某船舶軸系故障異響分析

曹 博，劉水根

應(yīng)用研究

某船舶軸系故障異響分析

曹 博1，劉水根2

（海軍裝備部，武漢市 430000）

本文針對某鋼制雙體船在航行試驗時軸系出現(xiàn)異常噪聲的現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究。根據(jù)軸系布置，通過分析造成軸系異響的因素，制定軸系異響故障排查方案，進(jìn)行了軸系排查測試。根據(jù)排查結(jié)果，確定導(dǎo)致軸系異響的原因為螺旋槳鳴音，并對螺旋槳鳴音機(jī)理進(jìn)行分析，最終確定通更換槳葉來解決軸系異響。

船舶軸系 異響分析 故障排查 螺旋槳鳴音

0 引言

軸系異響是軸系出現(xiàn)故障的標(biāo)志，輕微異響或?qū)е螺^大噪聲，若不進(jìn)行處理，則會加劇其它零件的磨損，嚴(yán)重異響不僅會產(chǎn)生較大噪聲，甚至影響軸系運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致安全事故。某船為鋼制雙體船，采用雙機(jī)雙槳、雙軸系、左右對稱布置。在進(jìn)行航行試驗時，軸系出現(xiàn)異常噪聲。本文對船舶航行時的軸系異響進(jìn)行研究，排查致軸系異響故障的原因，對其進(jìn)行分析，提出軸系噪聲解決措施。

1 概述

為保證船舶行駛安全及船員的休息，船舶噪聲需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。船舶噪聲主要包括螺旋槳噪聲、船體振動噪聲、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲、輔助機(jī)械噪聲、液壓沖擊噪聲、柴油機(jī)燃燒噪聲、空氣動力噪聲、排氣噪聲、激勵葉片振動噪聲等。按照途徑主要分為三種：空氣聲，動力或輔助機(jī)械設(shè)備直接向空氣中輻射噪聲；結(jié)構(gòu)聲，機(jī)械的振動能量沿固體結(jié)構(gòu)傳播到船體各部位，然后再向外輻射；水下噪聲，船體振動或螺旋槳擾動的向水下輻射。

軸系異響屬于船舶噪聲的一種，包括螺旋槳噪聲和船體振動噪聲等。當(dāng)軸系出現(xiàn)異響，需要及時排查原因，分析其對航行安全的影響，制定解決方案或改進(jìn)措施。

1.1 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和空氣噪聲（當(dāng)槳葉表面的水分子壓力降低到水的汽化壓力時，產(chǎn)生氣泡，氣泡上升后破裂）。旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳在不均勻流場中工作引起干擾力和螺旋漿機(jī)械不平衡引起的干擾力（軸頻）所產(chǎn)生的噪聲。空氣噪聲具有連續(xù)譜的特征，其特性與槳葉形狀、面積、葉距分布等因素又換。在一定轉(zhuǎn)速下，隨著螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋的頻率與槳葉固有頻率相近時，產(chǎn)生螺旋槳鳴。

1.2 船體振動噪聲

船舶軸系在工作過程中，可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動、縱向振動和橫向振動三種振動形式。扭轉(zhuǎn)振動是主機(jī)通過軸系傳遞功率至螺旋槳，造成各軸段間的扭轉(zhuǎn)角度不相等，軸段來回擺動產(chǎn)生的；縱向振動主要是因螺旋槳推力不均勻造成的；橫向振動主要是由于轉(zhuǎn)軸不平衡引起的，包括各軸承徑向支撐及其基座振動。對于扭轉(zhuǎn)振動而言，輕則引起較大噪聲、加劇其它零件的磨損，重則可使曲軸折斷，造成安全事故。對于縱向振動和橫向振動，產(chǎn)生噪聲來源于軸系部件與軸的摩擦碰撞。

