艦船振動問題檢測方法研究

徐 斌，陳 謙，張愛東

(1. 中國艦船研究院，北京 100192；2. 中國人民解放軍第4806 工廠，浙江 舟山 316000)

0 引 言

水面艦艇可以視其為一種自由漂浮在海中的空心梁結構體，其在航行過程中總會產生不同程度的船體振動，過量的激振力和船體共振是引起船體異常振動的主要因素，在船體高速運動下海浪的劇烈拍擊也可能導致船體的振動。如果船體固有頻率與船體激振力頻率一致，則船體將會產生共振。即使不在共振狀態下，激振力的增大也會引起船體振動。水面艦艇的振源主要包括船體主副機、軸系、螺旋槳以及其他大功率動力裝置，船體振動不但與振源有關，還與船舶結構體系和總體布置息息相關。船體出現振動的原因錯綜復雜，有些是因為主副機或者螺旋槳變形引起的振動，有些是因為軸系未能對中引起的振動，有些是因為船體艙室局部板架及構件的改變導致船體共振引起的振動。本文以某型改裝水面艦艇的振動問題為例，在船體靜態和動態2 種模式下對船體振動問題進行全面的檢測分析，從而對船體振動原因進行定位。

某型改裝水面艦艇船體為鋼質，具有多層連續甲板，船體建造時采用短首樓平甲板、方尾構型，具備雙螺旋槳雙軸推進、雙主汽輪齒輪機組，具有多個汽輪輔機，并配備相關的輔助調節系統。該艦艇在進行動力系統航行試驗過程中，主汽輪機正車低速運轉時，船體運行較為平穩；試驗時檢查船體所有支撐軸承運行溫度處于38 ℃～45 ℃，均符合國軍標技術要求。當主汽輪機正車運行到轉速Rh時，該艦艇突然出現大幅度橫向振動，以艦首部位置振動最為明顯，船體艉部相對平穩，隨著主軸轉速繼續上升橫向振動現象逐漸減小。為了定位船體振動原因，對船體振動情況進行檢測。

1 靜態檢測方案

大量科學實驗表明[1–7]，軸系和螺旋槳的狀態直接影響著船體在航行過程中所受激振力的大小，因此船體靜態檢測方案主要是針對軸系和螺旋槳的狀態進行檢測，同時結合某型改裝水面艦艇在進行航行試驗過程中的振動問題現象，制定靜態檢測方案如下：

1）安排潛水員檢查左右螺旋槳、尾軸及將軍帽狀態，排除螺旋槳纏繞鋼纜或漁網的可能，本船經潛水員潛水檢查未發現尾軸和螺旋槳異常情況。

2）對左右軸系共8 個支軸承進行測力檢查，與船體出廠前數據進行對比，檢查軸系受力狀態，以防止軸系因長時間工作而導致變形量過大。

3）對主汽輪機組下部減震器進行檢查，測量目前減震器高度，核算主汽輪機組與軸系對中狀態。主汽輪機組與軸系對中狀態是指主汽輪機組下方減震器輸出軸與推力軸軸系的相對位置（偏移數據）和姿態（曲折數據）。

4）對左右螺旋槳進行檢查，重新核算螺旋槳靜平衡、螺距等數據。螺旋槳的靜平衡量通用國際標準為螺旋槳自身重量的1%～2%，我國一般選擇為2%，相應計算公式為：

式中：G 為螺旋槳自身重量，R 為螺旋槳半徑，N 為螺旋槳轉速，X 為螺旋槳的最大靜平衡量。經實船檢測發現左右螺旋槳實測靜平衡量均符合國軍標技術要求。螺旋槳上的1 個點在螺旋槳旋轉1 周時所移動的軸向距離即為螺距。經實船檢測左右螺旋槳0.7R（R 為螺旋槳半徑）處實測平均螺距均處于設計平均螺距公差范圍以內。

2 動態檢測方案

為了進一步檢測船體振動情況，需要進行實船動態測試，采集相關數據，分析船體振動原因。動態試驗開展前，應明確試驗工況及試驗需要保障的條件如試驗水域、水文氣象、船體狀態、檢查確認試驗設備安裝情況等。

2.1 試驗保障條件

動態試驗過程中測試水域的水深應不小于5 倍船體吃水，離岸或離其他建筑物不宜太近，避免影響振動試驗；海況不大于2 級，水流平緩；試驗時船體裝載為正常排水量，其誤差一般應不大于2%（特殊情況應不大于3%），載荷分布應接近設計狀態。船體橫傾角應不大于0.5°，縱傾狀態應與設計狀態相一致，相對于設計狀態允許有小于0.1% 計算水線長的縱傾誤差。整體測量系統必須在測試前置于標準振動測試臺上進行標定，標定內容主要有幅頻特性、相頻特性、幅值特性及靈敏度等，確保傳感器牢固安裝，不允許有滑移或松動，聯結導線必須符合傳感器的配合要求。在敷設導線時，應將導線與船體固定好，不允許有相對運動產生；保證測量系統有良好的接地。

