图 1 振动测试系统示意
分享：某船局部地面甲板异常振动原因
船舶在运行过程中产生大量的振动噪声，损害了船员的身体健康，同时长期高强度的噪声也容易造成船舶结构的疲劳，导致设备损坏，因此控制船舶振动噪声具有重要意义。船舶振动噪声的主要来源有主机、主推进器和海浪等，其中动力结构的柴油机及其螺旋桨是重点振动噪声源。周清华等[1]采用有限元法对某型散货船的船体总振动和上层建筑振动在主机激励下的强迫振动响应进行数值分析，重点研究了主机激振力的加载方法及主机机架的振动，并且指出了减振支撑和平衡补偿器在散货船结构中的减振作用等。田丽等[2]利用计算流体力学技术深入分析了船体艉部出现剧烈振动的原因，通过在艉部加装上下整流鳍，改善了船艉半生流场，成功解决了艉部剧烈振动的问题。由螺旋桨带来的激振力包括机械不平衡引起的干扰力、流场不均匀引起的叶频干扰力和表面力等作用力，其特性决定船舶结构的振动幅度。此外，螺旋桨附着生物发展到一定程度时也会带来较大的振动[3-7]，振动经过结构传递至其他部位，可引起振动噪声问题。
某型船在运行过程中，据船员反馈局部地面甲板出现异常振动，严重影响船员生活的安全性和舒适性。
该型船舶为双机双桨推进，推进系统主要由柴油机、联轴节、齿轮箱、中间轴、中间支点轴承、尾轴及可调螺距螺旋桨等组成，柴油机为中速四冲程柴油机，齿轮箱减速比为2.9，有4个可调螺距螺旋桨叶片。可调距螺旋桨工作原理为：桨毂中的操纵机构使桨叶相对于桨毂转动，从而调节螺距，改变桨叶与水流的相对运动状态，导致水流对桨叶冲击不均匀，形成脉动压力。可调距螺旋桨是船舶系统主要的振源之一。振动异常区域位于船舶艉端至1/8水线长的艉部区，正下方依次为冷水机组舱和艉轴舱，冷水机组舱列装有2台冷水机组和若干泵浦，艉轴舱列装有2根中间轴和2个中间支点轴承。针对船体局部结构振动，船体振动评价基准规定了船舶安全性和适居性的两种评价方法[8]。
笔者采用一系列理化检验方法对局部地面甲板异常振动问题进行分析，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 安全性评价
根据评价区域不同，安全性评价分为艏艉区评价和船中部区评价，其中艏端至1/10水线长为艏部区，艉端至1/8水线长为艉部区，不同区域分别设置了上限线值和下限线值。根据上限线值和下限线值的不同，将船体振动评价区划分成3个评价区，下限线值以下为良好区，处于该区域说明船体的结构振动良好；上限线值以上为建议改进区，处于该区域说明船体的结构振动超过了规定安全阈值，长时间运行会对船体结构或者设备造成一定的损害；下限线值和上限线值之间为可接受区，处于该区域说明船体的结构振动是可以接受的，该船可以安全运行。
对地板垂向振动进行测试，测点为餐厅立柱0.5 m处局部振动较敏感的地板，采用单向压电式加速度传感器，将磁铁吸附固定在地板水平面上。测试设备主要有数据采集仪、加速度传感器，数据采集仪采样率为0.5 Hz~200 kHz，模数转换精度为24位，频率误差小于0.005%，幅值误差小于0.5%，满足测量信号的精确度。
整改前后测试期间船舶保持自由直线航行，推进柴油机转速稳定，操作舵角变化不超过-2°~2°。振动测试系统如图1所示。采用胶带固定传感器信号线，以避免引线晃动和冲击造成测试数据的漂移和剧烈波动，采样频率为1 024 Hz。
将测试数据进行处理，并将加速度和速度频谱汇总，结果如图2所示，其中1~3.33 Hz为加速度频谱，3.33~100 Hz为速度频谱。由图2可知：在1.4 Hz处加速度分量最大，加速度单峰值为10.0 mm/s2，根据安全性评价基准规定，如果加速度处于下限线值以下，加速度单一频率分量的单峰值满足安全性评价要求；在63.1 Hz处速度分量最大，速度单峰值为4.0 mm/s，根据安全性评价基准规定，速度处于下限线值处时，速度单一频率分量的单峰值满足安全性评价要求。
1.2 适居性评价
适居性评价采用1~80 Hz频带内的全频率计权加速度（速度）均方根作为评价指标，根据评价区域等级的不同分为住舱和工作舱，其中A区域等级为居住舱，是保证船员休息、学习和工作的处所，如住舱、阅览室、餐厅、会议室等；B区域等级为工作舱，是人员停留或工作时间较短的处所，如厨房、洗衣房、通道等，不同区域等级的振动限值如表1所示。笔者采用的测点区域为A区域。
