付 佳,徐智言,王 銘

（上海外高橋造船有限公司,上海 200137）

船舶在海上運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，劇烈的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件的疲勞損壞，妨礙機(jī)器和設(shè)備的正常使用，影響船上人員的工作與生活，這樣的振動(dòng)稱為有害振動(dòng)。為了限制船舶有害振動(dòng)的干擾與影響，保證船舶的安全運(yùn)營，國內(nèi)外的專家、學(xué)者、工程師以及科研機(jī)構(gòu)對此展開了大量理論、數(shù)值和實(shí)船驗(yàn)證等研究并制定了相關(guān)船舶振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國際上使用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是2000年12月由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織“機(jī)械振動(dòng)與沖擊”技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 108）SC2分技術(shù)協(xié)會(huì)（機(jī)械、車輛和結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)和沖擊的測量和評定）發(fā)布的ISO6954振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：《客船和商船適居性振動(dòng)測量、報(bào)告和評價(jià)準(zhǔn)則》[1]（以下簡稱ISO 6954:2000(E)）。這個(gè)版本相較于1984年版的ISO6954有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在考核內(nèi)容從對船體振動(dòng)的評估轉(zhuǎn)移到對人體舒適性的評估。

2016年12月，ISO/TC 108 SC2分技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了ISO20283-5:2016（E）《客船和商船適居性振動(dòng)測量、評價(jià)和報(bào)告準(zhǔn)則》[2]（以下簡稱ISO 20283-5:2016(E)）。新的標(biāo)準(zhǔn)將船員處所與乘客處所劃分得更為詳細(xì)，衡準(zhǔn)值較ISO 6954:2000(E)更嚴(yán)格，即提高了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，這為船廠設(shè)計(jì)建造滿足要求的船舶提出新的挑戰(zhàn)。此外，ISO 20283-5:2016(E)還針對裝有動(dòng)力定位裝置的船舶增加了動(dòng)力定位模式下的測量要求。

ISO 20283-5:2016(E)的提出無疑對船舶設(shè)計(jì)與建造提出了更高的要求，但目前國內(nèi)對最新振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究較少，尤其缺少對實(shí)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)考核。本文將對以上2種振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并分別采用新舊標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行考核，提出船舶振動(dòng)控制優(yōu)化方向，為設(shè)計(jì)人員理解新振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、采取降低船舶振動(dòng)措施提供參考。

1 振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對比

1.1 考核對象

ISO 20283-5:2016(E)與 ISO 6954:2000(E)的考核對象都是在1 Hz～80 Hz頻率范圍內(nèi)頻率加權(quán)匯總的振動(dòng)加速度或速度的有效值(Frequencyweighted RMS)，其加權(quán)系數(shù)見圖1。

圖1 頻率加權(quán)系數(shù)

2種標(biāo)準(zhǔn)都從舒適性角度衡量振動(dòng)問題，考慮人體對不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生的不同反應(yīng)程度。

1.2 考核區(qū)域

ISO 20283-5:2016(E)與 ISO 6954:2000(E)兩種標(biāo)準(zhǔn)都是對船舶的適居性進(jìn)行評估，考核區(qū)域?yàn)槿碎L時(shí)間工作或者休息的處所。ISO 6954:2000(E)僅將考核區(qū)域劃分為A、B、C 3個(gè)級別，即乘客房間、船員房間與工作處所。船廠在進(jìn)行試航大綱編寫工作時(shí)，常常由于對標(biāo)準(zhǔn)中區(qū)域類型定義混淆而導(dǎo)致出現(xiàn)考核區(qū)域選擇錯(cuò)誤或衡準(zhǔn)值界定不明等情況。新的標(biāo)準(zhǔn)對處所進(jìn)行明確的定義與分類，如表1所示，這給設(shè)計(jì)人員提供了明確的技術(shù)支持，避免出現(xiàn)上述錯(cuò)誤，并幫助船東與船廠在測量點(diǎn)選取時(shí)更易達(dá)成共識(shí)。

此外，ISO 20283-5:2016(E)中明確指出，機(jī)器區(qū)域不屬于人長期工作與生活區(qū)域，不應(yīng)包含在考核范圍內(nèi)。而在此之前，在進(jìn)行船舶試航大綱編寫時(shí)，是否將機(jī)器區(qū)域劃分到考核范圍內(nèi)一直是船東與船廠爭論的問題之一。

