曹 博，劉水根

應(yīng)用研究

某船舶軸系故障異響分析

曹 博1，劉水根2

（海軍裝備部，武漢市 430000）

本文針對(duì)某鋼制雙體船在航行試驗(yàn)時(shí)軸系出現(xiàn)異常噪聲的現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究。根據(jù)軸系布置，通過(guò)分析造成軸系異響的因素，制定軸系異響故障排查方案，進(jìn)行了軸系排查測(cè)試。根據(jù)排查結(jié)果，確定導(dǎo)致軸系異響的原因?yàn)槁菪龢Q音，并對(duì)螺旋槳鳴音機(jī)理進(jìn)行分析，最終確定通更換槳葉來(lái)解決軸系異響。

船舶軸系 異響分析 故障排查 螺旋槳鳴音

0 引言

軸系異響是軸系出現(xiàn)故障的標(biāo)志，輕微異響或?qū)е螺^大噪聲，若不進(jìn)行處理，則會(huì)加劇其它零件的磨損，嚴(yán)重異響不僅會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，甚至影響軸系運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致安全事故。某船為鋼制雙體船，采用雙機(jī)雙槳、雙軸系、左右對(duì)稱布置。在進(jìn)行航行試驗(yàn)時(shí)，軸系出現(xiàn)異常噪聲。本文對(duì)船舶航行時(shí)的軸系異響進(jìn)行研究，排查致軸系異響故障的原因，對(duì)其進(jìn)行分析，提出軸系噪聲解決措施。

1 概述

為保證船舶行駛安全及船員的休息，船舶噪聲需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。船舶噪聲主要包括螺旋槳噪聲、船體振動(dòng)噪聲、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲、輔助機(jī)械噪聲、液壓沖擊噪聲、柴油機(jī)燃燒噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、排氣噪聲、激勵(lì)葉片振動(dòng)噪聲等。按照途徑主要分為三種：空氣聲，動(dòng)力或輔助機(jī)械設(shè)備直接向空氣中輻射噪聲；結(jié)構(gòu)聲，機(jī)械的振動(dòng)能量沿固體結(jié)構(gòu)傳播到船體各部位，然后再向外輻射；水下噪聲，船體振動(dòng)或螺旋槳擾動(dòng)的向水下輻射。

軸系異響屬于船舶噪聲的一種，包括螺旋槳噪聲和船體振動(dòng)噪聲等。當(dāng)軸系出現(xiàn)異響，需要及時(shí)排查原因，分析其對(duì)航行安全的影響，制定解決方案或改進(jìn)措施。

1.1 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和空氣噪聲（當(dāng)槳葉表面的水分子壓力降低到水的汽化壓力時(shí)，產(chǎn)生氣泡，氣泡上升后破裂）。旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳在不均勻流場(chǎng)中工作引起干擾力和螺旋漿機(jī)械不平衡引起的干擾力（軸頻）所產(chǎn)生的噪聲。空氣噪聲具有連續(xù)譜的特征，其特性與槳葉形狀、面積、葉距分布等因素又換。在一定轉(zhuǎn)速下，隨著螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋的頻率與槳葉固有頻率相近時(shí)，產(chǎn)生螺旋槳鳴。

1.2 船體振動(dòng)噪聲

船舶軸系在工作過(guò)程中，可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)三種振動(dòng)形式。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是主機(jī)通過(guò)軸系傳遞功率至螺旋槳，造成各軸段間的扭轉(zhuǎn)角度不相等，軸段來(lái)回?cái)[動(dòng)產(chǎn)生的；縱向振動(dòng)主要是因螺旋槳推力不均勻造成的；橫向振動(dòng)主要是由于轉(zhuǎn)軸不平衡引起的，包括各軸承徑向支撐及其基座振動(dòng)。對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而言，輕則引起較大噪聲、加劇其它零件的磨損，重則可使曲軸折斷，造成安全事故。對(duì)于縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲來(lái)源于軸系部件與軸的摩擦碰撞。

2 故障說(shuō)明

某船為鋼制雙體船，主推進(jìn)系統(tǒng)采用電力推進(jìn)，雙機(jī)、雙槳、雙軸系、左右對(duì)稱布置，推進(jìn)電機(jī)經(jīng)高彈性聯(lián)軸器、推力軸、螺旋槳軸（艉軸）傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，軸系中心線與船的中線面平行，軸系中心線與船的中線面距離11300mm，軸系中心線與基線平行，距基線高度為2650mm。螺旋槳與螺旋槳軸之間采用液壓無(wú)鍵聯(lián)接；螺旋槳軸與推力軸之間采用液壓聯(lián)軸器聯(lián)接。其軸系布置圖如圖1所示。