Table 1. 船舶不同区域适居性评价标准
| 全频率计权均方根 | 区域等级 | |||
|---|---|---|---|---|
| A | B | |||
| 加速度/(mm·s-2) | 速度/(mm·s-1) | 加速度/(mm·s-2) | 速度/(mm·s-1) | |
| 严重振动下限值 | 214.0 | 6.0 | 286.0 | 8.0 |
| 轻微振动上限值 | 107.0 | 3.0 | 143.0 | 4.0 |
采用Matlab软件计算1~80 Hz频带内振动加速度（速度）级信号1/3倍频程谱线，结果如表2所示，并按照式（1）进行总振级计算。
| (1) |
式中：L为1~80 Hz经计权后的总振级；n为频带点数，n=20；Li为第i频带点对应的实测振级，i=1,2,3,…；Ai为与Li第i频带点对应频率的加速度加权值和速度加权值，其数值如表3所示。
Table 2. 振动加速度级和振动速度级1/3倍频程谱线数值
| 中心频率/Hz | 振动加速度级/dB | 振动速度级/dB | 中心频率/Hz | 振动加速度级/dB | 振动速度级/dB |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 86.93 | 115.87 | 10.00 | 94.50 | 123.45 |
| 1.25 | 86.40 | 115.34 | 12.50 | 78.57 | 107.52 |
| 1.60 | 85.32 | 114.26 | 16.00 | 75.49 | 104.43 |
| 2.00 | 84.02 | 112.96 | 20.00 | 78.79 | 107.73 |
| 2.50 | 83.23 | 112.17 | 25.00 | 75.15 | 104.09 |
| 3.15 | 82.75 | 111.70 | 31.50 | 83.97 | 112.91 |
| 4.00 | 82.75 | 111.69 | 40.00 | 88.50 | 117.45 |
| 5.00 | 78.69 | 107.63 | 50.00 | 90.56 | 119.50 |
| 6.30 | 77.85 | 106.80 | 63.00 | 102.08 | 131.02 |
| 8.00 | 78.65 | 107.60 | 80.00 | 86.46 | 115.40 |
Table 3. 频率为1~80 Hz的1/3倍频程频率计权Ai
| 频率/Hz | 加速度加权值 | 速度加权值 | 频率/Hz | 加速度加权值 | 速度加权值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.00 | －1.59 | －16.68 | 10.00 | －6.12 | －1.22 |
| 1.25 | －0.85 | －13.94 | 12.50 | －7.71 | －0.81 |
| 1.60 | －0.59 | －11.68 | 16.00 | －9.44 | －0.53 |
| 2.00 | －0.61 | －9.71 | 20.00 | －11.25 | －0.35 |
| 2.50 | －0.82 | －7.91 | 25.00 | －13.14 | －0.23 |
| 3.15 | －1.19 | －6.28 | 31.50 | －15.09 | －0.18 |
| 4.00 | －1.74 | －4.83 | 40.00 | －17.10 | －0.20 |
| 5.00 | －2.50 | －3.59 | 50.00 | －19.23 | －0.32 |
| 6.30 | －3.49 | －2.58 | 63.00 | －21.58 | －0.67 |
| 8.00 | －4.70 | －1.80 | 80.00 | －24.40 | －1.48 |
1~80 Hz频带内的全频率计权加速度均方根的计算方式如式（2）所示。
| (2) |
