3 500 m3/h絞吸挖泥船甲板機艙振動分析與優化

王 煒

(長江武漢航道工程局，武漢 430014)

3 500 m3/h絞吸挖泥船甲板機艙振動分析與優化

王 煒

(長江武漢航道工程局，武漢 430014)

針對3 500 m3/h絞吸式挖泥船的甲板機艙異常振動問題，建立機艙結構有限元模型，進行振動模態分析，發現甲板下支柱與柴油機工作頻率耦合引起的共振是導致甲板機艙異常振動的主要原因，進行甲板機艙結構和立柱位置的優化，檢測表明,優化后的結構有效避開了共振頻率，振動速度峰值和加速度大幅下降，優化效果良好。

機艙振動;絞吸式挖泥船;模態分析;共振

某3 500 m3/h 絞吸式挖泥船配置了3 臺泥漿泵，其中2臺艙內泥泵布置在主甲板上，設置甲板機艙。在甲板機艙內布置2臺泥泵柴油機、1臺水下泵柴油發電機組和1臺主發電機組。

該船建造完工投入使用后短短5年時間內，右泥泵柴油機運轉僅2 500 h，就發生過2次抱軸事故。事故發生后，對軸瓦進行檢測和分析認為，在柴油機沒有運轉期間，外界振動傳入機體，使主軸瓦和曲軸發生輕微振蕩碰撞，致使主軸瓦損傷，這是抱軸事故的主要原因。

同期建造3艘同型船CAT3608 柴油機都有相同問題，也是右泥泵柴油機停車狀態下主軸瓦振動損傷，導致運轉時抱軸，其中2艘曲軸斷裂，為此對該型船甲板機艙的振動進行仿真分析。

1 振動檢測

在該船施工期間，對右泥泵柴油機機座進行振動檢測。各檢測點速度峰值頻率均為59.5 Hz，與水下泵柴油發電機組和液壓泵柴油機的頻率相同。據此認為是由于水下泵柴油發電機組和液壓泵柴油機運轉產生的振動傳遞到了右泥泵柴油機。

為找到振動的傳遞途徑，對1～10號立柱進行檢測，為便于說明，立柱及其對應編號參見圖1(當前無13 號立柱)。檢測結果見表1。

圖1 甲板下立柱布置示意

編號固有頻率/Hz設備運行后的頻率頻率/Hz速度峰值/(mm·s-1)加速度/(mm·s-2)17059.514.404.63828581.75.003.31038859.54.602.56248081.73.942.34058282.72.211.49168859.52.381.88976359.512.213.88088882.56.374.02098888.73.073.685108859.71.801.606

對比固有頻率數據發現，在船舶正常施工時有5根立柱速度峰值的頻率變為59.5 Hz，特別是1號及7號立柱產生了較大的速度及加速度峰值。水下泵柴油發電機組、立柱與右泥泵柴油機共振，從而對右泥泵柴油機的運轉造成損害。

對上述數據進行綜合分析，由于右泥泵柴油機距離液壓泵柴油機較遠，受到其影響的可能性較低。而水下泵柴油機距離近，且振動頻率基本一致，判斷應為水下泵柴油機造成立柱振動速度頻率的改變和振動速度放大。

2 有限元建模分析

對本船機艙區域進行結構有限元建模，分析機艙區的整體和局部模態以及立柱的模態。

2.1 整艙段板架模態分析

西北某油田天然氣外輸管線自2003年投產后，未進行過徹底清管。近年來，隨著天然氣外輸管線運行時間的延長、氣源廣泛、處理工藝不同等因素，在輸氣管線內形成黑色粉末等雜質，并不斷聚集增加，導致管輸氣量只有設計輸氣量的70%，并導致下游分離設備頻發堵塞、燃氣使用設備故障增多等問題，嚴重影響了天然氣外售和下游用戶的正常生產。

為評估甲板機艙振動問題，首先根據原始設計圖紙對甲板機艙及對應船體區域進行有限元建模。模型范圍縱向從FR36～FR65，橫向為全寬，垂向自船底至A 甲板。機艙內及船體內設備依照原船設備單及船東提供的重量重心信息進行直接模擬[1-3]。對艙段整體模態進行分析時，設置前后艙壁邊界簡支。模型示意于圖2、3。

圖2 艙段有限元模型及邊界條件

圖3 甲板下立柱布置

在船體FR36～FR65 范圍內，中縱面FR41，FR44，FR47，FR50，FR53，FR56，FR59，FR62 肋位上設置支柱，其中FR53，FR56，FR59，FR62 肋位的立柱處在主甲板艙內泥泵柴油機組基座長度范圍內。甲板開孔見圖4。

圖4 甲板開孔

當前現有結構板架一、二階模態固有頻率，分別為15.03和22.35 Hz，其相應振型見圖5、6。分析結果與機艙頂梁振動測試報告中顯示的固有頻率(15.00和22.50 Hz)基本一致，證明測試和計算結果的可靠性。

