內(nèi)河船舶的振動分析及減震對策

杜松林

摘 要：船舶的有害振動是影響船舶安全營運的重要問題。因此船舶防振和減振已是目前造船界和航運界極為關(guān)注的內(nèi)容，對振動研究的目的是確保船舶不會產(chǎn)生有害的振動問題，以保證船舶安全營運。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河船舶; 振動分析; 減震對策

中圖分類號：U661? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）8-196-001

隨著航運事業(yè)的發(fā)展和水陸空交通的競爭，人們逐漸要求內(nèi)河船舶噸位載重量大、航速高，必然促使內(nèi)河船舶向船型寬大和主機功率大的方向發(fā)展。由于造船技術(shù)的進步和優(yōu)化設(shè)計等因素，船體用板及構(gòu)件相對減薄和減小，結(jié)構(gòu)剛度不足，所有這些都使船體振動加劇，船體振動已成為一個突出的問題。

船舶振動的產(chǎn)生有建造和營運方面的原因，目前在內(nèi)河船舶的設(shè)計階段，對船舶振動問題還沒有給予足夠的重視，若建成的船舶一旦投入營運后才發(fā)現(xiàn)有嚴重的振動問題，再尋求對策，要想徹底根除一般是很困難的，且花的代價也相當大，往往是浪費人力和物力，也不易收到滿意的結(jié)果。

為了防患于未然，要求在設(shè)計階段就進行必要的振動研究，并采取有效的預(yù)防措施。這就要求設(shè)計者在設(shè)計時應(yīng)了解船舶的主要激勵源和影響振動的其他因素，對船舶的快速性、動力裝置、結(jié)構(gòu)設(shè)計等全面考慮，選出較好的方案。

船體振動分總振動和局部振動，總振動較少出現(xiàn)，而局部振動則較為普遍。主要原因及減振或避振措施如下：

一、共振及減振措施

船舶同其他彈性體一樣，即使激勵的幅值較小，但在共振時也會有大的響應(yīng)。對內(nèi)河船舶來說，雖然主機的轉(zhuǎn)速一般較高，在常用工況下發(fā)生低速共振的現(xiàn)象并不多見，但為了節(jié)能，提高推進效率，往往采用減速齒輪箱，以降低尾軸轉(zhuǎn)速，加大螺旋槳直徑，這就使主機在常用工況下出現(xiàn)船體低諧共振的可能性大大增加。為了避開共振，就需要改變固有頻率和激勵頻率。改變船舶的固有頻率可以從船體梁的剛度考慮，如增大船體梁剖面慣性矩、合理設(shè)計上層建筑，采用彈性接頭可降低總振動的程度。改變船舶激勵頻率可以從選擇主機、減速齒輪箱和螺旋槳入手，如改變減速比和螺旋漿的葉數(shù)。

二、機械設(shè)備振動及減震措施

船舶的機械設(shè)備如動力機械、發(fā)電機、空氣瓶、鼓風機以及柴油機排氣管等，由于其本身均含有運動部件或壓力脈沖，他們在工作時將產(chǎn)生激勵，造成船體振動，這不但會引起機械設(shè)備本身的損壞，而且會引起其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備的有害振動，同時產(chǎn)生較大的機械噪音。因此，對于這類機械設(shè)備為了降低所產(chǎn)生的振動量級，一般采取在機械設(shè)備與其固定的基座之間采用彈性支承，但需考慮機械設(shè)備與外界相連的所有管路、導(dǎo)管電纜等應(yīng)有足夠的彈性。

三、線型的選擇及減震措施

因為尾部線型直接影響螺旋槳來流和去流產(chǎn)生漩渦、伴流等方面的狀況，這些都直接與產(chǎn)生船體振動有關(guān)，從水線面線型看，為避免水流分離而發(fā)生漩渦和振動，對于雙機船，尾段的縱向斜度應(yīng)大于30°C，且保持順滑，以直線形為佳，而不宜凹形;單槳船螺旋槳區(qū)水線應(yīng)力求平直，縱向斜度以不超過20°C為宜，而且終端（尾柱處）不應(yīng)飩闊、水線反曲處也應(yīng)避免斜度過大。從橫剖面線型看，對單漿或雙尾船尾部線型宜采用U型構(gòu)成整流穴，因為U型可改善沿縱剖線自下而上的水流方向，使水流勻稱并降低螺旋槳盤面上部的伴流峰值，從而降低螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力，以減少振動。

