盧永勇,朱春雷,盧 斌,郭冬雪

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,江蘇 南京 210015)

0 引言

隨著民用船舶逐漸大型化,推進(jìn)系統(tǒng)軸系的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng),振動(dòng)問題更加突出,振動(dòng)控制的難度也相應(yīng)增大。非正常振動(dòng)會(huì)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害,因此必須將軸系的振動(dòng)控制在較低范圍。

目前軸系振動(dòng)的判斷主要以軸系的振動(dòng)計(jì)算為主,如扭振計(jì)算、縱振計(jì)算等,并由廠家在設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)措施。最終的理論計(jì)算盡管滿足廠家或規(guī)范要求,但實(shí)際仍可能會(huì)超出計(jì)算結(jié)果[1]。

本文以某滾裝船57.8 m的超長(zhǎng)軸系為研究對(duì)象,分析軸系異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因和解決方案,驗(yàn)證SAVD對(duì)長(zhǎng)軸系異常振動(dòng)的減振效果。

1 縱向振動(dòng)問題

某滾裝船主機(jī)采用二沖程9S50ME-C,其軸系為雙軸系,對(duì)稱布置,軸系長(zhǎng)度57.8 m,布置圖見圖1(僅以單軸系示意)。

1—CPP可調(diào)槳;2—艉管;3—艉管前密封;4—中間軸;5—配油環(huán);6—螺距反饋器;7—中間軸承;8—中間軸;9—法蘭;10—軸帶發(fā)動(dòng)機(jī);11—主機(jī)。

軸系振動(dòng)計(jì)算顯示,軸系各項(xiàng)振動(dòng)并不超標(biāo),符合廠家接收要求。在實(shí)船試航過程中,發(fā)現(xiàn)隨著推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)荷的加大,軸隧噪聲漸大;當(dāng)軸功率大于85%MCR時(shí),螺距反饋裝置的螺距指針縱向振動(dòng)大。經(jīng)測(cè)量,配油環(huán) (Oil Distribute Box,OD Box)的振動(dòng)值高達(dá)37 mm/s以上,有肉眼可見的縱振。

對(duì)于軸系OD Box振動(dòng)值,各大船級(jí)社沒有明確的考核標(biāo)準(zhǔn),部分船級(jí)社僅有籠統(tǒng)的指標(biāo),如：意大利船級(jí)社(RINA)規(guī)范要求軸系廠家確認(rèn)即可;美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范要求軸承振動(dòng)不超過7mm/s,其他部件不超過13mm/s。ISO 4867—1984沒有規(guī)定OD Box的振動(dòng)限值。軸系制造廠家也無針對(duì)OD Box的明確技術(shù)指標(biāo),部分廠家僅有經(jīng)驗(yàn)值,如15 mm/s以下。但本文研究的滾裝船的OD Box振動(dòng)值最高達(dá)37mm/s,已遠(yuǎn)超常規(guī)值,因此必須將振動(dòng)值降低至廠家可以接受的狀態(tài)。

2 振動(dòng)原因分析及解決方案探討

2.1 縱向振動(dòng)產(chǎn)生的原因

分析主機(jī)轉(zhuǎn)速與縱振關(guān)系曲線后,發(fā)現(xiàn)軸系產(chǎn)生縱振的原因主要來自主機(jī)6階振動(dòng),并和軸系產(chǎn)生耦合振動(dòng)所致。主機(jī)轉(zhuǎn)速在110 r/min時(shí),共振頻率為11.0 Hz,OD Box的最大縱向振動(dòng)達(dá)到24 mm/s;117 r/min時(shí),共振頻率為11.7 Hz,OD Box的最大縱向振動(dòng)達(dá)到37 mm/s。此值大于一般范圍的5～15 mm/s,超出廠家的接受范圍。

2.2 解決軸系振動(dòng)問題的方案探討

根據(jù)軸系振動(dòng)的原因,擬定了多種減振措施,如設(shè)置主機(jī)縱向支撐、主機(jī)機(jī)身安裝振動(dòng)補(bǔ)償器、調(diào)整主機(jī)發(fā)火順序和主機(jī)軸向振動(dòng)阻尼器(AVD)安裝位置、軸系配重、基座及周圍結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等方案。

實(shí)際操作中,首先設(shè)置了主機(jī)縱向支撐,但主機(jī)縱向支撐因受力的船體結(jié)構(gòu)剛度不足而無效。若對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)則會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙設(shè)備布置及管路電裝大面積修改,時(shí)間及成本代價(jià)太大。主機(jī)機(jī)身安裝振動(dòng)補(bǔ)償器后,試驗(yàn)表明主機(jī)的振動(dòng)相位與軸系的相位相反：主機(jī)振動(dòng)下降時(shí)軸系振動(dòng)反而上升,軸系振動(dòng)下降時(shí)主機(jī)振動(dòng)上升,因此無法同時(shí)滿足主機(jī)廠家和軸系廠家的要求?；敖Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)的方案可以提高接地剛度,但對(duì)于完工船舶,代價(jià)太高,此方案不可實(shí)施。