圖1 軸系布置圖

在航行過(guò)程時(shí)，左、右舷推進(jìn)電機(jī)艙出現(xiàn)異常噪聲，具體表現(xiàn)為左舷進(jìn)三及以上工況有凸顯聲音，其他工況正常；右舷進(jìn)二工況有輕微響聲，進(jìn)三、進(jìn)五工況有凸顯聲音，進(jìn)一、進(jìn)四無(wú)異常聲音。

3 軸系異響故障分析

3.1 軸系異響排查方向

根據(jù)軸系出現(xiàn)的異響，按照可能導(dǎo)致軸系異響的因素，確定排查方向：

1）推進(jìn)電機(jī)艙及附近艙室船體結(jié)構(gòu)或舾裝件（基座、梯子、馬腳、管卡）等安裝緊固出現(xiàn)問(wèn)題，在軸系運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)出現(xiàn)異響；

2）軸系施工質(zhì)量問(wèn)題，軸系接地裝置、軸系制動(dòng)裝置、艉軸密封裝置等設(shè)備安裝不當(dāng)，在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與軸系干涉摩擦發(fā)出異響；

3）螺旋槳或?qū)Я髡窒贤獠糠掷p繞異物，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與結(jié)構(gòu)摩擦或撞擊產(chǎn)生異響；

4）槳軸匹配不當(dāng)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)不平衡，產(chǎn)生振動(dòng)后傳遞至艙內(nèi)，發(fā)生異響；

5）共振問(wèn)題，推進(jìn)系統(tǒng)及附屬設(shè)備振動(dòng)頻率與軸系振動(dòng)頻率相近產(chǎn)生共振，發(fā)生異響。

3.2 軸系排查測(cè)試

3.2.1 推進(jìn)電機(jī)艙及附屬結(jié)構(gòu)焊接情況檢查

1）檢查尾部壓載艙及左右舵機(jī)艙的結(jié)構(gòu)焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況；

2）檢查推進(jìn)電機(jī)艙內(nèi)直梯、管系電纜支架等舾裝件的焊接安裝，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況；

3）檢查推進(jìn)電機(jī)的基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況；

4）檢查推力軸承基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況；

5）檢查軸系制動(dòng)器基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況；

6）檢查軸系接地裝置基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況。

3.2.2 軸系施工質(zhì)量排查

1）檢查艉密封裝置安裝情況，檢查氣胎壓力；艉密封裝置動(dòng)、靜環(huán)配合靈活，無(wú)卡滯現(xiàn)象，氣胎處于非充氣狀態(tài)，冷卻水壓力處于0.05 MPa～0.15 MPa之間；

2）檢查軸系接地裝置的安裝與軸系的間隙情況，軸系接地裝置與艉軸四周間隙均勻、無(wú)雜質(zhì)與干涉；

3）檢查軸系剎車裝置安裝間隙情況，軸系制動(dòng)裝置應(yīng)處于松開(kāi)狀態(tài)，與艉軸四周間隙均勻、無(wú)雜質(zhì)與干涉；

4）檢查推力軸承的安裝情況，檢查各螺栓、螺母是否都已擰緊；

5）檢查高彈性聯(lián)軸器的安裝情況，各螺栓、螺母是否都已擰緊，中間是否有異物；

6）檢查推進(jìn)電機(jī)的安裝情況，檢查底部隔振器、限位器、機(jī)腳螺栓是否擰緊。

3.2.3 螺旋槳及導(dǎo)流罩檢查

螺旋槳外觀檢查，檢查是否有異物纏繞或其他異常情況。檢查導(dǎo)流罩與槳轂之間的間隙（約10 mm）處，是否有異物纏繞或其他異常情況。

3.2.4 檢查軸系對(duì)中情況

1）檢查艉軸與推力軸承的對(duì)中情況

拆除液壓聯(lián)軸器，安裝工裝表架檢查艉軸與推力軸承的對(duì)中。上下偏移（a-0.05）～(a+0.05) mm（a為尾軸安裝液壓聯(lián)軸器后的下垂量），左右偏移≤0.05 mm；曲折≤0.10 mm/m。

