泥漿泵艙甲板振動(dòng)測(cè)試與控制

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(1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116113；2.大連理工大學(xué) a.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

目前船體振動(dòng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則通常采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織“機(jī)械振動(dòng)與沖擊”技術(shù)委員會(huì)基于人體對(duì)船舶適居性制定的《客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》(簡(jiǎn)稱(chēng)ISO6954—2000E)[1-2]。現(xiàn)代船舶逐漸向大型化、輕量化發(fā)展。一方面，為了增大經(jīng)濟(jì)效益，船體排水量日益增大，船上旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備數(shù)量多、產(chǎn)生的不平衡力也隨之增大；另一方面，為了降低成本設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小構(gòu)件的尺寸，致使船體剛度有所削弱[3]。振動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮設(shè)備靜載和環(huán)境荷載，容易忽視設(shè)備動(dòng)載引起甲板等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，因此較大的設(shè)備激振力誘使局部剛度低的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不符合上述規(guī)范的強(qiáng)迫振動(dòng)。此外，許多局部振動(dòng)問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段很難被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船體建造完成后進(jìn)行試航時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的局部振動(dòng)問(wèn)題，造成損失[4]。工程中不乏類(lèi)似的船體局部振動(dòng)案例，由于振動(dòng)都是在建造完成后才發(fā)現(xiàn)，所以通常采用增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)剛度的方案，如增加立柱或者橫梁等，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制[5-10]。但是局部振動(dòng)問(wèn)題因結(jié)構(gòu)差異而不同，具體案例需要具體分析。以某自升式平臺(tái)泥漿泵艙頂部甲板局部振動(dòng)問(wèn)題為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)測(cè)試，從試驗(yàn)角度判斷振動(dòng)類(lèi)型并分析振動(dòng)原因，為減振方案提供依據(jù)；根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論和參考文獻(xiàn)中的解決方案提出減振措施，使振動(dòng)符合規(guī)范要求。

1 工程概述

自升式平臺(tái)的船體主尺度見(jiàn)表1。

其泥漿泵艙位于Fr11～Fr16之間，艙內(nèi)布置的3臺(tái)相同型號(hào)泥漿泵，參數(shù)見(jiàn)表2。泵相對(duì)于頂部甲板的布置以及頂部甲板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表2 泥漿泵參數(shù)

圖1 泥漿泵位置及甲板下方管系托架位置

泥漿泵艙配置3臺(tái)相同型號(hào)的泥漿泵。平臺(tái)建造完成后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)只運(yùn)轉(zhuǎn)其中2臺(tái)泥漿泵時(shí)泥漿泵艙室頂部甲板便出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)現(xiàn)象。為了結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，對(duì)頂部甲板和泥漿泵的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試以找出振動(dòng)原因。

2 振動(dòng)測(cè)試

2.1 環(huán)境參數(shù)

甲板振動(dòng)測(cè)試的環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表3。

2.2 測(cè)試工況與測(cè)點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件和泥漿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)置2組工況，見(jiàn)表4。

表3 環(huán)境參數(shù)

表4 工況設(shè)置

各工況泥漿泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)為50SPM、70SPM、90SPM、100SPM、110SPM，對(duì)應(yīng)的泥漿泵壓力設(shè)為1000PSI、1000PSI、3000PSI、3000PSI、3000PSI。

泥漿泵開(kāi)啟后觀察甲板振動(dòng)情況，在甲板上表面選擇8個(gè)振動(dòng)最嚴(yán)重的位置作為測(cè)點(diǎn)，記為測(cè)點(diǎn)1、2、…、8，其位置見(jiàn)圖2。

圖2 泥漿泵艙頂部甲板布置與測(cè)點(diǎn)位置

此外，在3號(hào)泥漿泵的泵體、基座、出口箱體分別設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，記為測(cè)點(diǎn)9、10、11，泥漿泵的輸出管道上設(shè)測(cè)點(diǎn)12。

2.3 測(cè)試設(shè)備

振動(dòng)測(cè)試采用日本RION公司的精密振動(dòng)分析儀VA-12,其傳感器采用的是壓電式加速度探頭PV-57I，靈敏度范圍為1.00～9.99 mV/(m·s-2)，能同時(shí)顯示振動(dòng)的“加速度、速度、位移值”，擁有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及分析功能。

2.4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試泥漿泵不同轉(zhuǎn)速時(shí)12個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，其中測(cè)點(diǎn)1～10為垂向速度，測(cè)點(diǎn)11包括垂向速度和橫向速度，測(cè)點(diǎn)12為泥漿泵輸出管道的縱向振動(dòng)速度和橫向振動(dòng)速度。

