某破冰船船體振動故障分析及排除

劉洪賀，洪 哲

(92538部隊裝備部，遼寧大連 116041)

0 前言

某破冰船裝備9ESDZ43/82B柴油機2臺，額定轉速200 r/min。中修后較長一段時間內，在后甲板、機艙等區域出現了較強烈的振動現象。在修理過程中，處理超出標準的振動比較棘手，涉及到船機槳諸方面因素。究其根源，與原始建造、歷次修理、平時管理等都有密切的關系。船舶主輔機、軸系及螺旋槳都有可能是引發船體振動的策源地，爆發的時機、條件都各有其特點，而且振動存在一定的潛伏期，會隨著時間的推移、工作條件、人工維護的不同而發生。

在船舶修理過程中分析判斷振動加劇的原因，提出消除振動加劇的方法，很有探討的必要性。現以某破冰船為例，將其振動故障的發生原因、分析、解決故障過程綜述如下。

1 故障現象

某船主機在85 r/min、125 r/min時，船體無明顯振動現象，當主機加速至165～175 r/min速時，船體后甲板振動劇烈。機艙2臺主機缸頭附件振動明顯，6臺增壓器抖動明顯，其支架底座固定螺栓有震斷現象，排煙管振動明顯，機艙3 m3氣瓶也發生明顯的振動。但主機缸頭以下振動不明顯，機體也無異常振動。機艙內軸系的感覺振動不明顯，2個艉軸填料函工作正常。當轉速下降至160 r/min或轉速上升至180 r/min后，振動現象立即消失。另外，該船原共振轉速為165 r/min左右，振動轉速區域出現擴大，振動明顯加劇，遠遠超過以往共振水平。

從實際效果看，該船的振動現象十分明顯且有害。振動部位的結構承受較大動載荷交變應力作用，在材料疲勞及應力集中的情況下很容易損壞，增壓器托架固定螺栓的斷裂就是證明;其次，超標的振動極大地影響動力設備相關檢測設備正常使用，如儀表等提前損壞;再就是振動產生的附加力矩及共振所引發的抖動、噪音，不僅導致該船戰技術性能指標下降，而且對艦員也造成極大的傷害。

2 故障分析

如何處理船體的振動問題，船舶修理階段所側重的內容與建造階段是有較大區別的。一條船從入役在航到退役，大致有二十余年的時間，如果它在服役的某個時期突然發生了明顯船體振動，其原因發生在造船階段，發生在船舶管理中或在離它較近的修理中。

從船舶修理的角度分析，引起船體振動有下列因素:①船體固有特性發生變化，如修理中有較多構架的修換或因腐蝕、殘余應力導致的船體強度下降或變形;②軸線的對中準確性超差，如海損、擱淺等造成的船體變形對軸線的對中產生影響;③修理中軸系附近大量換板對軸線的對中產生影響，或者是軸線對中檢查有誤，或者軸系本身彎曲、軸承的狀態不好等;④螺旋槳出現纏繞物、損傷或修補誤差，導致偏心質量的出現;⑤主機各缸功率不平衡、主機修理換件不符合要求等，這里也有動力裝置管理的問題;⑥相關動力裝置零部件的損壞、松動等影響。發現故障后，先判斷振動的性質，然后分析找出原因，最后給予合理的處置。但無論是在船舶的建造階段，還是在使用階段，對振動的處理原則都是減少振動幅度，降低響應效果，力求避免共振。另外，從修理角度出發，引起船舶振動的策源地都要結合修別和使用情況，給予正確的鑒定及修理。在修理過程中，關鍵把握修理的級別、工程的范圍，如果修理不當，則會產生或加重振動現象。

大多數振動問題都與柴油機動力裝置的振動有關，分以下幾種:①機體振動;②軸系的彎曲振動以及由此引起的艦尾或其它部位振動;③軸系的扭轉振動。為了更好地確定工程范圍，結合實際情況，做分析推理如下。

1)觀察機艙的振動情形。

機艙2臺主機缸頭附件振動明顯，但主機缸頭以下振動不明顯，機體也無異常振動。6臺增壓器抖動明顯，其支架底座固定螺栓有震斷現象，排煙管振動明顯。另外，機艙3 m3氣瓶也發生明顯的振動。從現象看，主機2臺機體無明顯振動現象，說明在工作轉速范圍內，主機機體沒有發生共振或說明主機工作很正常。檢查2臺主機各缸工作參數，爆壓、排溫都比較正常，說明主機各缸噴油量比較均勻，各缸實際的側壓力基本一致，而機座的固定螺栓也無松動，說明柴油機的顛覆擺振應在標準范圍內。

2)2臺主機增壓器在主機165～175 r/min抖動劇烈，特別它的進排氣管。

增壓器支架底座固定螺栓振斷，說明固定螺栓受到了不正常的外力作用。由于主機缸頭的振動只是局限于附件的振動，如各種卡子、管路等。所以，增壓器支架固定螺栓所受外加剪切力應是增壓器施加的，應與主機無太大關系。外排煙管的抖動也應與增壓器本身有關。至于機艙3 m3氣瓶也發生明顯的振動，分析應是一種共振所致，振動源一時很難確定。