2.2 試驗工況

針對船體振動現象，將動態試驗分為3 種工況進行：工況1 將1 號主機脫軸，分檔測量，逐步提高2 號主機轉速至大于Rh時，每增加一檔穩定運行約1～2 min，測量完成后進行下檔測量；工況2 將2 號主機脫軸，分檔測量，逐步提高1 號主機轉速至大于Rh時，每增加一檔穩定運行約1～2 min，測量完成后進行下檔測量；工況3 將1 號和2 號主機同時運行，分檔測量，同步提高1 和2 號主機轉速至大于Rh時，每增加一檔穩定運行約1～2 min，測量完成后進行下檔測量。

2.3 動態測試方案

1）船體激振測試方案

當船體激振頻率與固有頻率一致時，船體就會產生共振。為了避免共振現象，需要進行激振測試，激振測試是由瞬態激勵測定船體振動固有頻率、固有振形及阻尼特性的一種測試方法。本文提供了2 種激振試驗測試方法拋錨法和拖船靠幫法，分別用于測量船體垂向和橫向振動第1～2 階的固有頻率、固有振形及阻尼特性。激振試驗時，船體應處于自由漂浮狀態，船體上除了參與試驗的機械設備，其余設備均應停止運行。船體測點應布置在首、尾端中線面處及左舷或者右舷靠近舷測甲板邊板的強力構件上，加速度計的安裝方向與激勵方向要一致。

在進行拋錨激振試驗時，應使錨懸在錨穴下，將錨自由下落，錨落下的距離以不觸及海底為限，隨之用錨鏈止鏈器迅速制動，使船體振動、記錄從拋錨開始至船體振動消失的有關船體振動響應值。為取得可靠的數據，應當重復2～3 次。用拖船靠幫進行激勵試驗時，應使拖船碰撞本船肋位舷側處，用以碰撞的拖船應以1 kn 左右速度試碰撞，根據本船振動響應情況，逐漸增加碰撞速度，以使本船體產生橫向振動。記錄從靠幫開始至船體振動消失的船體振動響應值。在進行拖船靠幫激勵試驗前，視情況對船體結構采取相應的保護措施。

2）全船總體振動和局部振動測試方案

為了完成在規定工況下船體航行總體和局部振動測試，檢驗船體航行中由螺旋槳和主機等激勵產生的船體總振動和局部結構振動響應情況，試驗前需要復校整個測量系統，使之處于正常工作狀態，記錄各個測點的位置和儀器的修正系數。試驗時保持直線航行，減少操舵，且操舵角度應該限制在±2°以內。航行振動試驗應從主機最低穩定轉速時的航速開始，逐漸增大主機轉速，間隔增量為10～20 r/min，直至額定轉速。當主機轉速處于常用工況和振動明顯工況附近時，應適當減小間隔增量，以便加密記錄次數。每次測試均應在主機轉速穩定后進行記錄，每次記錄應有一段時間，記錄時間大約為1～2 min，在振動測量時記錄各個工況下的螺旋槳和主機軸轉速。根據測試需求，在必要時適當增加轉速工況。試驗測試分為全船總體振動測試和局部振動測試，總體振動布置點主要分布在船首端首樓甲板中線面、船尾端上甲板中線面、駕駛室甲板前壁中線面、上甲板中線面、主汽輪機基座、減速器基座、主汽輪機推力軸承基座等處。局部振動主要針對全船重要部位進行振動監測，包括舵機艙中內龍骨與尾封板、艙壁、肋骨交接處，直升機起降平臺的降落區格柵中心的前、后、左、右各一點，駕駛室內甲板，某型發射裝置基座等處。

3）主汽輪機和減速器振動測試方案

為了分析船體主汽輪機和減速器的隔振裝置效果，需要測試主汽輪機和減速器設備加速度振級落差。試驗時測量場地應有220V 測量電源和必須的燈光照明。測試過程中，避免無關人員的走動，降低測試干擾。將待測設備所需測點的加速度傳感器安裝完畢后，在所有設備未開機狀態下，測試被測設備所在位置的背景振動。然后，按照航行工況要求，測量各設備測試方向上的振動加速度信號。設備運轉時所有測點振動加速度級高于背景振動10 dB（包括10 dB）以上時，測量結果可不予修正；低于10 dB 時應記錄背景振動以便修正，背景振動的修正按國軍標的規定進行處理[8–10]。此方案需用到加速度傳感器、數據采集器、計算機和采集控制分析系統等試驗儀器，振動加速度測量系統的測試頻率范圍需要覆蓋10 Hz～10 kHz。試驗測試點主要分布在主汽輪機和減速器箱體頂部、機腳和基座，齒輪箱頂部，軸承基座等處。

4）軸系振動測試方案

軸系振動測試主要分為扭轉振動測試、橫向振動測試、縱向振動測試、軸功率測試。扭轉振動共有2 個測試點，在主機自由端和尾軸各1 個。在尾軸上安裝傳動裝置，將傳感器平行固定于傳動裝置上，如圖1 所示。橫向振動共有4 個測試點，在2 個軸系中某一截面上布置2 個相互垂直的位移傳感器，如圖2所示。縱向振動共有2 個測試點，每個軸系端面各一個，垂直于端面安裝位移傳感器，如圖3 所示；軸功率測試點共2 個，在2 個軸系尾軸上安裝軸系遙測功率儀的應變片，如圖4 所示。

