曹 博，劉水根

應用研究

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）

本文針對某鋼制雙體船在航行試驗時軸系出現異常噪聲的現象進行了分析研究。根據軸系布置，通過分析造成軸系異響的因素，制定軸系異響故障排查方案，進行了軸系排查測試。根據排查結果，確定導致軸系異響的原因為螺旋槳鳴音，并對螺旋槳鳴音機理進行分析，最終確定通更換槳葉來解決軸系異響。

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故障的標志，輕微異響或導致較大噪聲，若不進行處理，則會加劇其它零件的磨損，嚴重異響不僅會產生較大噪聲，甚至影響軸系運轉，導致安全事故。某船為鋼制雙體船，采用雙機雙槳、雙軸系、左右對稱布置。在進行航行試驗時，軸系出現異常噪聲。本文對船舶航行時的軸系異響進行研究，排查致軸系異響故障的原因，對其進行分析，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準進行控制。船舶噪聲主要包括螺旋槳噪聲、船體振動噪聲、通風系統(tǒng)噪聲、輔助機械噪聲、液壓沖擊噪聲、柴油機燃燒噪聲、空氣動力噪聲、排氣噪聲、激勵葉片振動噪聲等。按照途徑主要分為三種：空氣聲，動力或輔助機械設備直接向空氣中輻射噪聲；結構聲，機械的振動能量沿固體結構傳播到船體各部位，然后再向外輻射；水下噪聲，船體振動或螺旋槳擾動的向水下輻射。

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噪聲等。當軸系出現異響，需要及時排查原因，分析其對航行安全的影響，制定解決方案或改進措施。

1.1 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲主要包括旋轉噪聲和空氣噪聲（當槳葉表面的水分子壓力降低到水的汽化壓力時，產生氣泡，氣泡上升后破裂）。旋轉噪聲是螺旋槳在不均勻流場中工作引起干擾力和螺旋漿機械不平衡引起的干擾力（軸頻）所產生的噪聲?？諝庠肼暰哂羞B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。在一定轉速下，隨著螺旋槳葉片旋轉產生的渦旋的頻率與槳葉固有頻率相近時，產生螺旋槳鳴。

1.2 船體振動噪聲

船舶軸系在工作過程中，可能產生扭轉振動、縱向振動和橫向振動三種振動形式。扭轉振動是主機通過軸系傳遞功率至螺旋槳，造成各軸段間的扭轉角度不相等，軸段來回擺動產生的；縱向振動主要是因螺旋槳推力不均勻造成的；橫向振動主要是由于轉軸不平衡引起的，包括各軸承徑向支撐及其基座振動。對于扭轉振動而言，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。對于縱向振動和橫向振動，產生噪聲來源于軸系部件與軸的摩擦碰撞。

2 故障說明

某船為鋼制雙體船，主推進系統(tǒng)采用電力推進，雙機、雙槳、雙軸系、左右對稱布置，推進電機經高彈性聯(lián)軸器、推力軸、螺旋槳軸（艉軸）傳動驅動螺旋槳，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

在航行過程時，左、右舷推進電機艙出現異常噪聲，具體表現為左舷進三及以上工況有凸顯聲音，其他工況正常；右舷進二工況有輕微響聲，進三、進五工況有凸顯聲音，進一、進四無異常聲音。

3 軸系異響故障分析

3.1 軸系異響排查方向

根據軸系出現的異響，按照可能導致軸系異響的因素，確定排查方向：

1）推進電機艙及附近艙室船體結構或舾裝件（基座、梯子、馬腳、管卡）等安裝緊固出現問題，在軸系運行過程中發(fā)生振動出現異響；

2）軸系施工質量問題，軸系接地裝置、軸系制動裝置、艉軸密封裝置等設備安裝不當，在軸系運轉過程中與軸系干涉摩擦發(fā)出異響；

3）螺旋槳或導流罩舷外部分纏繞異物，軸系運轉過程中與結構摩擦或撞擊產生異響；

4）槳軸匹配不當，螺旋槳旋轉過程中動態(tài)不平衡，產生振動后傳遞至艙內，發(fā)生異響；

5）共振問題，推進系統(tǒng)及附屬設備振動頻率與軸系振動頻率相近產生共振，發(fā)生異響。

3.2 軸系排查測試

3.2.1 推進電機艙及附屬結構焊接情況檢查

1）檢查尾部壓載艙及左右舵機艙的結構焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況；

2）檢查推進電機艙內直梯、管系電纜支架等舾裝件的焊接安裝，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況；

3）檢查推進電機的基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況；

4）檢查推力軸承基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況；

5）檢查軸系制動器基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況；

6）檢查軸系接地裝置基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結構松動等情況。

3.2.2 軸系施工質量排查

1）檢查艉密封裝置安裝情況，檢查氣胎壓力；艉密封裝置動、靜環(huán)配合靈活，無卡滯現象，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、無雜質與干涉；

3）檢查軸系剎車裝置安裝間隙情況，軸系制動裝置應處于松開狀態(tài)，與艉軸四周間隙均勻、無雜質與干涉；

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）檢查推進電機的安裝情況，檢查底部隔振器、限位器、機腳螺栓是否擰緊。