2 故障說明

某船為鋼制雙體船，主推進(jìn)系統(tǒng)采用電力推進(jìn)，雙機(jī)、雙槳、雙軸系、左右對稱布置，推進(jìn)電機(jī)經(jīng)高彈性聯(lián)軸器、推力軸、螺旋槳軸（艉軸）傳動驅(qū)動螺旋槳，軸系中心線與船的中線面平行，軸系中心線與船的中線面距離11300mm，軸系中心線與基線平行，距基線高度為2650mm。螺旋槳與螺旋槳軸之間采用液壓無鍵聯(lián)接；螺旋槳軸與推力軸之間采用液壓聯(lián)軸器聯(lián)接。其軸系布置圖如圖1所示。

圖1 軸系布置圖

在航行過程時，左、右舷推進(jìn)電機(jī)艙出現(xiàn)異常噪聲，具體表現(xiàn)為左舷進(jìn)三及以上工況有凸顯聲音，其他工況正常；右舷進(jìn)二工況有輕微響聲，進(jìn)三、進(jìn)五工況有凸顯聲音，進(jìn)一、進(jìn)四無異常聲音。

3 軸系異響故障分析

3.1 軸系異響排查方向

根據(jù)軸系出現(xiàn)的異響，按照可能導(dǎo)致軸系異響的因素，確定排查方向：

1）推進(jìn)電機(jī)艙及附近艙室船體結(jié)構(gòu)或舾裝件（基座、梯子、馬腳、管卡）等安裝緊固出現(xiàn)問題，在軸系運行過程中發(fā)生振動出現(xiàn)異響；

2）軸系施工質(zhì)量問題，軸系接地裝置、軸系制動裝置、艉軸密封裝置等設(shè)備安裝不當(dāng)，在軸系運轉(zhuǎn)過程中與軸系干涉摩擦發(fā)出異響；

3）螺旋槳或?qū)Я髡窒贤獠糠掷p繞異物，軸系運轉(zhuǎn)過程中與結(jié)構(gòu)摩擦或撞擊產(chǎn)生異響；

4）槳軸匹配不當(dāng)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中動態(tài)不平衡，產(chǎn)生振動后傳遞至艙內(nèi)，發(fā)生異響；

5）共振問題，推進(jìn)系統(tǒng)及附屬設(shè)備振動頻率與軸系振動頻率相近產(chǎn)生共振，發(fā)生異響。

3.2 軸系排查測試

3.2.1 推進(jìn)電機(jī)艙及附屬結(jié)構(gòu)焊接情況檢查

1）檢查尾部壓載艙及左右舵機(jī)艙的結(jié)構(gòu)焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況；

2）檢查推進(jìn)電機(jī)艙內(nèi)直梯、管系電纜支架等舾裝件的焊接安裝，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況；

3）檢查推進(jìn)電機(jī)的基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況；

4）檢查推力軸承基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況；

5）檢查軸系制動器基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況；

6）檢查軸系接地裝置基座焊接，看是否存在虛焊、脫焊、結(jié)構(gòu)松動等情況。

3.2.2 軸系施工質(zhì)量排查

1）檢查艉密封裝置安裝情況，檢查氣胎壓力；艉密封裝置動、靜環(huán)配合靈活，無卡滯現(xiàn)象，氣胎處于非充氣狀態(tài)，冷卻水壓力處于0.05 MPa～0.15 MPa之間；

2）檢查軸系接地裝置的安裝與軸系的間隙情況，軸系接地裝置與艉軸四周間隙均勻、無雜質(zhì)與干涉；

3）檢查軸系剎車裝置安裝間隙情況，軸系制動裝置應(yīng)處于松開狀態(tài)，與艉軸四周間隙均勻、無雜質(zhì)與干涉；

4）檢查推力軸承的安裝情況，檢查各螺栓、螺母是否都已擰緊；

5）檢查高彈性聯(lián)軸器的安裝情況，各螺栓、螺母是否都已擰緊，中間是否有異物；

6）檢查推進(jìn)電機(jī)的安裝情況，檢查底部隔振器、限位器、機(jī)腳螺栓是否擰緊。

3.2.3 螺旋槳及導(dǎo)流罩檢查

螺旋槳外觀檢查，檢查是否有異物纏繞或其他異常情況。檢查導(dǎo)流罩與槳轂之間的間隙（約10 mm）處，是否有異物纏繞或其他異常情況。

3.2.4 檢查軸系對中情況

1）檢查艉軸與推力軸承的對中情況

拆除液壓聯(lián)軸器，安裝工裝表架檢查艉軸與推力軸承的對中。上下偏移（a-0.05）～(a+0.05) mm（a為尾軸安裝液壓聯(lián)軸器后的下垂量），左右偏移≤0.05 mm；曲折≤0.10 mm/m。

