可以使船后的伴流分布變得平穩(wěn);另一方面可以轉(zhuǎn)移螺旋槳的部分負(fù)荷，減少空泡的生成[4]，提高螺旋槳工作效率，在一定程度上減小軸承力和表面力。

由于主機(jī)和輔機(jī)的影響，機(jī)艙處的振動(dòng)也比較顯著,可以通過(guò)增加立柱及設(shè)置桁架的方式來(lái)提高機(jī)艙的剛度，改減小局部共振。此外，還可以在振動(dòng)較大的區(qū)域如螺旋槳上方船底板、機(jī)艙的艙壁、主機(jī)機(jī)座等處，采用覆蓋阻尼材料或加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方式，降低船舶的振動(dòng)幅度[5-7]。

根據(jù)上述分析，對(duì)該船進(jìn)行2項(xiàng)改裝:①加裝導(dǎo)流板；②對(duì)舵機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，新增旁內(nèi)龍骨肋板之間間斷設(shè)置，見(jiàn)圖8，并將旁內(nèi)龍骨面板節(jié)點(diǎn)改為非對(duì)稱形式，見(jiàn)圖9。

圖8 改造前后舵機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖9 改造后旁內(nèi)龍骨面板節(jié)點(diǎn)

改裝后的試航發(fā)現(xiàn)，該船大幅度的振動(dòng)已經(jīng)消失，航行舒適性得到了明顯的提高。對(duì)船舶進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖10～13。

從測(cè)試結(jié)果看，改造后的船體的低頻振動(dòng)得到了抑制，振動(dòng)幅值大大降低，具體對(duì)比的結(jié)果見(jiàn)表2。

圖10 改造后轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)舵機(jī)艙尾部垂向加速度的快速傅里葉變換

圖11 改造后轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)舵機(jī)艙尾部垂向加速度的快速傅里葉變換

圖12 改造后轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)舵機(jī)艙尾部垂向加速度的快速傅里葉變換

圖13 改造后轉(zhuǎn)速1 700 r/min時(shí)舵機(jī)艙尾部垂向加速度的快速傅里葉變換

表2 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 700 r/min時(shí)各測(cè)點(diǎn)改造前、后的垂向加速度對(duì)比

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)全船的固有特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該船的前兩階垂向振動(dòng)固有頻率遠(yuǎn)小于該船的主機(jī)頻率、螺旋槳葉頻和葉倍頻，滿足頻率儲(chǔ)備規(guī)范要求，因此判斷該船不會(huì)發(fā)生船體共振現(xiàn)象。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)艙和甲板的振動(dòng)超標(biāo)，其頻率與計(jì)算的螺旋槳葉倍頻接近，故判斷該船間歇性振動(dòng)超限是由于螺旋槳湍流所引起脈動(dòng)壓力所造成。

3)通過(guò)安裝導(dǎo)流板和艉部局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，船體的振動(dòng)得到了明顯的改善。