1.3 測量點(diǎn)類型與數(shù)量

ISO 6954:2000(E)中僅要求每層甲板測量點(diǎn)數(shù)量不少于2個(gè)，對測量點(diǎn)的處所類型沒有具體要求。而ISO 20283-5:2016(E)中要求對不同處所類型必須選取至少1個(gè)測量點(diǎn)，且每層測量點(diǎn)數(shù)量應(yīng)滿足表2中所占比例。

此外，ISO 20283-5:2016(E)中提出對于房間面積較大區(qū)域，例如駕駛室、集控室、餐廳、休息室等，測量點(diǎn)的數(shù)量不少于1個(gè)。

在編寫試航大綱時(shí)，船東與船廠對所選擇測量點(diǎn)的位置與數(shù)量應(yīng)達(dá)成共識(shí)，根據(jù)ISO 6954:2000(E)標(biāo)準(zhǔn)選取測量點(diǎn)時(shí)通常容易忽略工作區(qū)，即維修間、洗衣間等房間，而依照新的標(biāo)準(zhǔn)則必須保證每層甲板工作區(qū)測量點(diǎn)數(shù)量，從而為乘客與船員提供更為優(yōu)質(zhì)的生活與居住環(huán)境。

1.4 測量條件

船舶進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，ISO 6954:2000(E)提出如下要求：

表1 ISO 20283-5:2016(E)中處所的定義與分類

表2 推薦測量點(diǎn)

（1）測試時(shí)，船舶應(yīng)向前以穩(wěn)定航速直線航行；

（2）主機(jī)處于典型持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率狀態(tài)；

（3）試航測試應(yīng)在不高于3級海況下進(jìn)行；

（4）螺旋槳應(yīng)完全浸沒；

（5）測試水深應(yīng)不低于船舶5倍吃水。

新的標(biāo)準(zhǔn)在ISO 6954:2000(E)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改與補(bǔ)充，其中將第（2）條修改為“推進(jìn)裝置持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率為在合同中通常航行狀態(tài)下功率”，且“試航時(shí)推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)速設(shè)置恒定”，并增加“船上所有系統(tǒng)應(yīng)處于正常額定工作狀態(tài)（例如空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、輔機(jī)、穩(wěn)定裝置等系統(tǒng)）”的要求。這樣修改考慮到部分不以主機(jī)為推進(jìn)裝置的商船的振動(dòng)測試環(huán)境條件，且試驗(yàn)環(huán)境與船舶運(yùn)營情況相符。

此外，ISO 20283-5:2016(E)新增加了對安裝動(dòng)力定位裝置（DP）船舶DP模式下對指定區(qū)域進(jìn)行測試的要求（所有參與DP工況的推進(jìn)裝置應(yīng)同時(shí)在40%的功率下運(yùn)行，測量條件需要船東與船廠協(xié)商一致）。在此之前，試航大綱中并未考慮穿梭油輪等商船配備動(dòng)力定位系統(tǒng)這一特點(diǎn)。

1.5 衡準(zhǔn)評估

表3為ISO 6954:2000(E)中不同區(qū)域的振動(dòng)衡準(zhǔn)，其中高于上限值認(rèn)定為有害振動(dòng)，低于下限值為無害振動(dòng)，介于上下限值間的船上振動(dòng)環(huán)境，認(rèn)為在可接受范圍內(nèi)。

表3 ISO 6954:2000(E)振動(dòng)衡準(zhǔn)

ISO 20283-5:2016(E)中對于振動(dòng)衡準(zhǔn)將不再設(shè)下限值，只設(shè)上限值，當(dāng)測量結(jié)果超過衡準(zhǔn)值時(shí)則認(rèn)為船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害振動(dòng)。其次，ISO 20283-5:2016(E)中的衡準(zhǔn)值較ISO 6954:2000(E)的上限值有很大程度的降低，這也是設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的部分，如表4所示。

表4 ISO 20283-5:2016(E)振動(dòng)衡準(zhǔn)

對于具有2沖程、長沖程、低轉(zhuǎn)速的主機(jī)或細(xì)高型上層建筑等船舶而言，滿足上述要求無疑是對船舶的設(shè)計(jì)與建造提出新的挑戰(zhàn)。后文將根據(jù)船舶局部振動(dòng)實(shí)測結(jié)果對滿足兩種標(biāo)準(zhǔn)的難易程度進(jìn)行比較說明。

