某船螺旋槳唱音測(cè)試及處理分析方法

陳煥國(guó) 周立彬

（1.中國(guó)人民解放軍第四八一〇工廠 大連116041；2.大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 大連116023）

引 言

螺旋槳是船舶中的重要推進(jìn)裝置，當(dāng)其出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，勢(shì)必會(huì)影響船舶的正常運(yùn)行。唱音作為螺旋槳的常見故障之一，雖然不影響船舶的總體性能，但是其存在會(huì)降低船上乘客以及工作人員的舒適性。對(duì)軍用艦船而言，此類異常聲音還會(huì)破壞艦船的隱蔽性，給艦船的安全性帶來(lái)極大隱患，因此螺旋槳唱音問(wèn)題一直受到艦船設(shè)計(jì)及應(yīng)用單位的關(guān)注［1-2］。

針對(duì)螺旋槳唱音，一些研究者從理論、試驗(yàn)及實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。華漢金［1］從流體力學(xué)角度闡述了繞流物體的動(dòng)力響應(yīng)即螺旋槳唱音問(wèn)題；魏以邁等［2］用模型試驗(yàn)的方法預(yù)報(bào)了螺旋槳唱音。雖然目前對(duì)螺旋槳唱音產(chǎn)生機(jī)理的研究已經(jīng)成熟，但可用于判別的實(shí)船測(cè)試方法還亟待豐富。周行健［3］對(duì)某船槳部的異常噪聲進(jìn)行研究時(shí)，測(cè)得噪聲強(qiáng)弱和螺旋槳轉(zhuǎn)速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)計(jì)算噪聲頻率和卡門渦頻率接近，分析出噪聲為槳鳴所引起；藍(lán)志云等［4］對(duì)某散貨船尾部異響分析時(shí)使用了轉(zhuǎn)舵試驗(yàn)的方法，根據(jù)出現(xiàn)噪聲時(shí)左右轉(zhuǎn)舵的噪聲變化情況確定了螺旋槳唱音。本文對(duì)某船尾附近區(qū)域存在異常聲響的現(xiàn)象，從螺旋槳唱音的產(chǎn)生原因及其特征出發(fā)，進(jìn)行了實(shí)船振動(dòng)和噪聲信號(hào)測(cè)量分析，對(duì)螺旋槳唱音進(jìn)行了識(shí)別，提出了消除措施，解決了該船推進(jìn)系統(tǒng)存在異常聲響的問(wèn)題。

1 螺旋槳唱音產(chǎn)生原因及其特征

1.1 螺旋槳唱音的產(chǎn)生原因

螺旋槳唱音是一種典型的卡門渦誘發(fā)的流體動(dòng)力彈性共振現(xiàn)象。由于螺旋槳在船尾不均勻伴流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其動(dòng)力特性具有強(qiáng)烈的非線性特征。當(dāng)槳葉隨邊旋轉(zhuǎn)釋放漩渦的頻率與螺旋槳槳葉結(jié)構(gòu)自振頻率耦合時(shí)發(fā)生共振，就會(huì)產(chǎn)生螺旋槳唱音［5-6］。

1.2 螺旋槳唱音的特征

螺旋槳唱音是一種單頻調(diào)聲音，其頻率一般是在幾百至幾千赫茲聲頻范圍內(nèi)，在頻譜上表現(xiàn)為一種聲級(jí)相當(dāng)高的窄帶線譜，聲能集中在這一窄頻帶中，它與鄰近譜級(jí)相比一般可高出15～25 dB。螺旋槳唱音一旦發(fā)生，將在相當(dāng)大的航速（或轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生，且唱音的頻率基本上不隨螺旋槳的轉(zhuǎn)速而改變，這與一般螺旋槳的線譜不同，被稱為唱音的自鎖現(xiàn)象。同時(shí)，直接鄰近螺旋槳的殼板振動(dòng)也會(huì)隨著唱音的出現(xiàn)而相應(yīng)加大［7］。以上特征即可作為測(cè)試依據(jù)，將異常聲響的特征參數(shù)與其進(jìn)行比較分析即可得出結(jié)論。

2 振動(dòng)和噪聲信號(hào)測(cè)試及分析

某雙槳船在航行試驗(yàn)過(guò)程中，船在進(jìn)一、進(jìn)二工況運(yùn)行時(shí)，后甲板舵機(jī)艙附近區(qū)域存在異常聲響。觀察發(fā)現(xiàn)，若將左軸系剎住，右軸系在180 r/min以下轉(zhuǎn)速單獨(dú)推進(jìn)時(shí)后甲板有異常聲響；右軸系剎住，左軸系在160 r/min以下轉(zhuǎn)速單獨(dú)推進(jìn)時(shí)也有異常聲響；當(dāng)舵角改變較大時(shí)，聲響消失。根據(jù)異常聲響的存在特點(diǎn)，結(jié)合前期自查結(jié)果，排除了由船殼板振動(dòng)和螺旋槳空泡引發(fā)的噪聲，初步判斷為螺旋槳槳葉產(chǎn)生的唱音，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該異常聲音和提供判別依據(jù)，確定對(duì)該船進(jìn)行相關(guān)振動(dòng)與噪聲測(cè)試。

