船體振動與螺旋槳鳴音的防止方法

汪榮華 沈萍

（常石集團（舟山）造船有限公司 浙江省舟山市 316000）

船舶振動是輪船在行進過程中常見的一種現象，輪船內部有發動機在工作，發動機帶動輪船的船體發生振動，小幅度的振動對輪船的行駛并不會產生較大的影響，而如果在輪船行進的過程中船體發生大幅度的振動，那么就要考慮輪船內部結構是否發生損傷等問題。螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉，將發動機轉動功率轉化為推進力的裝置，可有兩個或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面的一種推進器。螺旋槳鳴音的產生是船體運行過程中必然會產生的一種現象，本質上并不會產生較大的危害，但是會對輪船工作和生活環境造成惡化，產生一定的噪音，讓人感到疲憊，因此，對于螺旋槳鳴音也必須采取一定的措施制止。

1 船體振動源

輪船的船體會發生振動，那么肯定就會有振動源，即船體的振動是從哪里發出的，分析船體的振動源就可以找到根治的措施，一般情況下，船體的振動源有三種，即主機、螺旋槳和各類機器設備，包括發電機、空壓機、風機及泵等。輪船主機是輪船的動力裝置，為各類輪船提供機械動力的裝置，輪船的主機根據采用燃料的性質、燃燒的場所、使用的性質及其工作方式等的不同，可分為蒸汽機、內燃機、核動力機和電動機。輪船主機引起船體振動，主要是由于運動部件的慣性力產生的不平衡力矩，以及主機內壓力產生側向或者垂直的傾覆力矩，會引起船體發生振動。其次是螺旋槳的運行引起船體振動，螺旋槳在工作的過程中會產生兩種激振力，一種是軸頻激振力，另一種是葉頻激振力，葉頻激振力是螺旋槳在海浪等不均勻流體中產生的高頻激振力。另外，當小型輪船在淺水區域航行，螺旋槳在水下會遇到各種流沙、卵石以及水草等，會使螺旋槳槳葉發生折斷，也會造成船體發生振動。最后，輪船上各類機械設備在運轉時都能產生機械、電磁和流體激勵，這些激勵幅值非常小，當與船體某一結構固有的頻率相等時，就會引起該機構的共振。而當振幅超過結構所能承受的值時，就會產生永久性的破壞，會使機器發生變形或者裂紋。

2 船體振動的防止對策

共振是引起船體振動的主要因素，防止措施可以從計算振動頻率做起，通過計算和分析可以得出，船體振動具體是發生在哪個部位，首先要確定振動的位置，其次要確定振動的頻率，通過分析與計算，可以得出共振轉速。無論是局部轉速還是整體轉速，都可以測量出來。船體振動雖然是常見的現象，但當船體發生振動時，船員還是應當及時去分析船體發生振動的原因，輪船在海上運行會發生很多種情況，也存在多種不確定性的危險因素，為了以防萬一，當船體發生振動時就要及時對輪船整個船體去檢查。船體振動防止對策可以從兩個方面來分析：①從整體居住區做好船體振動的防止措施；②從局部振動的方面做好防止措施。接下來，將從這兩個方面去分析防止船體振動的措施有哪些？

2.1 居住區整體振動防止對策

在對船體振動源進行分析之后，那么就要對船體振動提出一定的防止對策，船體的振動幅度雖然小，但是長時間的振動也會對船體造成很大的危害。一般情況下，當發生振動噪音時，可以從三個方面來有效減少噪音或者振動，首先是從振動源入手，切斷振動源就可以從根本上解決船體發生振動。其次是對振動傳播途徑進行切斷，最后是對船體進行加固，很顯然，本文運用的是第三種方法。首先是居住區整體振動的防止對策，如果采取一定的措施也無法回避共振區間，那么就需要變更結構改變自身的固有頻率，主要措施有在居住區前后壁及側壁板加厚，這樣就能減小振動頻率帶來的噪音。其次是加強居住區下方的支撐結構，加強對居住區的支撐力，使整個居住區更加穩固，也可以減小振動頻率對于居住區的影響?；蛘呖梢宰芳訙p震平衡器，減震平衡器在一定程度上可以減小振動帶來的頻率或者噪音。

2.2 局部振動防止對策

其次就是局部振動的防止對策，局部振動的防止主要是限制輪船局部區域的振動，首先是板格振動，通過追加筋板，避免過大板格的方法來防止局部振動。追加筋板可以有效的加大局部振動區域的質量，重量過大時產生的振動對船體造成的傷害就可以減小到最低。其次是筋板振動，通過計算可以得到筋板的固有頻率，避免和主機及螺旋槳等振動源產生共振，共振會對船體造成極大的傷害，因此可以通過計算有效地控制筋板的頻率，防止和其他震源產生共振，可以在共振區間內根據需要變更板筋的尺寸或者長度，這樣可以避免與其他震源產生一樣的振動頻率。