圖 1 軸系扭振測點布置示Fig. 1 Arrangement of measuring points for torsional vibration of shafting system

圖 2 軸系橫向振動測點布置Fig. 2 Layout of measuring points for transverse vibration of shafting system

圖 3 軸系縱向振動測點布置Fig. 3 Arrangement of measuring points for longitudinal vibration of shafting system

圖 4 軸系軸功率測點布置Fig. 4 Arrangement of measuring points for shafting shaft powern

3 實船測試結果分析

3.1 主汽輪機和減速器振動測試結果分析

如圖5 所示，當主汽輪機轉速位于R0～Rh時（Rh=R0+60 r/min），主機隔振裝置的垂向和橫向隔振效果均高于15 dB，高轉速下的主汽輪機隔振裝置隔振效果可以達到20 dB 以上，測試結果表明主汽輪機隔振裝置隔振效果良好。

表 1 傳感器布置統計Tab. 1 Sensor layout statistics

圖 5 不同轉速下的主機隔振裝置隔振效果Fig. 5 Vibration isolation effect of main engine vibration isolation device at different speed

3.2 軸系振動測試結果分析

各工況下不同測點處軸系振動幅值隨轉速變化的趨勢如圖6～圖8 所示。測試結果表明，在主軸轉速由R0增加至Rh過程中（Rh=R0+60 r/min），軸系振動平緩，并未發現異常，可以確認軸系振動與軸功率均屬正常，不是導致船體振動的主要因素。

3.3 激振測試結果分析

船體橫向振動前2 階模態頻率分別為f1和f2，對應振型為典型的1 階2 節點彎曲和2 階3 節點彎曲模態。船體垂向振動前2 階模態頻率分別為f3和f4，對應振型為典型的彎曲模態。橫向振動第1 階固有頻率f1對應主軸轉速下船體在航行過程中未發生振動。橫向振動第2 階固有頻率f2對應主軸轉速下船體在實際航行過程中發生了振動；垂向振動的1 階和2 階頻率對應主軸轉速下的船體均未發生振動。所以船體在橫向振動2 階模態頻率f2處存在橫向共振的可能。

圖 6 雙主機全開加速度級Fig. 6 Full open acceleration level of dual main engines

圖 7 右主機單開加速度級Fig. 7 Right main engine single open acceleration level

圖 8 左主機單開加速度級Fig. 8 Single open acceleration stage of left main engine

3.4 總體和局部振動測試結果分析

觀察發現某型設備基座對應測試點在主軸轉速由R0增至Rh變化過程中（Rh=R0+60 r/min），在f2頻率點左右均出現峰值（見圖9），且該峰值在隨主軸轉速升高至Rh過程中迅速增加，超過Rh后迅速減小，提取某型設備基座其他位置的測點均有此規律，實船振動測試數據說明在主軸轉速為Rh左右時，船體發生共振。

為了進一步證明船體發生共振，現分別提取不同工況下、不同測點處f2頻率點左右的振動加速度信號如圖10～圖12 所示。

圖 9 某型設備基座測點振動加速度頻譜Fig. 9 Vibration acceleration spectrum of base measuring point of a certain equipment

圖 10 雙主機全開加速度級Fig. 10 Full-open acceleration level for dual mainframe

圖 11 左主機單開加速度級Fig. 11 Left main engine open acceleration level

圖 12 右主機單開加速度級Fig. 12 Right main engine open acceleration level

在雙主機并開工況下，總體上船體各測點的振動加速度級隨著轉速增加而增大；在左主機單開和右主機單開工況下，船體各測點的振動加速度級隨轉速增加而變大，部分測點的振動加速度級隨轉速增加，在Rh附近達到峰值，隨后快速減小。結合激振試驗測試結果，進一步證明了在船體轉速為Rh左右時，船體發生了共振。

4 結 語

對水面艦艇振動檢測方法進行了研究，從靜態和動態2 種方式下對船體振動進行檢測，重點介紹了軸承力、軸系對中、螺旋槳靜平衡和螺距、船體激振力、船總體和局部振動、主機和減速器振動特性、軸系振動特性、軸功率等測試方法。結合實船測試數據，分析得出主機轉速在Rh左右時船體的激振頻率與船體固有頻率重合，船體發生共振。船體共振的產生主要是由于船體改裝時，對船體某型設備基座底部艙室結構進行改變，導致船體2 階橫向固有頻率發生大幅度變化，而船體改裝后的固有頻率對應了船體主軸的常規轉速，無法進行規避。所以需要對改裝后的船體艙室結構進一步計算規劃，使船體固有頻率盡可能避開常規激振頻率，防止船體共振現象的發生。本文不僅探索了船體振動特性的測量技術及檢測方法，同時對我國水面艦艇的改裝也積累了一定的經驗。