3)當主機加速至165～175 r/min時，船體后甲板振動劇烈。

由于主機、螺旋槳所產生的干擾力與船體的的質量和剛度相比小得多，因此，在非共振時，主機、螺旋槳等干擾力引起的應是振幅很小的總振動，后甲板乃至該船其它的部位應該沒有過于異常的振動感覺。從該破冰船的管理經驗來看，當時后甲板的振動相比以前而言是比較大的，應屬于一種較強烈的受迫振動，并引發的局部共振。欄桿及屬具有規律的擺動，則說明了這個問題。考慮機艙內軸系的振動無明顯感覺，2個艉軸填料函也工作正常。再加上主機很穩定，擾動力矩極可能是螺旋槳引發的。

4)軸系的扭轉振動。

從柴油機整個轉速段來看，柴油機車頭相關傳動齒輪沒有出現異常的沖擊或噪音，因此該破冰船動力裝置不存在扭轉振動。

由此，該船振動故障按作用部位區域的大小來分，應屬于局部振動，如后甲板框架及增壓器、機艙個別裝置的振動。按其振動程度不同來分，可分為強迫振動及共振，如增壓器固定座、增壓器進排煙管等的振動屬于一種強迫振動，機艙氣瓶、后甲板及相關屬具等就屬于強迫振動下引發的一種共振。按干擾力性質來分，應是一種周期性振動。考慮以前該破冰船是沒有振動現象的，柴油機運轉又是正常的，因此，查找振動源的范圍可大大縮小。

綜合上述分析，經檢查后確定修理方案如下:①進塢檢查螺旋槳使用情況，檢查艉軸間隙;②檢查中間軸支點瓦情況;③將軸系中間軸兩端聯接法蘭螺栓松開，重新找中;④臺增壓器拆修，轉子軸做動平衡。

檢查后發現:①2個螺旋槳銹蝕嚴重，各有1個槳葉 (4葉槳)存在不同程度的銹穿現象，局部有不同程度的缺損。經盤車檢查，艉軸間隙正常，均在修換標準范圍內。②打開左右中間軸支點瓦軸承。下軸承工作良好，摩擦面位置對中性良好，軸瓦接觸面積均正常。③水面狀態檢查左右軸系中間軸的對中狀態，將兩端法蘭螺栓松開，用一對卡子盤車檢查對中情況 (方法類似排軸法)，數據顯示正常。④對6臺增壓器分解、鑒定，對增壓器轉子做動平衡試驗。增壓器各部間隙均正常，其中轉子軸動平衡試驗，許用標準值為119 g·mm，而殘余不平衡量均低于其50%。

從檢查結果看，后甲板的振動原因基本明確，可以做如下解釋。

作為螺旋槳最終的檢驗，最好就是做動平衡檢測。而在船舶修理中，限于船廠條件，無法對螺旋槳進行動平衡試驗，只要求測量螺距及做靜平衡。

實際上，在螺旋槳運轉過程中，動平衡是否達標對正常運行更為重要。當螺旋槳出現由于擱淺或碰擊水下異物造成的彎曲、缺損時，就會導致螺旋槳動平衡超標。而動平衡超標后，螺旋槳就會直接或間接地對軸承、船體形成較大的周期性沖擊，使船體產生振動或共振。實際上，該船螺旋槳 (材質為鑄鋼)使用情況更為糟糕。首先，槳葉存在較大的缺損、變形。產生的偏心質量直接導致螺旋槳靜 (動)平衡超標。其次，2個槳都有1個槳葉出現大面積的銹穿，其它槳葉有局部的銹穿和銹蝕坑，這是典型的螺旋槳空泡腐蝕，其大大地破壞了螺旋槳的水動力特性。

從螺旋槳的原理來看，槳葉的作用可以看成是無數“葉片元”作用的總和，1個葉片元可以看成很短的翼，它在水下運轉，相當于翼片不動而海水以一定的速度和夾角向翼片沖來，在迎水面與背水面形成了壓力差，經疊加合成，形成對螺旋槳的推力。當葉片由于空泡腐蝕銹穿后，不僅造成推力的損失，而且大大地改變、干擾了螺旋槳葉片的水流場的分布，使得伴流場紊亂。并且各個葉片的推力差已嚴重超標，其合力的作用線偏移旋轉軸中心線，出現大小、方向都在變化的偏轉力矩，且在高轉速工況下達到最大。同時，螺旋槳旋轉過程中還會因為艉軸彎曲變形產生偏移甩頭，越發造成螺旋槳伴流場的紊亂，而且對舵葉的伴流場也造成極大的干擾破壞。最終，這個偏轉力矩及螺旋槳靜(動)平衡超標的存在，通過軸系的軸承及交變水動力周期性地作用到船體上，產生了交變縱向、橫向推力和力矩，再加上空泡的振動效應，進而導致該破冰船船體的顯著振動 (如果此時打舵角，振動會更大)。當轉速穩定時，相當于存在周期性的外加擾動力。后甲板的振動、后甲板欄桿及屬具有規律的擺動、機艙氣瓶等物體有規律晃動等，就是因為在主機加到某個轉速時，周期性外加擾動力頻率與它們的固有頻率相同或相近，出現了共振現象，外觀可以明顯看到振動的位移。可以斷定，由于螺旋槳的問題，加劇了該破冰船原共振效果，而且擴大了共振轉速范圍。