經(jīng)過進(jìn)一步的分析,決定在軸系上安裝SAVD,修改后的軸系部分布置圖見圖2。理論分析SAVD的使用可以降低30%～70%軸系振動(dòng),見圖3。

1—艉管前密封;2—SAVD;3—中間軸;4—OD Box;5—螺距反饋器;6—中間軸承;7—中間軸;8—法蘭。

圖3 SAVD減振效果分析

3 縱向阻尼器SAVD的應(yīng)用

3.1 SAVD簡(jiǎn)介

SAVD為軸向振動(dòng)阻尼器(Axial Vibration Damper,AVD)的拓展應(yīng)用。AVD常用于主機(jī)曲軸的縱向減振,是一種成熟的主機(jī)減振措施。AVD裝于主機(jī)內(nèi)部曲軸的自由端,承受曲軸縱向激勵(lì)并轉(zhuǎn)移至主機(jī)機(jī)架傳遞至船體結(jié)構(gòu),以降低主機(jī)縱向振動(dòng)。SAVD為裝于軸系上的AVD,工作原理與AVD相同,主要承受軸向力,通過基座與船體結(jié)構(gòu)相連,將軸向力傳遞到船體結(jié)構(gòu),從而降低軸系縱向振動(dòng)。SAVD結(jié)構(gòu)同AVD,包含運(yùn)動(dòng)件和固定件,可由主機(jī)廠家設(shè)計(jì)及供貨,按軸系直徑承受縱向負(fù)荷的大小進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),分為上下兩半圓部分,可不受軸端法蘭影響安裝在軸上。運(yùn)動(dòng)件以過盈配合的方式固定于軸上,隨軸系旋轉(zhuǎn),另一部分固定于與船體結(jié)構(gòu)焊接的基座上,承受軸系激振力。SAVD的運(yùn)動(dòng)件和固定件之間有一定的間隙形成油腔,充滿滑油;滑油兼具液壓油的功能,從而將軸系激振力傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。SAVD的運(yùn)動(dòng)件和固定件的間隙大小設(shè)定與軸系長(zhǎng)度及軸系運(yùn)行時(shí)的縱向位移量相關(guān),應(yīng)適當(dāng)大于軸系的縱向位移量。具體值由廠家根據(jù)軸系狀態(tài)計(jì)算后確定,以確保SAVD運(yùn)動(dòng)件和其固定件不發(fā)生物理接觸。

SAVD的安裝位置在軸隧空間許可的情況下盡可能遠(yuǎn)離主機(jī),以達(dá)到最大減振效果。具體位置由推進(jìn)系統(tǒng)廠家經(jīng)理論計(jì)算后給出推薦位置,與船廠共同確定。SAVD安裝示意圖見圖4。

1—船體結(jié)構(gòu)基座;2—阻尼片;3—滑油進(jìn)口;4—SAVD本體;5—SAVD安裝螺栓。

本船需外設(shè)滑油系統(tǒng)為SAVD運(yùn)動(dòng)部分和固定部分提供潤(rùn)滑,滑油壓力大小的設(shè)定與軸系軸向力相關(guān)?；拖到y(tǒng)由用戶根據(jù)自身情況選擇：可以與主機(jī)滑油系統(tǒng)共用,對(duì)原主機(jī)滑油系統(tǒng)加支路,壓力基本與主機(jī)滑油系統(tǒng)壓力一致;也可以設(shè)獨(dú)立滑油系統(tǒng)?；拖到y(tǒng)含供油泵組、泄放泵組(泵組排量較小,10～20 L/min,壓力為200～1 000 kPa)、泄放柜、調(diào)壓閥、儀表、傳感器等,見圖5。

1—濾器;2—滑油供給泵組;3—SAVD;4—泄放泵組;5—泄放柜。

SAVD的阻尼設(shè)定可通過增減阻尼片數(shù)量來調(diào)節(jié)。每次對(duì)阻尼片數(shù)量調(diào)整后,需要監(jiān)測(cè)OD Box的振動(dòng)值,根據(jù)最大減振效果來最終確定阻尼片數(shù)。滑油系統(tǒng)油壓的大小一般為200～300 kPa,根據(jù)減振效果微調(diào)油壓值。如：本船長(zhǎng)軸系所裝SAVD承受的軸向力為80 kN,最大值為110 kN,最佳減振阻尼所對(duì)應(yīng)的油壓為240 kPa。系統(tǒng)壓力來自滑油泵,泵的壓頭應(yīng)適當(dāng)大于系統(tǒng)所需壓力。

