“雪龍”號極地科學(xué)考察船集控室振動改進(jìn)技術(shù)

周 炎，徐 寧，董佳歡，周豪杰，葉林昌，朱巍巍

（1. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108；2. 中國極地研究中心，上海 200136）

0 引 言

“雪龍”號極地科考破冰船原為北極海域運(yùn)輸補(bǔ)給船，1989年在烏克蘭赫爾松船廠開工建造，1991年下水運(yùn)營，1993年由我國購入并運(yùn)營，至今已累計執(zhí)行22次南極科考任務(wù)和9次北極科考任務(wù)，在我國極地科考事業(yè)中發(fā)揮著重要作用。

2013年該船更換了主機(jī)和發(fā)電機(jī)組，此后在航行過程中發(fā)現(xiàn)其集控室的地板一直存在嚴(yán)重的振動問題，表現(xiàn)為：系泊狀態(tài)下，集控室地板存在局部結(jié)構(gòu)振動；高工況航行狀態(tài)下，振動尤為明顯。集控室長期過大振動不僅影響集控室內(nèi)電氣控制設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，而且對工作人員的身體健康有負(fù)面影響。

針對該問題，在該船回國修理和試航期間，對其開展了多次艙室振動和主推進(jìn)系統(tǒng)振動測試分析，積累了大量測試數(shù)據(jù)。例如：2016年6月，上海船用柴油機(jī)研究所開展了全艙室振動測試[1]，獲得了各種推進(jìn)工況下主要艙室的振動頻譜和峰值；2017年12月，瓦錫蘭公司對柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了振動測試[2]，認(rèn)為主機(jī)發(fā)火頻率造成的軸系跳動較大。由于振動原因比較復(fù)雜，主要原因未能定位清楚，始終無法采取具體可行的改進(jìn)措施。

2019年3月，“雪龍”號完成第35次南極考察任務(wù)，返回上海。經(jīng)過上船認(rèn)真勘驗，結(jié)合前期獲得的大量振動測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2013年對其動力系統(tǒng)進(jìn)行改造之后，其主機(jī)和發(fā)電機(jī)組的振動激勵頻率發(fā)生了變化，安裝邊界條件發(fā)生了變化，這是造成該船集控室振動過大的主要原因。

對此，為解決“雪龍”號集控室振動過大的問題，開展多種改進(jìn)方案的設(shè)計和優(yōu)化，并進(jìn)行振動仿真分析，制訂切實可行的綜合改進(jìn)方案。同時，通過實船測試，驗證該改進(jìn)方案的有效性。

1 集控室振動測試情況

1.1 “雪龍”號動力系統(tǒng)組成

“雪龍”號的主動力系統(tǒng)主要由單機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和可調(diào)槳組成。

2013年改造后，該船的主機(jī)為瓦錫蘭6RT-flex60L-B型低速柴油機(jī)，額定功率為13200kW，轉(zhuǎn)速為111r/min，剛性安裝；3臺發(fā)電機(jī)組均為瓦錫蘭Auxpac 1140W6L20型六缸中速柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組，額定功率為1200kW，轉(zhuǎn)速為1000r/min，單層彈性安裝。

1.2 集控室振動測試

“雪龍”號集控室（見圖1）面積較大，集控臺在艙室中央，艙壁布置有很多電氣控制屏。經(jīng)過前期和后期的振動測試發(fā)現(xiàn)：

1) 在系泊狀態(tài)（主機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行）下，集控室地板的振動測試頻譜見圖2，地板垂向振動速度峰值在50Hz頻率處約為2mm/s。集控室內(nèi)人員工作的位置有較為明顯的振感。

圖1 “雪龍”號集控室

圖2 系泊狀態(tài)下集控室地板的振動測試頻譜

2) 在全速航行工況下，集控室地板的振動測試頻譜見圖3，地板垂向振動速度峰值在10Hz頻率處高達(dá)7.0mm/s，振動速度總值（對應(yīng)頻率為1～80Hz）達(dá)到8.0mm/s。

3) 在從極地碼頭航渡至江南造船集團(tuán)（有限）責(zé)任公司時，主機(jī)轉(zhuǎn)速為101r/min，螺旋槳螺距70%，1#發(fā)電機(jī)組和3#發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，集控室地板的振動測試頻譜見圖4，地板垂向振動速度峰值在10Hz頻率處約為3mm/s，在50Hz頻率處約為2mm/s。

圖3 全速航行工況下集控室地板的振動測試頻譜

圖4 航渡時集控室地板的振動測試頻譜

此外，對集控室地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)測試分析，結(jié)果顯示，在11Hz頻率附近存在固有頻率。

2 集控室振動過大的原因分析

根據(jù)集控室地板振動測試結(jié)果，結(jié)合實船勘驗，經(jīng)過細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致集控室振動過大的主要頻率分量約為10Hz和50Hz，產(chǎn)生的主要原因如下：

妻問我何故歸家這樣的遲，我說遇到了朋友，在沙利文吃了些小點(diǎn)，因為等雨停止，所以坐得久了。為了要證實我這謊話，夜飯吃的很少。

1) 50Hz頻率主要來源于發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)排氣頻率，表現(xiàn)為排氣管直接焊接在集控室地板底部，而非連接在橫梁等加強(qiáng)筋處。該結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)剛度較小，對振動的抑制作用較小，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)二次振動。

2) 10Hz左右頻率主要來源于主機(jī)激勵頻率，該頻率與主機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，在測試結(jié)果中也得到了驗證，其中在全速航行和快速航行工況下，主機(jī)主要激勵頻率為10.3Hz，轉(zhuǎn)速為103r/min。