式中：La为式（1）计算的加速度总振级；a为1~80 Hz频带内全频率计权加速度均方根；a0为EN ISO 1683—2008 《声学和振动等级用基准参考值》中规定的加速度基准值，a0=10-6 m/s2。
1~80 Hz频带内的全频率计权速度均方根的计算方式如式（3）所示。
| (3) |
式中：Lv为式（1）计算的速度总振级；v为1~80 Hz频带内全频率计权速度均方根；v0为标准EN ISO 1683—2008中规定的加速度基准值，v0=10-9 m/s。
由式（2）计算得到的全频率计权加速度均方根为154.98 mm/s2，由式（3）计算得到的全频率计权速度均方根为4.33 mm/s。测试结果均处于轻微振动上限值与严重振动下限值之间，船体振动情况是可接受的。
1.3 频谱分析
地板局部垂向振动速度频谱如图3所示。由图3可知：最大的峰值频率分别为10.9 Hz和63.1 Hz，这与舒适性评价出现明显波峰频率较吻合。
由船舶结构和使用工况可知，10.9 Hz频率与螺旋桨叶频激振频率相吻合，63.1 Hz频率与柴油机整机发火频率相吻合。螺旋桨叶频激振频率和柴油机整机发火频率为地板的主要振源，柴油机或螺旋桨产生的激振力传到船体，再由船体传给餐厅地板，建议重点排查螺旋桨桨叶。
2. 结构排查
根据数据处理结果，重点排查了螺旋桨，并对柴油机中的部分缸头活塞进行了换新。结果发现螺旋桨桨叶和艉轴上存在藤壶、牡蛎等大量海洋附着生物，并没有发现其他异常。随后对海洋附着生物进行铲除。经过上述治理，对船出船坞后再次进行了振动信号采集，测试前后工况一致，改进后的振动加速度级和振动速度级1/3倍频程谱线数值如表4所示。
Table 4. 改进后的振动加速度级和振动速度级1/3倍频程谱线数值
| 中心频率/Hz | 振动加速度级/dB | 振动速度级/dB | 中心频率/Hz | 振动加速度级/dB | 振动速度级/dB |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 77.07 | 96.83 | 10.00 | 78.62 | 110.92 |
| 1.25 | 77.44 | 95.07 | 12.50 | 71.80 | 103.60 |
| 1.60 | 77.55 | 96.68 | 16.00 | 73.35 | 100.83 |
| 2.00 | 75.83 | 95.51 | 20.00 | 72.84 | 102.22 |
| 2.50 | 75.03 | 99.26 | 25.00 | 77.71 | 105.23 |
| 3.15 | 73.23 | 98.72 | 31.50 | 79.42 | 103.00 |
| 4.00 | 76.23 | 104.79 | 40.00 | 83.99 | 107.39 |
| 5.00 | 70.71 | 95.82 | 50.00 | 82.20 | 109.32 |
| 6.30 | 72.16 | 99.20 | 63.00 | 102.96 | 131.10 |
| 8.00 | 74.46 | 101.56 | 80.00 | 80.68 | 109.55 |
测试可得加速度和速度均方根分别为144.68 mm/s2和3.99 mm/s，结果均处于轻微振动上限值与严重振动下限值之间，振动情况在可接受范围内。由表4可知：在中心频率10 Hz处，振动加速度级由原来的94.50 dB降低到78.62 dB，振动速度级由原来的123.45 dB降低到110.92 dB；在中心频率63 Hz处，振动加速度级由原来的102.08 dB升高到102.96 dB，振动速度级由原来的131.02 dB升高到131.09 dB，海洋附着生物铲除后中心频率10 Hz附近振动加速度级和振动速度级明显得到改善。
3. 结论
对地面甲板异常振动区域进行分析，发现地面甲板异常振动与螺旋桨激振力增大有关。螺旋桨激振力增大的主要原因是海洋附着生物富集，导致螺旋桨表面粗糙度增大，改变了螺旋桨原有伴生流场，继而造成激振力增大。将海洋生物铲除后，餐厅地面甲板异常振动问题得到了明显改善。
文章来源——材料与测试网
下一篇：已经是最后一篇了
上一篇：分享：铝合金构件开裂原因
浙公网安备 33042402000106号
