泥漿泵艙甲板振動測試與控制

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(1.大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113；2.大連理工大學 a.工業裝備結構分析國家重點實驗室; b.運載工程與力學學部 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

目前船體振動評價準則通常采用國際標準化組織“機械振動與沖擊”技術委員會基于人體對船舶適居性制定的《客船和商船適居性振動測量、報告和評價準則》(簡稱ISO6954—2000E)[1-2]。現代船舶逐漸向大型化、輕量化發展。一方面，為了增大經濟效益，船體排水量日益增大，船上旋轉機械設備數量多、產生的不平衡力也隨之增大；另一方面，為了降低成本設計時盡量減小構件的尺寸，致使船體剛度有所削弱[3]。振動設計時主要考慮設備靜載和環境荷載，容易忽視設備動載引起甲板等結構的振動，因此較大的設備激振力誘使局部剛度低的結構產生不符合上述規范的強迫振動。此外，許多局部振動問題在設計階段很難被發現，當船體建造完成后進行試航時出現嚴重的局部振動問題，造成損失[4]。工程中不乏類似的船體局部振動案例，由于振動都是在建造完成后才發現，所以通常采用增強局部結構剛度的方案，如增加立柱或者橫梁等，從而實現振動控制[5-10]。但是局部振動問題因結構差異而不同，具體案例需要具體分析。以某自升式平臺泥漿泵艙頂部甲板局部振動問題為例，通過現場的振動測試，從試驗角度判斷振動類型并分析振動原因，為減振方案提供依據；根據結構動力學理論和參考文獻中的解決方案提出減振措施，使振動符合規范要求。

1 工程概述

自升式平臺的船體主尺度見表1。

其泥漿泵艙位于Fr11～Fr16之間，艙內布置的3臺相同型號泥漿泵，參數見表2。泵相對于頂部甲板的布置以及頂部甲板結構見圖1。

表2 泥漿泵參數

圖1 泥漿泵位置及甲板下方管系托架位置

泥漿泵艙配置3臺相同型號的泥漿泵。平臺建造完成后，發現當只運轉其中2臺泥漿泵時泥漿泵艙室頂部甲板便出現嚴重振動現象。為了結構的安全運行，對頂部甲板和泥漿泵的振動進行測試以找出振動原因。

2 振動測試

2.1 環境參數

甲板振動測試的環境參數見表3。

2.2 測試工況與測點

根據現場的條件和泥漿泵的運轉狀態，設置2組工況，見表4。

表3 環境參數

表4 工況設置

各工況泥漿泵轉速分別設為50SPM、70SPM、90SPM、100SPM、110SPM，對應的泥漿泵壓力設為1000PSI、1000PSI、3000PSI、3000PSI、3000PSI。

泥漿泵開啟后觀察甲板振動情況，在甲板上表面選擇8個振動最嚴重的位置作為測點，記為測點1、2、…、8，其位置見圖2。

圖2 泥漿泵艙頂部甲板布置與測點位置

此外，在3號泥漿泵的泵體、基座、出口箱體分別設3個測點，記為測點9、10、11，泥漿泵的輸出管道上設測點12。

2.3 測試設備

振動測試采用日本RION公司的精密振動分析儀VA-12,其傳感器采用的是壓電式加速度探頭PV-57I，靈敏度范圍為1.00～9.99 mV/(m·s-2)，能同時顯示振動的“加速度、速度、位移值”，擁有現場數據采集及分析功能。

2.4 測試結果

測試泥漿泵不同轉速時12個測點的振動速度，其中測點1～10為垂向速度，測點11包括垂向速度和橫向速度，測點12為泥漿泵輸出管道的縱向振動速度和橫向振動速度。

2種工況下甲板1～8號測點的垂向振動速度見圖3a)、b)，測點2、4、6、8振動異常嚴重，工況1中前3個測點振動速度最大分別達到25.9、13.4、40.8 mm/s，工況2中4個測點的振動速度最大值分別為46.7、16.3、34.4、38.7 mm/s，由此可見甲板振動不滿足規范(ISO6954—2000E)對船舶工作區域的要求。泥漿泵泵體及其基座的振動響應見圖3c)、d)，滿足上述規范要求。圖3e)為泥漿泵輸出管道縱向和橫向的振動速度，滿足規范《Rules for ships, DNV》的要求。綜上所述，泥漿泵艙頂部甲板振動局部振動嚴重，需要對局部結構進行改進。

2.5 振動分析

結構振動主要分為共振和受迫振動，其中共振主要是由激勵頻率和結構某一階固有頻率接近或相等導致，可從調整結構質量和剛度兩種方式改變結構固有頻率來避免共振，而受迫振動主要由激振力較大，而局部構件的剛度又不足的原因造成，多采用加強局部結構以提高剛度實現減振。通過結構動力學理論和試驗相結合的方式，對甲板振動原因進行分析。由圖3可知，在泥漿泵整個工作轉速范圍50～110 SPM內，甲板的振動始終存在；并且隨著泵轉速(激勵頻率)的增加，甲板垂向振動速度增加，但是振動響應曲線沒有出現在某一轉速下振動速度響應突然顯著增大的現象，因此可判斷頂部甲板的振動屬于受迫振動。

圖3 2種工況下12個測點的振動速度

因此從結構剛度方向分析振動原因。3臺泥漿泵的輸出管系是通過托架固定在甲板下方，甲板激振力主要來自管系的振動。通過結構分析，發現若干個托架一端固定在縱桁上，但另一端卻固定在剛度較弱的縱骨上，而上述的振動最嚴重的測點正好位于若干個托架固定點，顯然甲板的強迫振動是由托架的固定點的選擇不當導致。

3 結構改進與驗證

由于甲板振動屬于強迫振動，根據經驗和參考文獻[6-11]中的減振方案，提出如下加強方案進行減振。在主甲板和內底之間增設2個支柱，縱向位于Fr13肋位處，橫向位于縱桁左右兩側第4條縱骨處(±L4)，并延長管托長度至Fr14，將管支架連接在Fr14強橫梁上，見圖4。

圖4 甲板加固措施

根據上述加固方案對甲板結構進行修改，重新設置4種測試工況，見表5。根據現場觀測找出5個振動最大的位置作為測點，其位置見圖5。

表5 4種工況設置

為驗證改進方案的有效性，泥漿泵轉速直接定為100 SPM，工況1泵壓設為4 800、6 000，工況2、3泵壓設為5 000、6 000，工況4泵壓為5 000 PSI。再次在相同環境參數條件下對頂部甲板進行垂向振動測試。

圖5 結構改進后上甲板測點位置

測得頂部甲板在4種工況下振動速度見圖6。所有測點振動速度均不超過8 mm/s，滿足規范(ISO6954—2000E)，上減振方案。

4 結論

1)對自升式平臺的泥漿泵艙頂部甲板異常振動測試分析表明其振動不符合規范要求，該振動屬于受迫振動。

2)通過結構力學理論分析，固定泥漿泵輸出管系的托架固定在剛度較弱的縱骨上是導致頂部甲板振動的主要原因。

圖6 甲板上5個測點的垂向振動速度

3)通過結構改進后的振動測試結果表明，所提在頂部甲板和內底之間增設立柱并延長托架的加強方案合理，可顯著降低甲板振動。

大型旋轉機械的艙室結構設計、管系布置及其舾裝方案設計等，避免將產生動載的設備及其相連管系等結構連接或安裝到剛度較弱的結構上，防止強迫振動產生。