3) 采用敲擊法對集控室地板進(jìn)行模態(tài)測試，結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線顯示，在11Hz頻率附近存在結(jié)構(gòu)固有頻率。在船舶高速航行工況下，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速高于100r/min時，存在較強(qiáng)的耦合共振現(xiàn)象。

需說明的是，在2013年對該船的動力系統(tǒng)進(jìn)行改造前，集控室振動能被船上人員接受，其原因有：高速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)組的排氣激勵頻率為75Hz，安裝方式也有所不同；在全速至微速的5種前進(jìn)工況下，8L60型主機(jī)的振動激勵頻率分別為13.7Hz、13.7Hz、12.1Hz、10.3Hz和6Hz，轉(zhuǎn)速分別為103r/min、103r/min、91r/min、77r/min和45r/min，正好與集控室地板結(jié)構(gòu)的固有頻率11Hz錯開，且在船舶低速航行時，主機(jī)的干擾力大為下降。

3 改造方案設(shè)計思路

針對船舶主機(jī)和機(jī)組振動激勵引起的集控室振動問題，可從振源和傳遞路徑的角度進(jìn)行控制，可采取的措施如下。

3.1 排氣管改造

針對1臺主機(jī)和3臺輔機(jī)的排氣管，采用彈性安裝；同時，對吊架的支撐形式和剛度進(jìn)行優(yōu)化，阻止振動傳遞和避免引起二次振動。特別是排氣管支架與集控室地板直接相連處，需進(jìn)行修改加強(qiáng)。

3.2 集控室結(jié)構(gòu)振動計算評估及優(yōu)化

計算評估集控室地板的結(jié)構(gòu)振動情況，通過設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)等方式優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，增大結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免引起共振。

3.3 阻尼處理

阻尼材料在低頻段有很好的消峰作用，在主機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑上敷設(shè)阻尼材料能起到減振作用。因此，在集控室底部支撐結(jié)構(gòu)上敷設(shè)阻尼材料，包括橫艙壁和舷側(cè)艙壁等，以防止振動傳遞至集控室地板上。

4 振動模態(tài)分析

實船測試結(jié)果顯示，集控室地板存在共振風(fēng)險。下面通過有限元計算評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施的有效性。

建立集控室結(jié)構(gòu)有限元模型，研究對象為集控室地板。采用shell單元和beam單元建模，材料的彈性模量為210MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。建模和邊界條件選取的原則如下：

1）模型包含集控室地板區(qū)域，縱向、橫向和垂向等3個方向上有必要的結(jié)構(gòu)延伸；

2）模型邊界條件根據(jù)實際情況，采用實際結(jié)構(gòu)約束集控室地板邊界；

3）模型考慮地板敷料和集控室設(shè)備重量的影響。

結(jié)構(gòu)有限元計算模型見圖5。經(jīng)過計算，集控室地板第1階模態(tài)頻率為10.9Hz，模態(tài)振型為一階彎曲；第2階模態(tài)頻率為16.3Hz，模態(tài)振型為兩階彎曲（見圖6）。

圖5 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

圖6 集控室地板前2階模態(tài)頻率及振型

有限元計算結(jié)果表明：2013年對該船進(jìn)行改造之后，集控室原結(jié)構(gòu)在船舶高速航行工況下存在較強(qiáng)的耦合共振現(xiàn)象，第1階模態(tài)頻率（10.9Hz）與主機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時的激勵頻率非常接近。

在集控室地板底部強(qiáng)橫梁位置增加2處尺寸為φ273mm×12mm的立柱（見圖7），增大結(jié)構(gòu)剛度，以提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。設(shè)置立柱前后集控室地板結(jié)構(gòu)固有頻率對比見表1。

圖7 設(shè)置立柱的結(jié)構(gòu)形式

表1 設(shè)置立柱前后集控室地板結(jié)構(gòu)固有頻率對比 單位：Hz

5 實船振動測試分析

采取改進(jìn)排氣管支撐形式、增加集控室地板支撐結(jié)構(gòu)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實施阻尼處理等優(yōu)化改進(jìn)措施之后，開展船舶航行試驗，對比改造前后集控室的振動變化。集控室振動測點(diǎn)布置見圖8，改進(jìn)前后集控室地板振動測試結(jié)果對比見表2。

圖8 集控室振動測點(diǎn)布置

表2 改進(jìn)前后集控室地板振動測試結(jié)果對比

改進(jìn)后集控室振動測試結(jié)果表明：

1) 發(fā)電機(jī)組排氣管引起的地板結(jié)構(gòu)振動速度總值由改造前的2.00mm/s減小至0.20mm/s，幾乎察覺不到；

2) 全速航行時，主機(jī)振動激勵頻率引起的地板結(jié)構(gòu)振動峰值由改造前的7.00mm/s減小至2.64mm/s（減少約62%），振動速度總值由改造前的8.0mm/s減小至3.11mm/s（減少約61%），情況大為改善，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目標(biāo)值（不大于4mm/s）；

3) 航行試驗中，集控室的空氣噪聲為65～67dB(A)，小于70dB(A)。

因此，改進(jìn)后集控室的振動和噪聲滿足中國船級社《鋼制海船船舶入級規(guī)范》對船員處所和機(jī)艙控制室一級舒適度的要求（即振動不大于4mm/s，噪聲不大于70dB(A)）。

6 結(jié) 語

通過大量的振動測試和認(rèn)真的現(xiàn)場勘察，經(jīng)過相關(guān)模態(tài)分析，找到了“雪龍”號極地科考船集控室振動較大的主要原因是發(fā)電機(jī)排氣管振動和主機(jī)振動的激勵作用。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，提出了可行的解決方案。改進(jìn)后，經(jīng)過實船航行測試驗證，集控室振動較大的問題得到了解決，其振動噪聲幅值滿足中國船級社對集控室振動和噪聲一級舒適度（最高舒適度）的要求。