3.2.3 螺旋槳及導流罩檢查

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 檢查軸系對中情況

1）檢查艉軸與推力軸承的對中情況

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電機的對中情況

拆除高彈性聯(lián)軸器，檢查推力軸承與推進電機的對中情況，對中結果滿足偏移≤0.05 mm，曲折≤0.10 mm/m。

3.2.5 軸系及相關設備振動測量

1）軸系的扭振測量

在螺旋槳軸上粘貼應變計，安裝信號調制及無線發(fā)射模塊，軸系運行時從30 r/min～120 r/min，進行軸功率測試，測試數據詳見表1。軸系扭振測試結果表明軸系運行未見異常，扭振應力遠小于許用應力，沒有轉速禁區(qū)，符合規(guī)范要求。

表1 主機軸功率測試數據

2）軸系橫振測量

在左舷和右舷艉軸上布置激光傳感器，把信號接入泰斯特振動測量分析儀，分別在29.8 r/min(雙機進一)、54.7 r/min（雙機進二）、72.6 r/min（雙機進三）、94.5 r/min（雙機進四）和119.4 r/min（雙機進五）時測量。通過對測試數據分析，在頻域圖中，測到的1諧次振幅比較平穩(wěn)，無明顯的波動，轉速－振幅及典型波形見圖2和圖3；測到的5諧次振幅比較平穩(wěn)，無明顯的波動，轉速－振幅及典型波形見圖4和圖5。

3）推進電機艙空氣噪音測量

測量不同工況下左、右舷推進電機艙和艉尖艙振動及噪音，具體試驗工況如下表2所示。測試的空氣噪聲值滿足相關空氣噪聲指標要求足（GJB4000-2000中的038.4.2.3規(guī)定的噪聲限值），與同型號其他船相當。

圖2 左舷艉軸1諧次轉速－振幅及典型波形圖

圖3 右舷艉軸1諧次轉速－振幅及典型波形圖

圖4 左舷5諧次轉速－振幅及典型波形圖

4）相關設備振動測量

對船尾部結構進行了振動測試，運行工況為單機、雙機進一至進五工況及退三工況，具體測點布置見圖6，測試結果表明推進系統(tǒng)及附屬設備未出現明顯振動。

圖5 右舷5諧次轉速－振幅及典型波形圖

表2 試驗工況

圖6 推進電機艙結構測點布置示意圖

3.3 排查結果分析

排查結果表明軸系運行未見異常，扭振應力遠小于許用應力，無轉速禁區(qū)，兩舷軸系可安全使用；通過對軸系及其附屬系統(tǒng)安裝質量檢查，軸系對中及附屬設備安裝滿足設計要求；推進電機、推力軸承、推進變頻器、推進變壓器等設備在各工況下運行正常，溫度、壓力、電流電壓等未出現報警等情況；艉軸密封裝置泄漏量及殼體溫度正常。

通過對上述測量結果分析，尾部軸系區(qū)域結構安裝完整、軸系運行時監(jiān)測數據正常，輔機運行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設計要求，軸系運行安全。

該振動偏大現象與軸系運轉有關，軸段是傳遞通道之一，引起振動阻尼較小，初步排除船體結構引起的流激振動的影響，且推進電機艙空氣噪聲在操舵時有明顯下降。綜合上述數據分析結果，初步判斷艉部噪聲偏大是由螺旋槳鳴音引起。

4 螺旋槳鳴音機理

卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學中所研究的重要現象，在自然界中常可遇到，如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪等時會產生漩渦誘發(fā)振動。1911年，T.von卡門把這種現象與一條穩(wěn)定交錯排列的漩渦形成聯(lián)系在一起，稱為為卡門渦街。在一定條件下的定常流繞過某些物體時，將發(fā)生邊界層分離，物體兩側會出現兩列有規(guī)則的漩渦列，兩列漩渦旋轉方向相反、排列規(guī)則的，開始時這兩列漩渦分別保持自身的運動前進，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和物體的相互作用，成為誘發(fā)振動效應的根據[1]。

同理，當槳葉的固有頻率與卡門渦頻率一致時，也會引發(fā)共振?？ㄩT渦街交替脫落時會產生振動，并發(fā)出聲響效應，這種聲響是由于卡門渦街周期性脫落時引起的流體中的壓強脈動所造成的聲波。如果渦街交替脫落頻率與物體的聲學頻率相重合，會引發(fā)聲學共振[2]。

由于船尾伴流場的復雜性，界層分離程度及分離點的位置是變化的，在設計螺旋槳時，很難用理論計算的方法對鳴音問題進行預報。同時，產生螺旋槳鳴音的原因除了主要的卡門渦街外，還與空泡現象造成的振動和葉片顛振有關。對于空泡現象造成的振動鳴音，一般出現在無空泡腐蝕的螺旋槳上，此時鳴音最強。當螺旋槳上剛產生空泡時，鳴音開始減弱，空泡一發(fā)展，鳴音隨即消失。

5 軸系異響處理方案

通過對上述測量結果分析，尾部軸系區(qū)域結構安裝完整、軸系運行時監(jiān)測數據正常，輔機運行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設計要求，軸系運行安全，初步判定該空氣噪聲為螺旋槳鳴音引起。螺旋槳鳴音對船舶總體性能沒有太大危害，但是會影響船員工作及生活的舒適性，同時會對船舶隱身性能造成影響。

通過螺旋槳鳴音機理分析可知，螺旋槳鳴音是由于卡門渦誘發(fā)的非定常流體升力對螺旋槳槳葉隨邊造成激勵作用的流體動力學彈性共振問題，可以通過改變共振頻率或螺旋槳自身的固有頻率來消除共振，即可通過增大螺旋槳阻尼或對螺旋槳的隨邊進行處理來解決螺旋槳的鳴音問題[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. 螺旋槳鳴音產生機理及防治方法[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, 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