2）檢查推力軸承與推進(jìn)電機(jī)的對(duì)中情況

拆除高彈性聯(lián)軸器，檢查推力軸承與推進(jìn)電機(jī)的對(duì)中情況，對(duì)中結(jié)果滿足偏移≤0.05 mm，曲折≤0.10 mm/m。

3.2.5 軸系及相關(guān)設(shè)備振動(dòng)測(cè)量

1）軸系的扭振測(cè)量

在螺旋槳軸上粘貼應(yīng)變計(jì)，安裝信號(hào)調(diào)制及無(wú)線發(fā)射模塊，軸系運(yùn)行時(shí)從30 r/min～120 r/min，進(jìn)行軸功率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。軸系扭振測(cè)試結(jié)果表明軸系運(yùn)行未見(jiàn)異常，扭振應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，沒(méi)有轉(zhuǎn)速禁區(qū)，符合規(guī)范要求。

表1 主機(jī)軸功率測(cè)試數(shù)據(jù)

2）軸系橫振測(cè)量

在左舷和右舷艉軸上布置激光傳感器，把信號(hào)接入泰斯特振動(dòng)測(cè)量分析儀，分別在29.8 r/min(雙機(jī)進(jìn)一)、54.7 r/min（雙機(jī)進(jìn)二）、72.6 r/min（雙機(jī)進(jìn)三）、94.5 r/min（雙機(jī)進(jìn)四）和119.4 r/min（雙機(jī)進(jìn)五）時(shí)測(cè)量。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在頻域圖中，測(cè)到的1諧次振幅比較平穩(wěn)，無(wú)明顯的波動(dòng)，轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形見(jiàn)圖2和圖3；測(cè)到的5諧次振幅比較平穩(wěn)，無(wú)明顯的波動(dòng)，轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形見(jiàn)圖4和圖5。

3）推進(jìn)電機(jī)艙空氣噪音測(cè)量

測(cè)量不同工況下左、右舷推進(jìn)電機(jī)艙和艉尖艙振動(dòng)及噪音，具體試驗(yàn)工況如下表2所示。測(cè)試的空氣噪聲值滿足相關(guān)空氣噪聲指標(biāo)要求足（GJB4000-2000中的038.4.2.3規(guī)定的噪聲限值），與同型號(hào)其他船相當(dāng)。

圖2 左舷艉軸1諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

圖3 右舷艉軸1諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

圖4 左舷5諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

4）相關(guān)設(shè)備振動(dòng)測(cè)量

對(duì)船尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，運(yùn)行工況為單機(jī)、雙機(jī)進(jìn)一至進(jìn)五工況及退三工況，具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6，測(cè)試結(jié)果表明推進(jìn)系統(tǒng)及附屬設(shè)備未出現(xiàn)明顯振動(dòng)。

圖5 右舷5諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

表2 試驗(yàn)工況

圖6 推進(jìn)電機(jī)艙結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3 排查結(jié)果分析

排查結(jié)果表明軸系運(yùn)行未見(jiàn)異常，扭振應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，無(wú)轉(zhuǎn)速禁區(qū)，兩舷軸系可安全使用；通過(guò)對(duì)軸系及其附屬系統(tǒng)安裝質(zhì)量檢查，軸系對(duì)中及附屬設(shè)備安裝滿足設(shè)計(jì)要求；推進(jìn)電機(jī)、推力軸承、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器等設(shè)備在各工況下運(yùn)行正常，溫度、壓力、電流電壓等未出現(xiàn)報(bào)警等情況；艉軸密封裝置泄漏量及殼體溫度正常。

通過(guò)對(duì)上述測(cè)量結(jié)果分析，尾部軸系區(qū)域結(jié)構(gòu)安裝完整、軸系運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，輔機(jī)運(yùn)行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設(shè)計(jì)要求，軸系運(yùn)行安全。

該振動(dòng)偏大現(xiàn)象與軸系運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)，軸段是傳遞通道之一，引起振動(dòng)阻尼較小，初步排除船體結(jié)構(gòu)引起的流激振動(dòng)的影響，且推進(jìn)電機(jī)艙空氣噪聲在操舵時(shí)有明顯下降。綜合上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，初步判斷艉部噪聲偏大是由螺旋槳鳴音引起。

