5 000HP油田供应守护船振动问题分析和治理

陆忠杰 赵 寅 曹建毅 李卫华

（1.中海油田服务股份有限公司，河北 065201 2.上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引言

5 000 HP油田供应守护船船长63.88m，型宽15m，型深6.65m；主机采用YAMAR PM734C，持续功率956 kW，额定转速900 r/min；螺旋桨采用4叶CPP桨，额定转速200 r/min。

该船首制船交船后，据船员反映,从后散料罐舱到舵机舱的走道区域和舵机舱区域振动和噪音非常大，造成人员不适。我方会同船东和专业测量单位对后续船进行了全面深入的测量调查和分析，最终找到了振动部位和原因，并采取适当措施，较好地解决了振动问题。

1 现场调研和初步判断

由于当时首制船未能及时提供振动的具体部位和情况，且该船已经赴油田作业，为了掌握该型船的振动问题的实际情况，借后续船试航之机，进行了一次振动摸底测试。

摸底测试的目的是在试航吃水状态下，查找在首制船反映的30%～50%主机负荷间该船型是否满足《商船振动综合评价基准》（GB/T 7452.2-1996）这一标准的要求。

为使测点测到的数据更能反映整个船体的振动情况，在驾驶室及主甲板的首、中、尾共选择了4个测点，每个测点均测量垂向、纵向和横向的加速度。试验工况定为4机全开，轴转速为200 rpm，主机转速为900 rpm。通过调整桨叶螺距改变主机负荷，使主机负荷为20%～50%。

测试结果显示各测点的纵向振动加速度值很小，在各个频率范围内最大值未超过15mm/s2。

横向振动加速度和《商船振动综合评价基准》的比较见表1。由表1可见：所有的数据均未超过标准允许的上限值，横向振动满足《商船振动综合评价基准》的要求。

表1 横向振动加速度和《商船振动综合评价基准》的比较

表2 垂向振动加速度与《商船振动综合评价基准》的比较

以上数据表明船体梁前中后各测点均满足《商船振动综合评价基准》的要求，可知船体梁并未发生较大的振动，因此该船发生的振动为局部振动。需要进一步的调查和分析，才能找到具体振动部位。

随后在后续船上进行了第二次振动测量来寻找具体振动部位和振源。

根据船员的反映，振动较大的部位主要位于尾部区域。对主机基座和主轴轴承座的振动测量表明结构振幅在正常范围之内，主轴轴温也在正常范围之内。因此排除了主机和主轴部位不正常振动的可能。寻找具体振动部位的注意力集中到了螺旋桨附近结构。

根据《商船振动综合评价基准》附录A的补充要求：激振力直接作用区内的振动剧烈部位（如振动剧烈的螺旋桨上方壳板、尾尖舱壁及机舱底板）建议加测板格中心的振动幅值，作为衡量板格局部振动程度的参考测点。根据附录A，船底外板板格中心的振幅限值为：

A=0.11（s/100t）2t=0.33mm

因此在现场决定增加对尾部船底和舱壁的振动测量点：

1）No.12和No.13液舱平台以上的纵舱壁，（见图1，1号标记处）

数学课堂留白，指数学教师在课堂教学的某些环节中，有意留出一定的时间和空间让学生自主思考、感悟，为学生构建属于自己的数学认知结构，从事数学探究活动，表达对数学的理解提供机会．数学课堂留白艺术的运用，为师生思维火花的碰撞提供契机，有助于提高数学课堂教学的效能．

2）No.13和No.14液舱船底外板（见图1，3号标记处）

图1 尾部船底和舱壁的振动测量点

随后的测量结果表明：在No.12和No.13液舱平台以上的纵舱壁板架振动加速度较小，但骨材间的板格中心振动幅值测量结果较大；No.13和No.14液舱船底外板处振幅测量值为0.998mm，是标准值0.33mm的3倍左右。根据该结果，我们认为螺旋桨是主要的振源，主要的振动部位是螺旋桨附近的外板和相邻结构。

2 计算验证

根据螺旋桨厂商提供的螺旋桨脉动压力计算结果（MCR condition）（见图 2）最大压力为 2.36 kPa。小于脉动压力衡准要求8.0 kPa。因此，应从激励频率上入手进行分析。

