船舶在運行過程中產(chǎn)生大量的振動噪聲，損害了船員的身體健康，同時長期高強度的噪聲也容易造成船舶結構的疲勞，導致設備損壞，因此控制船舶振動噪聲具有重要意義。船舶振動噪聲的主要來源有主機、主推進器和海浪等，其中動力結構的柴油機及其螺旋槳是重點振動噪聲源。周清華等[1]采用有限元法對某型散貨船的船體總振動和上層建筑振動在主機激勵下的強迫振動響應進行數(shù)值分析，重點研究了主機激振力的加載方法及主機機架的振動，并且指出了減振支撐和平衡補償器在散貨船結構中的減振作用等。田麗等[2]利用計算流體力學技術深入分析了船體艉部出現(xiàn)劇烈振動的原因，通過在艉部加裝上下整流鰭，改善了船艉半生流場，成功解決了艉部劇烈振動的問題。由螺旋槳帶來的激振力包括機械不平衡引起的干擾力、流場不均勻引起的葉頻干擾力和表面力等作用力，其特性決定船舶結構的振動幅度。此外，螺旋槳附著生物發(fā)展到一定程度時也會帶來較大的振動[3-7]，振動經(jīng)過結構傳遞至其他部位，可引起振動噪聲問題。

某型船在運行過程中，據(jù)船員反饋局部地面甲板出現(xiàn)異常振動，嚴重影響船員生活的安全性和舒適性。

該型船舶為雙機雙槳推進，推進系統(tǒng)主要由柴油機、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、中間軸、中間支點軸承、尾軸及可調(diào)螺距螺旋槳等組成，柴油機為中速四沖程柴油機，齒輪箱減速比為2.9，有4個可調(diào)螺距螺旋槳葉片?？烧{(diào)距螺旋槳工作原理為：槳轂中的操縱機構使槳葉相對于槳轂轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)螺距，改變槳葉與水流的相對運動狀態(tài)，導致水流對槳葉沖擊不均勻，形成脈動壓力。可調(diào)距螺旋槳是船舶系統(tǒng)主要的振源之一。振動異常區(qū)域位于船舶艉端至1/8水線長的艉部區(qū)，正下方依次為冷水機組艙和艉軸艙，冷水機組艙列裝有2臺冷水機組和若干泵浦，艉軸艙列裝有2根中間軸和2個中間支點軸承。針對船體局部結構振動，船體振動評價基準規(guī)定了船舶安全性和適居性的兩種評價方法[8]。

筆者采用一系列理化檢驗方法對局部地面甲板異常振動問題進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

1.   理化檢驗

1.1   安全性評價

根據(jù)評價區(qū)域不同，安全性評價分為艏艉區(qū)評價和船中部區(qū)評價，其中艏端至1/10水線長為艏部區(qū)，艉端至1/8水線長為艉部區(qū)，不同區(qū)域分別設置了上限線值和下限線值。根據(jù)上限線值和下限線值的不同，將船體振動評價區(qū)劃分成3個評價區(qū)，下限線值以下為良好區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結構振動良好；上限線值以上為建議改進區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結構振動超過了規(guī)定安全閾值，長時間運行會對船體結構或者設備造成一定的損害；下限線值和上限線值之間為可接受區(qū)，處于該區(qū)域說明船體的結構振動是可以接受的，該船可以安全運行。

對地板垂向振動進行測試，測點為餐廳立柱0.5 m處局部振動較敏感的地板，采用單向壓電式加速度傳感器，將磁鐵吸附固定在地板水平面上。測試設備主要有數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集儀采樣率為0.5 Hz~200 kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為24位，頻率誤差小于0.005%，幅值誤差小于0.5%，滿足測量信號的精確度。

整改前后測試期間船舶保持自由直線航行，推進柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，操作舵角變化不超過-2°~2°。振動測試系統(tǒng)如圖1所示。采用膠帶固定傳感器信號線，以避免引線晃動和沖擊造成測試數(shù)據(jù)的漂移和劇烈波動，采樣頻率為1 024 Hz。

圖  1  振動測試系統(tǒng)示意

將測試數(shù)據(jù)進行處理，并將加速度和速度頻譜匯總，結果如圖2所示，其中1~3.33 Hz為加速度頻譜，3.33~100 Hz為速度頻譜。由圖2可知：在1.4 Hz處加速度分量最大，加速度單峰值為10.0 mm/s2，根據(jù)安全性評價基準規(guī)定，如果加速度處于下限線值以下，加速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評價要求；在63.1 Hz處速度分量最大，速度單峰值為4.0 mm/s，根據(jù)安全性評價基準規(guī)定，速度處于下限線值處時，速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評價要求。