3 螺旋槳鳴音產生的機理

螺旋槳鳴音是輪船在行進過程中經常會發生的現象，雖然它并不會對輪船產生較大的傷害，但是螺旋槳鳴音一直存在，總會讓人覺得很刺耳，總認為是船體內部發生了故障，會對船員工作的環境產生噪音影響。因此，螺旋槳鳴音是怎樣產生的，以及如何防止是幾個世紀以來科學家一直在研究的課題。一直以來，都知道風會讓緊繃的琴弦產生較大的聲音，科學家在對螺旋槳產生鳴音的問題上做出了很多實驗研究，發現螺旋槳鳴音是一種典型的卡門渦街誘發的流體動力彈性共振產生的現象，那么螺旋槳的噪音到底是怎樣形成的，科學家做出了很多試驗。當流體旋轉產生一定的作用力時，流體產生的作用力會給予卡門渦街極強的能量，而卡門渦街的能量達到一定值時會產生振動的聲音，但當螺旋槳的槳葉與振動板產生的頻率一致時，就會發生共振現象，而共振就會引起螺旋槳產生鳴音，見圖1。

4 螺旋槳鳴音的防止方法

圖1 用PIV（粒子成像測速）法拍攝的卡門渦街

螺旋槳鳴音是共振產生的結果，那么防止螺旋槳鳴音就可以從螺旋槳的槳葉入手，避免槳葉與卡門渦街產生同樣的頻率，就可以避免發生共振。只要在較小弦向長度范圍內把槳葉葉片的隨邊厚度減小到強度可接受的程度就可杜絕鳴音的發生，把槳葉的厚度減小，那么槳葉在水的作用力下就不會與卡門渦街產生一樣的頻率，這樣減小厚度的方法，不僅能改變卡門渦街的振動頻率，同時還可以使其離開結構固有的頻率，避免共振現象的產生，把鳴音消除掉。螺旋槳鳴音消除的根本原理是避免槳葉產生的頻率與卡門渦街產生的頻率一致，因此，只要改變一方的振動頻率，那么就可以避免螺旋槳產生鳴音。在實際工作中，很多輪船為了避免產生鳴音，都會一定程度的減小槳葉的厚度，在實際應用中，此項結論也可以得以應用。目前，螺旋槳鳴音的主要防止措施只有這一種，在今后的不斷發展過程中，螺旋槳的應用會更加完善，更加智能?，F代輪船的應用已經實現了智能化機械的應用，當螺旋槳鳴音或者故障時，在輪船總控制中心是可以有所預警的，系統也會根據螺旋槳鳴音具體的原因給出可行的實施方案。此外，輪船在運行的過程中，螺旋槳遇到的其他故障與問題，總控制中心也可以發現。未來，輪船的應用會更加智能，我國輪船的設備也會更加先進，只有不斷的研究與更新，促進輪船各方面功能的完善，才有可能從根本上解決船體振動和螺旋槳鳴音的問題，同時，輪船的發展也可以促進我國交通運輸業的發展，促進經濟增長和制造業的發展。

5 小結

輪船發生振動是常見的一種現象，船體振動并不會對輪船運行產生本質性的傷害，引起船體振動的原因有多種，本文分析了三種引起船體振動發生的原因，分析了三種振動源，其中有一種引起船體發生振動的原因是螺旋槳，螺旋槳在發生振動的同時也會產生鳴音，是一種典型的共振現象，本文分析了螺旋槳鳴音產生的作用機理，是圓柱形線狀體和一切有鈍后緣的葉片在流體中共有的一種流體動力彈性力學現象。一般民用船舶的螺旋槳鳴音并不會對船體造成實質性的傷害，但是對于軍用艦來說，螺旋槳鳴音會讓敵方發現軍艦的存在，因此，對于軍用輪船來說，螺旋槳鳴音必須得到有效解決。一般情況下，解決螺旋槳鳴音的根本方法是減小螺旋槳槳葉的厚度，而且這一方法也在輪船的實際運行中得到了有效實施。輪船在運行的過程中會遇到多種不可預見因素的影響，引起船體振動以及螺旋槳鳴音的因素也有可能是風浪不平穩的襲擊，或者在運行過程中遇到了暗礁、沙石等，這些潛在的因素都會讓輪船發生振動。因此，當輪船的船體發生振動時，船員就要及時去分析振動發生的原因，找到原因才能找到解決的方法和途徑，保證輪船的正常運行。