2種工況下甲板1～8號(hào)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)速度見(jiàn)圖3a)、b)，測(cè)點(diǎn)2、4、6、8振動(dòng)異常嚴(yán)重，工況1中前3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度最大分別達(dá)到25.9、13.4、40.8 mm/s，工況2中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度最大值分別為46.7、16.3、34.4、38.7 mm/s，由此可見(jiàn)甲板振動(dòng)不滿(mǎn)足規(guī)范(ISO6954—2000E)對(duì)船舶工作區(qū)域的要求。泥漿泵泵體及其基座的振動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖3c)、d)，滿(mǎn)足上述規(guī)范要求。圖3e)為泥漿泵輸出管道縱向和橫向的振動(dòng)速度，滿(mǎn)足規(guī)范《Rules for ships, DNV》的要求。綜上所述，泥漿泵艙頂部甲板振動(dòng)局部振動(dòng)嚴(yán)重，需要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2.5 振動(dòng)分析

結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要分為共振和受迫振動(dòng)，其中共振主要是由激勵(lì)頻率和結(jié)構(gòu)某一階固有頻率接近或相等導(dǎo)致，可從調(diào)整結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度兩種方式改變結(jié)構(gòu)固有頻率來(lái)避免共振，而受迫振動(dòng)主要由激振力較大，而局部構(gòu)件的剛度又不足的原因造成，多采用加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)以提高剛度實(shí)現(xiàn)減振。通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)甲板振動(dòng)原因進(jìn)行分析。由圖3可知，在泥漿泵整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍50～110 SPM內(nèi)，甲板的振動(dòng)始終存在；并且隨著泵轉(zhuǎn)速(激勵(lì)頻率)的增加，甲板垂向振動(dòng)速度增加，但是振動(dòng)響應(yīng)曲線沒(méi)有出現(xiàn)在某一轉(zhuǎn)速下振動(dòng)速度響應(yīng)突然顯著增大的現(xiàn)象，因此可判斷頂部甲板的振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)。

圖3 2種工況下12個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度

因此從結(jié)構(gòu)剛度方向分析振動(dòng)原因。3臺(tái)泥漿泵的輸出管系是通過(guò)托架固定在甲板下方，甲板激振力主要來(lái)自管系的振動(dòng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)若干個(gè)托架一端固定在縱桁上，但另一端卻固定在剛度較弱的縱骨上，而上述的振動(dòng)最嚴(yán)重的測(cè)點(diǎn)正好位于若干個(gè)托架固定點(diǎn)，顯然甲板的強(qiáng)迫振動(dòng)是由托架的固定點(diǎn)的選擇不當(dāng)導(dǎo)致。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與驗(yàn)證

由于甲板振動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[6-11]中的減振方案，提出如下加強(qiáng)方案進(jìn)行減振。在主甲板和內(nèi)底之間增設(shè)2個(gè)支柱，縱向位于Fr13肋位處，橫向位于縱桁左右兩側(cè)第4條縱骨處(±L4)，并延長(zhǎng)管托長(zhǎng)度至Fr14，將管支架連接在Fr14強(qiáng)橫梁上，見(jiàn)圖4。

圖4 甲板加固措施

根據(jù)上述加固方案對(duì)甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，重新設(shè)置4種測(cè)試工況，見(jiàn)表5。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)找出5個(gè)振動(dòng)最大的位置作為測(cè)點(diǎn)，其位置見(jiàn)圖5。

表5 4種工況設(shè)置

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，泥漿泵轉(zhuǎn)速直接定為100 SPM，工況1泵壓設(shè)為4 800、6 000，工況2、3泵壓設(shè)為5 000、6 000，工況4泵壓為5 000 PSI。再次在相同環(huán)境參數(shù)條件下對(duì)頂部甲板進(jìn)行垂向振動(dòng)測(cè)試。

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上甲板測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)得頂部甲板在4種工況下振動(dòng)速度見(jiàn)圖6。所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均不超過(guò)8 mm/s，滿(mǎn)足規(guī)范(ISO6954—2000E)，上減振方案。

4 結(jié)論

1)對(duì)自升式平臺(tái)的泥漿泵艙頂部甲板異常振動(dòng)測(cè)試分析表明其振動(dòng)不符合規(guī)范要求，該振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)。

2)通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析，固定泥漿泵輸出管系的托架固定在剛度較弱的縱骨上是導(dǎo)致頂部甲板振動(dòng)的主要原因。

圖6 甲板上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)速度

3)通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，所提在頂部甲板和內(nèi)底之間增設(shè)立柱并延長(zhǎng)托架的加強(qiáng)方案合理，可顯著降低甲板振動(dòng)。

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的艙室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管系布置及其舾裝方案設(shè)計(jì)等，避免將產(chǎn)生動(dòng)載的設(shè)備及其相連管系等結(jié)構(gòu)連接或安裝到剛度較弱的結(jié)構(gòu)上，防止強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生。