4 螺旋槳鳴音機(jī)理

卡門(mén)渦街是粘性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)中所研究的重要現(xiàn)象，在自然界中?？捎龅?，如水流過(guò)橋墩，風(fēng)吹過(guò)高塔、煙囪等時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦誘發(fā)振動(dòng)。1911年，T.von卡門(mén)把這種現(xiàn)象與一條穩(wěn)定交錯(cuò)排列的漩渦形成聯(lián)系在一起，稱為為卡門(mén)渦街。在一定條件下的定常流繞過(guò)某些物體時(shí)，將發(fā)生邊界層分離，物體兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)兩列有規(guī)則的漩渦列，兩列漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的，開(kāi)始時(shí)這兩列漩渦分別保持自身的運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，隨著兩列漩渦互相干擾，互相吸引，形成非線性的渦街，這樣形成的旋渦列流動(dòng)和物體的相互作用，成為誘發(fā)振動(dòng)效應(yīng)的根據(jù)[1]。

同理，當(dāng)槳葉的固有頻率與卡門(mén)渦頻率一致時(shí)，也會(huì)引發(fā)共振?？ㄩT(mén)渦街交替脫落時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并發(fā)出聲響效應(yīng)，這種聲響是由于卡門(mén)渦街周期性脫落時(shí)引起的流體中的壓強(qiáng)脈動(dòng)所造成的聲波。如果渦街交替脫落頻率與物體的聲學(xué)頻率相重合，會(huì)引發(fā)聲學(xué)共振[2]。

由于船尾伴流場(chǎng)的復(fù)雜性，界層分離程度及分離點(diǎn)的位置是變化的，在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，很難用理論計(jì)算的方法對(duì)鳴音問(wèn)題進(jìn)行預(yù)報(bào)。同時(shí)，產(chǎn)生螺旋槳鳴音的原因除了主要的卡門(mén)渦街外，還與空泡現(xiàn)象造成的振動(dòng)和葉片顛振有關(guān)。對(duì)于空泡現(xiàn)象造成的振動(dòng)鳴音，一般出現(xiàn)在無(wú)空泡腐蝕的螺旋槳上，此時(shí)鳴音最強(qiáng)。當(dāng)螺旋槳上剛產(chǎn)生空泡時(shí)，鳴音開(kāi)始減弱，空泡一發(fā)展，鳴音隨即消失。

5 軸系異響處理方案

通過(guò)對(duì)上述測(cè)量結(jié)果分析，尾部軸系區(qū)域結(jié)構(gòu)安裝完整、軸系運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，輔機(jī)運(yùn)行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設(shè)計(jì)要求，軸系運(yùn)行安全，初步判定該空氣噪聲為螺旋槳鳴音引起。螺旋槳鳴音對(duì)船舶總體性能沒(méi)有太大危害，但是會(huì)影響船員工作及生活的舒適性，同時(shí)會(huì)對(duì)船舶隱身性能造成影響。

通過(guò)螺旋槳鳴音機(jī)理分析可知，螺旋槳鳴音是由于卡門(mén)渦誘發(fā)的非定常流體升力對(duì)螺旋槳槳葉隨邊造成激勵(lì)作用的流體動(dòng)力學(xué)彈性共振問(wèn)題，可以通過(guò)改變共振頻率或螺旋槳自身的固有頻率來(lái)消除共振，即可通過(guò)增大螺旋槳阻尼或?qū)β菪龢碾S邊進(jìn)行處理來(lái)解決螺旋槳的鳴音問(wèn)題[3]。綜上所述，確定該船軸系異響的處理方案為更換螺旋槳槳葉。

[1] 華漢金. 螺旋槳鳴音產(chǎn)生機(jī)理及防治方法[J]. 船舶, 2002(02): 20-23.

[2] 張鵬鷹, 隋波. 某型船艉軸異響原因分析與解決措施[J]. 裝備制造技術(shù), 2017(02): 192-193+203.

[3] 魏以邁, 鄭永敏, 陳韻芬. 船用螺旋槳鳴音的研究[J]. 中國(guó)造船, 1986(01): 14-22.

Abnormal Sound Analysis of a Ship Shafting Fault

Cao Bo1, Liu Shuigen2

(Naval Armament Department, Wuhan 430000)

U644.21

A

1003-4862（2022）11-0027-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系統(tǒng)工程。E-mail: cb625yh121@163.com