圖  2  加速度和速度頻譜

1.2   適居性評價

適居性評價采用1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權加速度（速度）均方根作為評價指標，根據(jù)評價區(qū)域等級的不同分為住艙和工作艙，其中A區(qū)域等級為居住艙，是保證船員休息、學習和工作的處所，如住艙、閱覽室、餐廳、會議室等；B區(qū)域等級為工作艙，是人員停留或工作時間較短的處所，如廚房、洗衣房、通道等，不同區(qū)域等級的振動限值如表1所示。筆者采用的測點區(qū)域為A區(qū)域。

采用Matlab軟件計算1~80 Hz頻帶內(nèi)振動加速度（速度）級信號1/3倍頻程譜線，結果如表2所示，并按照式（1）進行總振級計算。

式中：L為1~80 Hz經(jīng)計權后的總振級；n為頻帶點數(shù)，n=20；Li為第i頻帶點對應的實測振級，i=1,2,3,…；Ai為與Li第i頻帶點對應頻率的加速度加權值和速度加權值，其數(shù)值如表3所示。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權加速度均方根的計算方式如式（2）所示。

式中：La為式（1）計算的加速度總振級；a為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計權加速度均方根；a0為EN ISO 1683—2008 《聲學和振動等級用基準參考值》中規(guī)定的加速度基準值，a0=10-6 m/s2。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計權速度均方根的計算方式如式（3）所示。

式中：Lv為式（1）計算的速度總振級；v為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計權速度均方根；v0為標準EN ISO 1683—2008中規(guī)定的加速度基準值，v0=10-9 m/s。

由式（2）計算得到的全頻率計權加速度均方根為154.98 mm/s2，由式（3）計算得到的全頻率計權速度均方根為4.33 mm/s。測試結果均處于輕微振動上限值與嚴重振動下限值之間，船體振動情況是可接受的。

1.3   頻譜分析

地板局部垂向振動速度頻譜如圖3所示。由圖3可知：最大的峰值頻率分別為10.9 Hz和63.1 Hz，這與舒適性評價出現(xiàn)明顯波峰頻率較吻合。

圖  3  地板局部垂向振動速度頻譜

由船舶結構和使用工況可知，10.9 Hz頻率與螺旋槳葉頻激振頻率相吻合，63.1 Hz頻率與柴油機整機發(fā)火頻率相吻合。螺旋槳葉頻激振頻率和柴油機整機發(fā)火頻率為地板的主要振源，柴油機或螺旋槳產(chǎn)生的激振力傳到船體，再由船體傳給餐廳地板，建議重點排查螺旋槳槳葉。

2.   結構排查

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果，重點排查了螺旋槳，并對柴油機中的部分缸頭活塞進行了換新。結果發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳葉和艉軸上存在藤壺、牡蠣等大量海洋附著生物，并沒有發(fā)現(xiàn)其他異常。隨后對海洋附著生物進行鏟除。經(jīng)過上述治理，對船出船塢后再次進行了振動信號采集，測試前后工況一致，改進后的振動加速度級和振動速度級1/3倍頻程譜線數(shù)值如表4所示。

測試可得加速度和速度均方根分別為144.68 mm/s2和3.99 mm/s，結果均處于輕微振動上限值與嚴重振動下限值之間，振動情況在可接受范圍內(nèi)。由表4可知：在中心頻率10 Hz處，振動加速度級由原來的94.50 dB降低到78.62 dB，振動速度級由原來的123.45 dB降低到110.92 dB；在中心頻率63 Hz處，振動加速度級由原來的102.08 dB升高到102.96 dB，振動速度級由原來的131.02 dB升高到131.09 dB，海洋附著生物鏟除后中心頻率10 Hz附近振動加速度級和振動速度級明顯得到改善。

3.   結論

對地面甲板異常振動區(qū)域進行分析，發(fā)現(xiàn)地面甲板異常振動與螺旋槳激振力增大有關。螺旋槳激振力增大的主要原因是海洋附著生物富集，導致螺旋槳表面粗糙度增大，改變了螺旋槳原有伴生流場，繼而造成激振力增大。將海洋生物鏟除后，餐廳地面甲板異常振動問題得到了明顯改善。

文章來源——材料與測試網(wǎng)