3.2 加裝縱向阻尼器實(shí)測(cè)效果

本船通過多次對(duì)比試驗(yàn)找到最佳阻尼/壓力設(shè)定值。幾種阻尼值對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)SAVD對(duì)軸系縱向振動(dòng)和徑向振動(dòng)都有減振效果,見表1和圖6;但對(duì)船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)改善和影響較小,可以忽略,見圖7。兼顧對(duì)徑向振動(dòng)的影響,綜合對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在默認(rèn)阻尼狀態(tài)下,減振綜合效果最好。

表1 在110、117 r/min下SAVD關(guān)閉和運(yùn)行(默認(rèn)阻尼)狀態(tài)下的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖6 不同阻尼對(duì)軸系縱向振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比值

圖7 不同阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比值

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示,在默認(rèn)阻尼下SAVD運(yùn)行后,軸系縱向振動(dòng)降幅效果最好,最高達(dá)76%;振動(dòng)狀態(tài)滿足廠家要求,徑向振動(dòng)也有所改善。

3.3 縱向阻尼器優(yōu)點(diǎn)

(1)可以在設(shè)計(jì)階段作為軸系縱向減振措施。軸系振動(dòng)包含扭振、縱振、回旋振動(dòng)、耦合振動(dòng)等,船舶設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)、軸系設(shè)計(jì)、軸系布置、主機(jī)特性等對(duì)軸系振動(dòng)做分析計(jì)算,若發(fā)現(xiàn)軸系存在縱向振動(dòng)過高的可能性,可以考慮加裝軸系縱向減振裝置,隨船舶設(shè)計(jì)、建造工作一起開展。

(2)可以在船舶建造完成后作為軸系縱向減振補(bǔ)救措施。因?yàn)檩S系振動(dòng)計(jì)算與實(shí)際會(huì)有偏差,船舶設(shè)計(jì)時(shí)以計(jì)算結(jié)果核查或送審,實(shí)船建造完成后是否會(huì)出現(xiàn)超常振動(dòng)并不能完全通過計(jì)算排除,此方案可以對(duì)完工狀態(tài)的船舶長(zhǎng)軸系實(shí)現(xiàn)縱向減振,同時(shí)可避免對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。

(3)SAVD設(shè)計(jì)前需要再次精確測(cè)量軸系安裝部位的軸徑,以設(shè)計(jì)SAVD的內(nèi)徑與之匹配。縱向減振器分為2個(gè)半圓結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)不拆軸。軸的裝配部位表面無需再機(jī)加工,可以直接在軸上完成縱向減振器的安裝。船體結(jié)構(gòu)不改變?cè)性O(shè)計(jì),只是在原有結(jié)構(gòu)上為縱向減振器設(shè)置基座,再在基座所處的船體結(jié)構(gòu)上做必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng),承受及分布來自縱向減振器的激振力。

(4)相比其他減振方案,該方案成本低,普適性好。實(shí)際工作中無論是大面積改變船體結(jié)構(gòu)以改變固有頻率還是修改軸系設(shè)計(jì),代價(jià)均遠(yuǎn)高于直接加裝軸系減振器。

(5)縱向阻尼器減振效果好,能適應(yīng)多種原因產(chǎn)生的振動(dòng),且對(duì)其他方向也有明顯的減振效果。因?yàn)镾AVD是通過結(jié)構(gòu)基座與船體結(jié)構(gòu)相連接,不僅承受縱向力,也承受徑向力,故對(duì)橫向、垂向振動(dòng)都有降低作用。

4 結(jié)語

振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有很多,如螺旋槳的激勵(lì)、主機(jī)的振動(dòng)、主機(jī)與軸系的共振、船體結(jié)構(gòu)剛度等。原因分析需基于大量的測(cè)量數(shù)據(jù),如振動(dòng)值、對(duì)應(yīng)的頻率值、振動(dòng)方向、各振動(dòng)源的測(cè)量、振動(dòng)源的確定等。解決問題的方法也是多樣的,如改善船體結(jié)構(gòu)剛度、軸系布置的修改、主機(jī)機(jī)身的減振等。加裝SAVD的方案相對(duì)其他方案效果明顯,成本相對(duì)較低,在船舶建造完成后也可以進(jìn)行減振改裝,且對(duì)多種原因引起的振動(dòng)均具有一定的效果,可以作為長(zhǎng)軸系船舶的降低縱振的重要方案。