雖然ISO 20283-5:2016(E)的振動(dòng)衡準(zhǔn)要求高于 ISO 6954:2000(E)，但 ISO 20283-5:2016(E)中允許部分測量點(diǎn)測量結(jié)果超出衡準(zhǔn)值（測量點(diǎn)不包括駕駛室與集控室），即對于單層甲板，當(dāng)測量點(diǎn)少于5個(gè)時(shí)，不允許有超過衡準(zhǔn)值區(qū)域；當(dāng)測量點(diǎn)為5～9個(gè)時(shí)，允許有一個(gè)測量點(diǎn)測量值超出衡準(zhǔn)值的0.5 mm/s范圍內(nèi)；當(dāng)測量點(diǎn)不少于10個(gè)時(shí)，允許超出范圍如表5所示。

表5 甲板區(qū)域衡準(zhǔn)允許超出范圍

2 實(shí)測對比結(jié)果

本文以兩艘裝備長沖程、低轉(zhuǎn)速主機(jī)、上層建筑為細(xì)高型船舶為例，即以31.8萬噸級VLCC船和20.8萬噸級散貨船為例來進(jìn)行對比。圖2、圖3為兩艘船舶在壓載吃水工況下船體局部振動(dòng)測試數(shù)據(jù)。

圖2 31.8萬噸級VLCC船局部振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

圖3 20.8萬噸級散貨船局部振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

從以上兩艘船舶試航實(shí)測數(shù)據(jù)中可以看出，按照ISO 6954:2000(E)的衡準(zhǔn)要求進(jìn)行考核，在對VLCC船抽查的28個(gè)區(qū)域、對散貨船抽查的17個(gè)區(qū)域中，測量振動(dòng)響應(yīng)值全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但按照ISO 20283-5:2016(E)的衡準(zhǔn)要求，VLCC船有2個(gè)測量點(diǎn)超出衡準(zhǔn)限值，散貨船中有9個(gè)測量點(diǎn)超出衡準(zhǔn)限值。這些超標(biāo)區(qū)域大多分布在駕駛室和上層建筑中船員生活艙室，該部分衡準(zhǔn)值分別由原來的8 mm/s與6 mm/s降低到5 mm/s與3.5 mm/s。

為了保證新建船舶能夠滿足最新振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟識(shí)和正確使用新振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合船型特點(diǎn)、主機(jī)特性與結(jié)構(gòu)形式等因素，對船舶振動(dòng)水平進(jìn)行評估、計(jì)算與分析，采取經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)防措施，避免船舶出現(xiàn)超標(biāo)振動(dòng)情況，建議從以下幾個(gè)方面展開研究，從而控制船舶振動(dòng)響應(yīng)水平。

（1）修改艙室布置、結(jié)構(gòu)布置與尺寸，改變結(jié)構(gòu)固有頻率；

（2）調(diào)整主機(jī)轉(zhuǎn)速、缸數(shù)、螺旋槳葉數(shù)，改變激振源激振頻率；

（3）優(yōu)化尾部型線與螺旋槳設(shè)計(jì)，降低螺旋槳激振力；

（4）增設(shè)主機(jī)頂撐，改變機(jī)架固有頻率，防止機(jī)架橫向共振，減少機(jī)架振動(dòng)對船體的二次激勵(lì)；

（5）增設(shè)振動(dòng)補(bǔ)償器等。

3 結(jié)語

本文對船舶振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ISO 20283-5:2016(E)與ISO 6954:2000(E)進(jìn)行對比研究，并將兩艘具有長沖程、低轉(zhuǎn)速主機(jī)、上層建筑為細(xì)高型船舶振動(dòng)測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，從對比結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)對船舶的設(shè)計(jì)、建造水平提出了更高的要求，原本滿足舊標(biāo)準(zhǔn)建造的船舶在新標(biāo)準(zhǔn)下會(huì)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況。這需要船舶設(shè)計(jì)和建造人員將ISO 20283-5:2016(E)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容理解透徹、熟練掌握，采取積極合理的應(yīng)對措施，使新建船舶滿足船舶振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最新要求，保障船舶順利交付，讓我國成為真正的世界一流船舶強(qiáng)國。

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