2）檢查推力軸承與推進(jìn)電機(jī)的對中情況

拆除高彈性聯(lián)軸器，檢查推力軸承與推進(jìn)電機(jī)的對中情況，對中結(jié)果滿足偏移≤0.05 mm，曲折≤0.10 mm/m。

3.2.5 軸系及相關(guān)設(shè)備振動測量

1）軸系的扭振測量

在螺旋槳軸上粘貼應(yīng)變計，安裝信號調(diào)制及無線發(fā)射模塊，軸系運行時從30 r/min～120 r/min，進(jìn)行軸功率測試，測試數(shù)據(jù)詳見表1。軸系扭振測試結(jié)果表明軸系運行未見異常，扭振應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，沒有轉(zhuǎn)速禁區(qū)，符合規(guī)范要求。

表1 主機(jī)軸功率測試數(shù)據(jù)

2）軸系橫振測量

在左舷和右舷艉軸上布置激光傳感器，把信號接入泰斯特振動測量分析儀，分別在29.8 r/min(雙機(jī)進(jìn)一)、54.7 r/min（雙機(jī)進(jìn)二）、72.6 r/min（雙機(jī)進(jìn)三）、94.5 r/min（雙機(jī)進(jìn)四）和119.4 r/min（雙機(jī)進(jìn)五）時測量。通過對測試數(shù)據(jù)分析，在頻域圖中，測到的1諧次振幅比較平穩(wěn)，無明顯的波動，轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形見圖2和圖3；測到的5諧次振幅比較平穩(wěn)，無明顯的波動，轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形見圖4和圖5。

3）推進(jìn)電機(jī)艙空氣噪音測量

測量不同工況下左、右舷推進(jìn)電機(jī)艙和艉尖艙振動及噪音，具體試驗工況如下表2所示。測試的空氣噪聲值滿足相關(guān)空氣噪聲指標(biāo)要求足（GJB4000-2000中的038.4.2.3規(guī)定的噪聲限值），與同型號其他船相當(dāng)。

圖2 左舷艉軸1諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

圖3 右舷艉軸1諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

圖4 左舷5諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

4）相關(guān)設(shè)備振動測量

對船尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動測試，運行工況為單機(jī)、雙機(jī)進(jìn)一至進(jìn)五工況及退三工況，具體測點布置見圖6，測試結(jié)果表明推進(jìn)系統(tǒng)及附屬設(shè)備未出現(xiàn)明顯振動。

圖5 右舷5諧次轉(zhuǎn)速－振幅及典型波形圖

表2 試驗工況

圖6 推進(jìn)電機(jī)艙結(jié)構(gòu)測點布置示意圖

3.3 排查結(jié)果分析

排查結(jié)果表明軸系運行未見異常，扭振應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，兩舷軸系可安全使用；通過對軸系及其附屬系統(tǒng)安裝質(zhì)量檢查，軸系對中及附屬設(shè)備安裝滿足設(shè)計要求；推進(jìn)電機(jī)、推力軸承、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器等設(shè)備在各工況下運行正常，溫度、壓力、電流電壓等未出現(xiàn)報警等情況；艉軸密封裝置泄漏量及殼體溫度正常。

通過對上述測量結(jié)果分析，尾部軸系區(qū)域結(jié)構(gòu)安裝完整、軸系運行時監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，輔機(jī)運行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設(shè)計要求，軸系運行安全。