图2 螺旋桨脉动压力计算结果

采用有限元计算方法，对图1中1号和3号部位的结构固有频率进行计算评估，计算软件为DNV的Sesam。频率储备值根据相关规范的要求按表3选取：

表3 局部振动的频率储备值

该船螺旋桨的叶频为 13.33 Hz、二倍叶频为 26.66 Hz、三倍叶频为 39.99 Hz、四倍叶频为53.32Hz。

2.1 纵舱壁部位计算结果及分析

由于测量结果表明板架振动较小，但骨材间的板格中心振动测量结果偏大，故计算扶强材之间的板格固有频率。通过Sesam进行有限元建模计算得到舱壁板格的一阶固有频率（空气中）为53.326Hz，参见图3。

图3 舱壁板格固有频率

根据《船舶设计手册振动控制指南》“第4章船体局部振动”对水中矩形板的固有振动频率进行修正计算得到：单面带水固有振动频率为26.97 Hz；双面带水固有振动频率为20.42Hz。

从以上计算结果可以得知在液舱空载时，纵舱壁的板格固有一阶振动频率和桨叶的4倍叶频（53.32 Hz）相同；在液舱满载（单面带水）的时候其板格固有一阶振动频率和桨叶的2倍叶频（26.66Hz）接近，裕度为1.2%，不满足局部振动频率储备值要求。

2.2 船底外板部位计算结果及分析：

1）通过Sesam进行有限元建模计算得到外板板格一阶固有频率（空气中）为67.5113Hz，见图4。

图4 外板板格固有频率

对水中矩形板的固有振动频率进行修正计算得到：单面带水固有振动频率为36.75 Hz;双面带水固有振动频率为28.16Hz。故该处的外板板格在空载（单面带水）的时候其板格的一阶固有振动频率和桨叶的3倍叶频（39.99Hz）接近，裕度为8.8%；在满载（双面带水）的时候其板格的一阶固有振动频率和桨叶的2倍叶频（26.66Hz）接近，裕度为5.4%，不满足局部振动频率储备值要求。

2）通过Sesam进行有限元建模计算得到外板板架的一阶固有频率（空气）为65.3447Hz，见图5。

图5 外板板架固有频率

对水中矩形板的固有振动频率进行修正计算得到：单面带水固有振动频率为35.6 Hz；双面带水固有振动频率为27.28Hz。故该处的外板板架在满载（双面带水）的时候其板架的一阶固有振动频率和桨叶的2倍叶频（26.66 Hz）接近，裕度为2%，不满足局部振动频率储备值要求。

3 提出解决方案及减振效果的评估和对比

根据测量结果和计算结果，采取了以下减振措施：

1） No.12和No.13的纵舱壁 （图1中1号和2号标记处）在舱壁半高处加水平加强筋；

2）船底（图1中3号标记处）处加设船底纵桁（图1中4号标记），并对采取减振措施以后的船体结构进行了振动测试。测试数据见表4～表6。

表4 加强后振动测试结果（50%螺距角）

表5 加强后振动测试结果（75%螺距角）

表6 加强后振动测试结果（90%螺距角）

加强后的后续船各测点局部振动值和《商船振动综合评价基准》的要求进行对照，各测点速度值均小于良好区域极限值4mm/s。该船的局部振动满足要求。螺旋桨激振力直接作用区内的板格中心的振动幅值明显减小，也在允许范围内。

4 结语

本文提供了船舶振动的分析和处理的实际工程案例。根据现场测试和计算分析，分析和查找原因，进而对结构采取有效的加强措施，并经过现场再次测试，满足了《商船振动综合评价基准》的要求。

对于该类型工程船，由于螺旋桨功率较大，结构相对比较弱。在设计阶段，设计人员有必要采取经验公式等手段对尾部的局部板格和板架的固有频率进行估算，以防止螺旋桨激励频率和结构发生的共振现象。

［1］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册（结构分册）［M］.北京：国防工业出版社，2000.

［2］中国船级社.船上振动控制指南（2000）［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］李凯等.30 000 t大湖型散货船有害振动的诊断和治理［J］.船舶工程 ，2009，（4）.

［4］吴佳蒙.集装箱船的振动与响应评估［J］.上海造船，2009，（4）.