圖5 板架一階整體模態

圖6 當前板架二階整體模態

2.2 立柱模態分析

在艙段分析的基礎上，針對振動測試報告中顯示的立柱固有頻率(60 Hz)與柴油機耦合問題，對支柱進行固有頻率搜索。1號和7號立柱模態參見圖7、8及表2。對比計算結果和測試數據發現，在柴油機工作頻率附近立柱有較大的共振可能。

圖7 1號立柱模態

圖8 7號立柱模態

立柱號頻率/Hz與60Hz錯開百分比/%159.311.2748.31/75.5619.5/26.0

3 改進方案設計與效果分析

根據模態分析結果判斷，柴油機損壞應是由于甲板下支柱與柴油機工作頻率耦合。此外，柴油機未配置減震底座，可能導致激振載荷被迅速放大，從而易導致設備損壞[4-6]。

3.1 優化方案設計

根據上述分析對該船進行改造。封上一部分FR47 ～FR50 之間的甲板開口，取消6，7 號立柱，增設13號立柱Ф325×16，并將8-12號立柱改為Ф325×16。改造后的支柱布置見圖9、10。

圖9 改造后甲板下立柱布置

圖10 改造后甲板開孔

根據改造方案進行模型調整，分析得到艙段整體一、二階模態固有頻率15.13和22.34 Hz。振型見圖11、12。可見，改造前后艙段整體模態頻率和振型變化都很小，在該頻率下結構響應很小，不會因改造方案造成新的振動問題。

圖11 改造后板架一階整體模態

圖12 改造后板架二階整體模態

3.3 改造后立柱模態分析

對改造方案下的各支柱固有頻率進行搜索，得到支柱固有頻率分析結果見表5。

表5 改造后各立柱頻率錯開百分比

可見，各支柱固有頻率同柴油機工作頻率均能有效錯開40%以上，可有效解決支柱固有頻率同原柴油機工作頻率耦合的問題。

4 優化效果檢測與分析

改造結束后，在該船正常施工時，對右泥泵柴油機機座振動情況進行檢測，并與改造前結果進行對比。改造前后檢測結果對比見圖13。

圖13 改造前后右泥泵柴油機機座振動對比

由圖13可見，立柱改造優化后，右泥泵柴油機機座處振動頻率發生了變化，避開了共振頻率，速度峰值和加速度大幅下降。改造優化效果明顯。

5 結論

1)對3 500 m3/h 絞吸式挖泥船的振動檢測分析表明甲板下支柱與柴油機工作頻率耦合引起的共振是導致甲板機艙異常振動的主要原因；

2)通過仿真計算的結果可以證明：對甲板機艙結構和立柱的位置進行合理改造，可改變艙段整體的固有頻率，能與柴油機的工作頻率有效錯開40%以上，可有效減少機艙的異常振動，提升了船舶工作性能;

3)同類型絞吸式挖泥船均存在艙內泥泵布置在主甲板上，振動偏大的問題，可利用本優化方法對甲板機艙結構進行調整，減少震動。

在后續的船舶設計與建造中，應充分考慮引起振動的不利因素，避開共振頻率，優化甲板機艙的結構布置。

[1] 羅秋明,薛鴻祥,唐文勇.45萬t級超大型礦砂船全船結構有限元分析[J].船舶工程,20103(2):8-12.

[2] 張潤宏,朱良生.散貨船貨艙區兩種結構布置對橫向強度影響的比較分析[J].船舶工程,2010，32(S2):25-28.

[3] 陸春暉,胡毓仁.不同載重量散貨船結構形式研究[J].艦船科學技術,2007,29(5):51-55.

[4] 王軍輝,夏利娟,丁金鴻,等.自航絞吸挖泥船全船結構強度和總振動特性評估[J].船舶工程,2013,35(4):11-14.

[5] 李曉燕,林植鑫,陳森利.9 000 m～3耙吸挖泥船全船減振降噪措施簡析[J].船海工程,2011,40(3):18-20.

[6] 陳 成,劉亞東.中小型耙吸挖泥船船型的發展趨勢[J].船舶工程,2010,32(S2):1-4.

Analysis and Optimization of Deck Cabin Vibration in 3 500 m3/ h Cutter Suction Dredger

WANG Wei

(Changjiang Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430014, China)

In view of abnormal vibration on deck engine room of 3 500 m3/h cutter suction dredger, the FE structural model of the engine room is established. Via the analysis of mode of vibration, resonance coupling of working frequency of the diesel engine with the pillar under deck is the primary cause for abnormal vibration of deck engine room. So the location of pillars is redesigned to avoid the resonant frequency. The test results verify that the peaks of vibration acceleration and velocity are sharply decreased; the effects of optimization are satisfactory.

cabin vibration; cutter suction dredger; modal analysis; resonance

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.021

2015-06-15

王 煒(1977- )，男，碩士，高級工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0089-04

修回日期：2015-07-13

研究方向:挖泥工程船建造及使用管理

E-mail: 14466719@qq.com