2.1 振動(dòng)和噪聲信號(hào)測(cè)量

依據(jù)規(guī)范，整個(gè)測(cè)量過(guò)程不僅要在異常聲音存在的狀態(tài)下進(jìn)行，而且要滿足船舶自由直航、海況和水深符合要求以及螺旋槳浸沒(méi)水中等一定的條件。根據(jù)船舶的推進(jìn)狀態(tài)設(shè)立了如表1所示的四種工況。

表1 工 況r·min-1

為分析船尾存在異常聲音的原因，因此在船尾選擇了一些典型測(cè)點(diǎn)。振動(dòng)測(cè)量?jī)x器選擇RIONVM-54測(cè)振儀，分別對(duì)舵機(jī)艙底板、強(qiáng)縱向構(gòu)件和主機(jī)基座等部位的振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。噪聲測(cè)量?jī)x器選擇RION-VM-52聲級(jí)計(jì)，分別對(duì)舵機(jī)艙和主機(jī)艙進(jìn)行了A聲級(jí)和1/3倍頻程測(cè)試分析。同時(shí)，對(duì)艦船尾部艙室異常聲響工況下進(jìn)行了音頻數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為44100 Hz。

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

機(jī)械故障的特征頻率及其幅值信息在結(jié)構(gòu)故障診斷研究中具有重要的作用，可以確定故障的部位、類型和程度等問(wèn)題。為有效確定本船故障，分別對(duì)采集的振動(dòng)和聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，確定故障的特征頻率，對(duì)故障進(jìn)行判別。

2.2.1 振動(dòng)測(cè)量結(jié)果分析

工況一狀態(tài)下船尾典型結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)頻譜圖如圖1-圖4所示。

圖1 舵機(jī)艙左舷內(nèi)底板振動(dòng)頻譜圖

圖2 舵機(jī)艙左舷內(nèi)底強(qiáng)構(gòu)件振動(dòng)頻譜圖

圖3 舵機(jī)艙右舷內(nèi)底板振動(dòng)頻譜圖

圖4 主機(jī)艙左舷主機(jī)基座振動(dòng)頻譜圖

從頻譜圖中可以看出，尾部板上有相應(yīng)中高頻成分，強(qiáng)力構(gòu)件上的中高頻成分較弱，主機(jī)基座就幾乎沒(méi)有測(cè)到。這個(gè)結(jié)果表明，中高頻振源可能來(lái)自舷外水動(dòng)力，不會(huì)是主機(jī)和軸系所產(chǎn)生。

2.2.2 噪聲測(cè)量結(jié)果分析

2.2.2.1 艙室A聲級(jí)和1/3倍頻程測(cè)試分析

表2為船尾典型艙室A聲級(jí)測(cè)量結(jié)果。當(dāng)異常聲響存在時(shí)，舵機(jī)艙聲級(jí)大于主機(jī)艙聲級(jí)。如工況一，舵機(jī)艙左舷和右舷分別是90 dB（A）和91.5 dB（A），而主機(jī)艙左舷和右舷分別是87.8 dB（A）和88.2 dB（A），聲源靠近舵機(jī)艙。

表2 船尾典型部位噪聲測(cè)量結(jié)果

下頁(yè)圖5-圖8為工況一狀態(tài)下船尾典型部位1/3倍頻程頻譜圖，圖9-圖10對(duì)應(yīng)工況三，圖11-圖12對(duì)應(yīng)工況四。

可以看出，各頻譜圖在600 Hz左右出現(xiàn)了較高較密集的幅值，而且與鄰近譜級(jí)相比高出15～25 dB，其余頻率下幅值均較低，相同工況下舵機(jī)艙內(nèi)聲壓級(jí)較主機(jī)艙內(nèi)聲壓級(jí)高，由此得出，異常聲響為600 Hz左右的中高頻成分，可診斷為螺旋槳唱音。