增壓器的檢查，特別易引發增壓器產生振動的轉子軸殘余不平衡量都在許可值范圍內，表明對增壓器及附屬煙管的振動原因判斷有誤，振動源并不是增壓器本身。那么增壓器振動是否也是螺旋槳引發的共振現象呢，分析認為這種可能性極小，因為這不符合柴油機的常規設計。另外在船體振動最嚴重的時候，2臺主機機體并不振動，而主機的工況參數始終是正常的，對增壓器的拆檢也未發現問題。對此，特別檢查了排煙總管的各固定支架，又檢查了至廢氣鍋爐的二路門開啟情況及傳動機構，結果都未發現問題。經研究，決定回裝增壓器，但在聯接增壓器出口排煙管時，檢查員偶然發現工人用葫蘆拉動排煙總管與增壓器出口進行裝配時，兩者法蘭大致錯開3 cm左右，排查其原因，應歸結到上次中修對相關部件回裝位置的偏差所致。

我們知道，現代船舶管系的聯接大多常用柔性聯接，主要目的就是消除安裝應力，特別與動力裝置的聯接更為重要。柴油機的排氣波脈動經常會引起排氣管及毗鄰結構的振動，如果排煙管為了裝配到位被強行施加外力，就等于被施加了預應力，煙管由于變形，相當約束的邊界條件發生了變化，其固有頻率會發生緩慢的偏移。另外，其煙道的流線型也發生了變化，對廢氣流產生附加阻力，廢氣流在流動中因產生的附加阻力而對排煙管形成脈動沖擊 (該型機增壓器采用脈沖增壓)，其轉速越高，脈沖頻率就越大。

可見，當排氣波脈動頻率與排煙管固有頻率(已發生變化)相近或相同時，排煙管發生共振。受排煙管共振牽聯影響，增壓器及廢氣進氣管，一并發生較強烈的振動，主機缸頭附件也會因此發生明顯振動。由于增壓器具有較大重量，其支架底座固定螺栓長時間受到交變剪切應力的作用后最終斷裂。

3 確定修理方案

1)螺旋槳的處理。該破冰船船體振動的原因在于螺旋槳的損壞，而螺旋槳的損壞則直接歸結于螺旋槳的空泡腐蝕或與其有較大的關系。由于原螺旋槳已無法修復，我們將螺旋槳換新并對新槳進行預處理，即在螺旋槳的迎水面涂抹玻璃鋼，以防止空泡腐蝕對槳葉的破壞。其玻璃鋼的配制、槳葉的清潔、光潔度處理及玻璃鋼的涂抹都嚴格按照相關工藝執行。

2)增壓器排煙總管的處理。將故障煙管結構全部進行了修正，消除了安裝應力，重新研配聯接法蘭，各固定支架全部換新并保證排煙管的牢固性。

3)2臺主機的局部調整。復核主機拐擋差，校準全部噴油器，各排溫表進行校準等等。

4 修后試驗及啟示

綜合上述情況，編制了該破冰船試車大綱。按試車大綱進行了系泊試驗及航行試驗，2臺主機順利地加至190 r/min，各性能參數正常。在共振轉速段，以往劇烈的共振現象也消失了，在其它常用轉速段，柴油機動力裝置工作也很正常，船體也未出現明顯的振動現象。至此，該破冰船船體振動故障得到較圓滿的解決。

可見，能夠引發船體振動的原因很多也較復雜，涉及到船機槳等諸方面因素。1條船舶服役后，各種級別的維修就不斷地發生。柴油機動力裝置的維修雖已經作為一門科學逐步得到全面的完善與提升，但落實到具體的維修內容上，會出現隨意性和盲目性，振動的出現大多是帶有潛移默化的特點，上述提到的船體振動故障，也不是中修出廠后就立即爆發的。即使排煙管安裝位置的偏差導致強行裝配，振動現象也不會立即出現，而是隨著時間的推移，安裝條件改變的影響才逐漸顯現出來。螺旋槳的問題也是同樣的道理。

因此，對于廣大的船舶維修人員來說，經驗總結很重要，但經驗的分析、升華就更為重要;要做到具體問題具體分析、對癥下藥，排除故障又快又準，就非得認認真真狠下一番苦功不可。