某油船尾部異常噪聲的解析

盧東慶，羅運同，楊少波(.9878部隊裝備部，廣東 湛江 5403；.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 54005)

某油船尾部異常噪聲的解析

盧東慶1，羅運同2，楊少波1
(1.91878部隊裝備部，廣東 湛江 524031；2.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 524005)

通過故障樹分析方法，逐一分析了影響某新建油船尾部螺旋槳區(qū)域出現(xiàn)異常噪聲的原因。在分析過程中，除采用了測量分析法外，還運用理論分析這種噪聲的形成機制，推斷出這種噪聲是由于螺旋槳加工精度不高所致，即形成了所謂的螺旋槳“諧鳴”現(xiàn)象。

油船；螺旋槳；異常噪聲；諧鳴

由于隱身性能已經(jīng)成為艦船設(shè)計和建造的首要關(guān)切問題，控制和減小艦船振動噪聲業(yè)已成為國內(nèi)外船舶行業(yè)的通用標準。要控制和減小艦船振動噪聲，必須首先找出噪聲產(chǎn)生的根源，才能對癥找出處理措施。若按噪聲產(chǎn)生部位來分類，艦船振動噪聲主要包括有水動力噪聲、螺旋槳噪聲和機械噪聲[1]。其中，機械噪聲指的是機艙內(nèi)動力裝置和軸系引起的傳導(dǎo)噪聲；而水動力噪聲和螺旋槳噪聲統(tǒng)稱為流噪聲，其本質(zhì)上是船舶前行的阻力，是由于水流過結(jié)構(gòu)引起，并隨著結(jié)構(gòu)的形狀和運動變化而變化[2]。本文討論中將要提及的螺旋槳“諧鳴”和“空泡”現(xiàn)象，可以歸結(jié)到流噪聲問題上來。

1 故障情況及故障樹分析

1.1故障情況

某新建油船在航行試驗過程中，發(fā)現(xiàn)主機在630 r/min(額定轉(zhuǎn)速1 000r/min)運轉(zhuǎn)時，尾部螺旋槳區(qū)域出現(xiàn)異常噪聲，這種噪聲在碼頭系泊、倒車和大舵角回轉(zhuǎn)時沒有；此外，隨著轉(zhuǎn)速進一步提高，該噪聲逐漸消失。該船運營2年多來，這種尾部異常噪聲的問題一直沒有得到解決。無獨有偶，這種現(xiàn)象在另一艘同型新建船舶上也一直存在。為減小振動噪聲對船舶營運造成的不良影響、降低振動對船舶結(jié)構(gòu)的沖擊破壞，并為后續(xù)同型船舶設(shè)計提供應(yīng)對措施，很有必要找出該型船舶產(chǎn)生尾部異常噪聲的原因。

1.2故障樹分析

故障樹分析是安全系統(tǒng)工程的主要分析方法之一，即從頂上事件起，依據(jù)所要分析的深度逐級找出直接原因的事件，按其邏輯關(guān)系畫出故障樹，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準確性和預(yù)測性。

故障樹圖是一種邏輯因果關(guān)系圖，它根據(jù)元部件狀態(tài)(基本事件)來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)(頂事件)。本文所要討論的頂事件為“油船尾部異常噪聲”，通過逐層查找原因，得到其故障樹圖，如圖1所示。圖中用[*]表示邏輯與門，用[+]表示邏輯或門，用大于1000的序號表示邏輯門號，用小于1000的序號表示基本事件號。由圖可知，邏輯門共有7個，基本事件共有10個。

圖1 油船尾部異常噪聲故障樹圖

1.2.1 柴油機負荷

如果螺旋槳上有漁網(wǎng)等纏繞物或者螺旋槳上海蠣子過多，都會引起柴油機超負荷。這可以通過對柴油機各工況下的排氣溫度進行監(jiān)測和分析。表1 是該船航行訓(xùn)練時的一組監(jiān)測數(shù)據(jù)，從表1中可以看出，即使在額定轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)下，各缸排氣溫度都沒有超過最高允許排氣溫度(即lt;480 ℃)。可以推斷，螺旋槳上應(yīng)沒有附著物。

表1 柴油機各工況下排氣溫度

1.2.2 軸系運行情況

如果軸系配合存在問題，也會產(chǎn)生異常噪聲。軸系噪聲主要由于軸系對中偏差或者軸承損壞等引起，屬于機械噪聲，可以通過對噪聲源處的振動或者冷卻溫度進行監(jiān)測和識別。由于該船沒有對艉軸運行溫度監(jiān)測的儀表，只有利用3560A型HP振動噪聲分析儀進行振動測量，用手持式溫度測量儀對各軸承外部進行測溫，并借助主機各工況下齒輪箱油溫(見表2)進行輔助證明，認定軸系運行正常。