該振動偏大現(xiàn)象與軸系運轉(zhuǎn)有關(guān)，軸段是傳遞通道之一，引起振動阻尼較小，初步排除船體結(jié)構(gòu)引起的流激振動的影響，且推進(jìn)電機(jī)艙空氣噪聲在操舵時有明顯下降。綜合上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，初步判斷艉部噪聲偏大是由螺旋槳鳴音引起。

4 螺旋槳鳴音機(jī)理

卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)中所研究的重要現(xiàn)象，在自然界中常可遇到，如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪等時會產(chǎn)生漩渦誘發(fā)振動。1911年，T.von卡門把這種現(xiàn)象與一條穩(wěn)定交錯排列的漩渦形成聯(lián)系在一起，稱為為卡門渦街。在一定條件下的定常流繞過某些物體時，將發(fā)生邊界層分離，物體兩側(cè)會出現(xiàn)兩列有規(guī)則的漩渦列，兩列漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的，開始時這兩列漩渦分別保持自身的運動前進(jìn)，隨著兩列漩渦互相干擾，互相吸引，形成非線性的渦街，這樣形成的旋渦列流動和物體的相互作用，成為誘發(fā)振動效應(yīng)的根據(jù)[1]。

同理，當(dāng)槳葉的固有頻率與卡門渦頻率一致時，也會引發(fā)共振。卡門渦街交替脫落時會產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲響效應(yīng)，這種聲響是由于卡門渦街周期性脫落時引起的流體中的壓強(qiáng)脈動所造成的聲波。如果渦街交替脫落頻率與物體的聲學(xué)頻率相重合，會引發(fā)聲學(xué)共振[2]。

由于船尾伴流場的復(fù)雜性，界層分離程度及分離點的位置是變化的，在設(shè)計螺旋槳時，很難用理論計算的方法對鳴音問題進(jìn)行預(yù)報。同時，產(chǎn)生螺旋槳鳴音的原因除了主要的卡門渦街外，還與空泡現(xiàn)象造成的振動和葉片顛振有關(guān)。對于空泡現(xiàn)象造成的振動鳴音，一般出現(xiàn)在無空泡腐蝕的螺旋槳上，此時鳴音最強(qiáng)。當(dāng)螺旋槳上剛產(chǎn)生空泡時，鳴音開始減弱，空泡一發(fā)展，鳴音隨即消失。

5 軸系異響處理方案

通過對上述測量結(jié)果分析，尾部軸系區(qū)域結(jié)構(gòu)安裝完整、軸系運行時監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，輔機(jī)運行正常，軸系扭振、橫振、縱振、軸功率等均滿足設(shè)計要求，軸系運行安全，初步判定該空氣噪聲為螺旋槳鳴音引起。螺旋槳鳴音對船舶總體性能沒有太大危害，但是會影響船員工作及生活的舒適性，同時會對船舶隱身性能造成影響。

通過螺旋槳鳴音機(jī)理分析可知，螺旋槳鳴音是由于卡門渦誘發(fā)的非定常流體升力對螺旋槳槳葉隨邊造成激勵作用的流體動力學(xué)彈性共振問題，可以通過改變共振頻率或螺旋槳自身的固有頻率來消除共振，即可通過增大螺旋槳阻尼或?qū)β菪龢碾S邊進(jìn)行處理來解決螺旋槳的鳴音問題[3]。綜上所述，確定該船軸系異響的處理方案為更換螺旋槳槳葉。

[1] 華漢金. 螺旋槳鳴音產(chǎn)生機(jī)理及防治方法[J]. 船舶, 2002(02): 20-23.

[2] 張鵬鷹, 隋波. 某型船艉軸異響原因分析與解決措施[J]. 裝備制造技術(shù), 2017(02): 192-193+203.

[3] 魏以邁, 鄭永敏, 陳韻芬. 船用螺旋槳鳴音的研究[J]. 中國造船, 1986(01): 14-22.

Abnormal Sound Analysis of a Ship Shafting Fault

Cao Bo1, Liu Shuigen2

(Naval Armament Department, Wuhan 430000)

U644.21

A

1003-4862（2022）11-0027-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系統(tǒng)工程。E-mail: cb625yh121@163.com