圖5 舵機(jī)艙左舷1/3倍頻程頻譜圖

圖6 舵機(jī)艙右舷1/3倍頻程頻譜圖

圖7 主機(jī)艙左舷1/3倍頻程頻譜圖

圖8 主機(jī)艙右舷1/3倍頻程頻譜圖

圖9 舵機(jī)艙左舷1/3倍頻程頻譜圖

圖10 舵機(jī)艙右舷1/3倍頻程頻譜圖

圖11 舵機(jī)艙左舷1/3倍頻程頻譜圖

圖12 舵機(jī)艙右舷1/3倍頻程頻譜圖

圖13 舵機(jī)艙內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)錄音信號(hào)頻譜圖

2.2.2.2 舵機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)錄音數(shù)據(jù)分析

舵機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)音頻數(shù)據(jù)頻譜圖如圖13所示。

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，600 Hz左右出現(xiàn)了較強(qiáng)的窄帶強(qiáng)線譜，且頻譜中幅值較大的頻帶同舵機(jī)艙內(nèi)底板振動(dòng)頻譜圖和各工況下舵機(jī)艙及機(jī)艙內(nèi)1/3倍頻程頻譜圖相對(duì)應(yīng)，由此得出，異常聲響可診斷為螺旋槳唱音引起。

3 消除方法及處理結(jié)果

3.1 螺旋槳唱音的消除方法

為避免唱音再次出現(xiàn)，需要對(duì)其進(jìn)行消除。根據(jù)唱音產(chǎn)生原因可針對(duì)性地采取方法，目前可供借鑒的方法主要有以下幾種：

（1）修削槳葉的隨邊，將槳葉隨邊進(jìn)行適當(dāng)減薄（如圖14中陰影部分）。要改變發(fā)放頻率首先要改變槳葉隨邊的厚度，而隨邊的結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)影響發(fā)放旋渦的頻率與強(qiáng)度，也決定了所形成渦街的橫向與縱向間距比。由于隨邊被削弱的過(guò)薄會(huì)影響螺旋槳強(qiáng)度，因此還應(yīng)該考慮實(shí)際工作需要。

圖14 螺旋槳伸張輪廓圖

（2）對(duì)槳葉隨邊（如圖14）進(jìn)行特殊加工，如在陰影部分挖鋸齒狀三角孔槽或粘貼一排小圓塊。通常，為不影響螺旋槳的水動(dòng)力性能，在槳葉背面進(jìn)行以上操作。

（3）增加槳葉表面阻尼。在槳葉的表面涂覆經(jīng)稀釋的高粘度氯丁橡膠或類似產(chǎn)品以增加槳葉阻尼，可有效抑制振動(dòng)［8］。

3.2 螺旋槳唱音消除方案與結(jié)果

該船采取的螺旋槳唱音消除方案是修削左、右螺旋槳的隨邊。

如圖15為螺旋槳隨邊切削方案，切削長(zhǎng)度X和隨邊厚度Y滿足關(guān)系式：

X= 20 +［5（D-2）］ mm（X最大為 30 mm ；D為螺旋槳直徑，m；Y= 0.1Xmm）。

圖15 螺旋槳隨邊切削方案

修整前后的螺旋槳外觀圖如圖16所示。

圖16 修整前后螺旋槳外觀圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證消除方法的有效性，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

（1）靜平衡試驗(yàn)。結(jié)果表明槳葉質(zhì)量和外觀良好，符合船級(jí)社規(guī)范。

（2）航行試驗(yàn)。試驗(yàn)期間同步對(duì)船尾異常聲響整改情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，船分別在左、右軸分別單軸進(jìn)一、進(jìn)二工況和雙軸進(jìn)一至進(jìn)五等9個(gè)工況下正常直線航行，航行時(shí)間約4 h。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，尾部未出現(xiàn)異常聲響，證實(shí)了該方法合理有效。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）從振動(dòng)測(cè)量的角度，在螺旋槳上方內(nèi)底板上能夠測(cè)量得到螺旋槳唱音激起船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，而在強(qiáng)構(gòu)件上很難測(cè)量得到，因此在實(shí)船測(cè)試時(shí)應(yīng)合理布置典型測(cè)點(diǎn)；從艙室噪聲測(cè)量的角度，測(cè)點(diǎn)靠近聲源的舵機(jī)艙聲壓級(jí)較大，據(jù)此可近似判斷出噪聲源位置。

（2）經(jīng)過(guò)對(duì)振動(dòng)和噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)的頻譜分析，靠近螺旋槳附近內(nèi)底板振動(dòng)頻譜圖和艙室音頻數(shù)據(jù)頻譜看出螺旋槳唱音情況下頻譜圖中高頻部分出現(xiàn)窄帶強(qiáng)線譜。

（3）根據(jù)螺旋槳唱音的產(chǎn)生原因，對(duì)槳葉隨邊采取削切方法可有效消除唱音。