四、機型的選擇及減震

柴油機也是引起船舶振動的一個重要振源，因為柴油機運轉(zhuǎn)時作用在船體上的周期性干擾力主要有兩種：一是運動部件的慣性力產(chǎn)生的不平衡力和不平衡力矩;二是汽缸內(nèi)氣體爆炸壓力產(chǎn)生的對氣缸側(cè)壁的側(cè)向壓力和傾復(fù)力矩;若主、輔機選擇不當，會使以上兩種周期性干擾力增大，使船體產(chǎn)生強勁振動，有時主機的干擾力還可能與螺旋槳力疊加，使振動加劇，所以在設(shè)計階段應(yīng)引起重視。

在船舶設(shè)計階段，應(yīng)選用較小不平衡慣性力與力矩較小的柴油機作為船舶的主、輔機，可在機座下裝設(shè)橡皮減振墊、金屬彈簧減振墊等作為隔振措施，對于四沖程柴油機應(yīng)選用大于四缸的，對于二沖程柴油機應(yīng)選用大于六缸的，總之，應(yīng)盡量選用缸數(shù)比較多的柴油機，其次是主機的安裝位置，恰當?shù)剡x擇主機的位置，可以減小主機引起的船體振動。

五、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計及減震

引起船體振動的另一重要的因素是船體結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對船體振動的大小有很大關(guān)系，如船體結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件取材不合理、剛度不足、結(jié)構(gòu)不連續(xù)，這些都會使船底板格固有頻率太小，引起船體振動，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了保證縱向構(gòu)件的連續(xù)性外，還應(yīng)盡量使甲板、舷側(cè)及船底板架有機地連接起來，要避免大面積的板架及跨度的梁。船的主機座應(yīng)盡可能延伸到機艙前、后壁，機艙內(nèi)應(yīng)避免懸臂梁結(jié)構(gòu)。還應(yīng)特別注意避免或緩和應(yīng)力集中。

六、螺旋槳的選擇及減振

對一艘船的螺旋槳選擇直接影響到船體振動，因為螺旋槳誘導(dǎo)的表面力和空泡是導(dǎo)致劇烈尾振的原因，而這兩者又與螺旋獎的設(shè)計，如漿葉的傾斜度、盤面比、螺距、厚度分布和葉片數(shù)等有關(guān)，在設(shè)計時應(yīng)盡量合理選擇螺旋槳，如采用葉數(shù)多和盤面比較大的螺旋槳，可使空泡減少和螺旋槳誘導(dǎo)的表面力降低，使振動減弱;更要保證螺旋槳的建造質(zhì)量，如螺距誤差和平衡試驗等要符合規(guī)范要求。另外螺旋槳與船體線型是否匹配與船體、舵托、舵之間的間隙是否足夠，均與船體振動密切相關(guān)，如果它們之間的間隙太小，將會使螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力劇增，使尾振加劇，在設(shè)計時，應(yīng)合理布置螺旋槳，改善尾部線型使螺旋槳來流和去流順暢，螺旋槳上方船體內(nèi)敷設(shè)水泥，合理選擇螺旋槳，螺旋槳上方船底板開設(shè)避振穴等，均可降低船體振動。

無數(shù)實踐證明，只要在船舶設(shè)計階段對船舶振動問題予以充分注意，應(yīng)用現(xiàn)有的計算方法進行預(yù)算，在選擇船型、主機、設(shè)計螺旋槳、結(jié)構(gòu)尺寸時進行全面綜合平衡，在確保船舶其他性能的同時，船舶的振動問題是可以預(yù)防和解決的。