表2 柴油機各工況下艉軸運行情況

1.2.3 螺旋槳渦旋頻率

對于螺旋槳渦旋產(chǎn)生的頻率可按下式估算[3]：

f=0.002 πnD/δ0.6，

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑；δ0.6為螺旋槳0.6R處隨邊的厚度。

將實槳數(shù)據(jù)D=2 140 mm，δ0.6=4.238 mm代入上式，取螺旋槳轉(zhuǎn)速最小值n=120 r/min。

則有最小螺旋槳渦旋頻率fmin=380.7 Hz。

實驗研究表明，當渦旋產(chǎn)生的頻率在槳葉的某一固有頻率(f1～f2)范圍內(nèi)，就可能產(chǎn)生共鳴，并發(fā)出強烈的“諧鳴”現(xiàn)象。對于該型螺旋槳，最低固有頻率[4]：

式中:δ0為假想槳葉延伸至軸線處的厚度(δ0=14 cm)；R為螺旋槳半徑。由此可得：

f1=152.9 Hz,

而最高固有頻率一般有如下經(jīng)驗公式:

f2=800 Hz,Dlt;2.0 m；

f2=400 Hz,D?2.0 m。

由于實槳直徑D=2 140 mm，略大于2 m，不妨設(shè)f2=800 Hz,可見f1lt;fminlt;f2。

螺旋槳渦旋頻率落在螺旋槳固有頻率中間，說明螺旋槳容易在某一振動頻率發(fā)生共振，也就會產(chǎn)生所謂的“諧鳴”現(xiàn)象。

經(jīng)上述分析，可從以下幾點進行討論。

1)若諧鳴發(fā)生在630 r/min附近，可算出螺旋槳渦旋頻率f渦旋=539.4 Hz。此時，由于螺旋槳和渦旋產(chǎn)生了共振，可知螺旋槳固有頻率f固有=f共振=539.4 Hz。

2)若螺旋槳0.6R處隨邊的厚度δ0.6變小，直到最小螺旋槳渦旋頻率fmingt;80 Hz，即使螺旋槳渦旋頻率落在螺旋槳固有頻率之外，也將可以避免螺旋槳在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生共振。此時，螺旋槳0.6R處隨邊的最大厚度可求，δ0.6=2.017 mm。

3)若fmingt;800 Hz，則螺旋槳將不會產(chǎn)生“諧鳴”現(xiàn)象，如果尾部仍有異常響聲，那可以推斷螺旋槳發(fā)生了“空泡”現(xiàn)象。

2 結(jié)束語

通過故障樹分析，某型油船尾部產(chǎn)生異常噪聲是由于螺旋槳產(chǎn)生了“諧鳴”現(xiàn)象。通過計算得知，螺旋槳產(chǎn)生“諧鳴”實際上是因為螺旋槳0.6R處隨邊的厚度太大的緣故(應(yīng)該要減薄到2.017 mm以下)。考慮到是新建船舶，螺旋槳在使用過程中沒有變形損壞，推測產(chǎn)生“諧鳴”最終的誘因應(yīng)該是螺旋槳制造精度不高。

該船運營2年多來，盡管廠方也采取了一系列措施，比如對螺旋槳重新校對靜平衡、進行抗鳴邊處理和葉梢的空泡減壓處理；對螺旋槳前端船體線型進行光順處理；并在螺旋槳上方船體內(nèi)側(cè)敷設(shè)吸音水泥層等，但這種噪聲現(xiàn)象依舊沒有明顯消除。

從廠方進行的種種處理措施來看，恰恰忽略了對螺旋槳隨邊厚度的處理。建議對螺旋槳0.2R～0.8R半徑范圍內(nèi)隨邊的厚度進行減薄、光順和靜平衡處理，或許才能真正消除螺旋槳的“諧鳴”現(xiàn)象。

[1] 朱石堅,何琳.船舶機械振動控制[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2] 陳國鈞.現(xiàn)代輪機工程[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2000.

[3] 王國強,盛振邦.船舶推進[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

[4] 倪世豐,陳余靜,程廣利，等.某型船尾部異常噪聲研究[J].噪聲與振動控制. 2005(4):45-47.

The causes of the odd noise at the stern of a new tank-ship were analyzed one by one with the Fault Tree.In the process,the mechanism of the odd noise was explained with some theoretical formulas,besides the measurement technique were adopted.The conclusion is that the odd noise is so calledresonance-hootsbetween the propeller and the vortex created by the propeller because of the little machining accuracy.

tank-ship;propeller;odd noise;resonance-hoots

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.007

盧東慶(1964-)，男，湖北安陸人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船機電管理工作。

2014-11-12