某油船尾部异常噪声的解析

卢东庆，罗运同，杨少波(.9878部队装备部，广东 湛江 5403；.南海舰队装备部，广东 湛江 54005)

某油船尾部异常噪声的解析

卢东庆1，罗运同2，杨少波1
(1.91878部队装备部，广东 湛江 524031；2.南海舰队装备部，广东 湛江 524005)

通过故障树分析方法，逐一分析了影响某新建油船尾部螺旋桨区域出现异常噪声的原因。在分析过程中，除采用了测量分析法外，还运用理论分析这种噪声的形成机制，推断出这种噪声是由于螺旋桨加工精度不高所致，即形成了所谓的螺旋桨“谐鸣”现象。

油船；螺旋桨；异常噪声；谐鸣

由于隐身性能已经成为舰船设计和建造的首要关切问题，控制和减小舰船振动噪声业已成为国内外船舶行业的通用标准。要控制和减小舰船振动噪声，必须首先找出噪声产生的根源，才能对症找出处理措施。若按噪声产生部位来分类，舰船振动噪声主要包括有水动力噪声、螺旋桨噪声和机械噪声[1]。其中，机械噪声指的是机舱内动力装置和轴系引起的传导噪声；而水动力噪声和螺旋桨噪声统称为流噪声，其本质上是船舶前行的阻力，是由于水流过结构引起，并随着结构的形状和运动变化而变化[2]。本文讨论中将要提及的螺旋桨“谐鸣”和“空泡”现象，可以归结到流噪声问题上来。

1 故障情况及故障树分析

1.1故障情况

某新建油船在航行试验过程中，发现主机在630 r/min(额定转速1 000r/min)运转时，尾部螺旋桨区域出现异常噪声，这种噪声在码头系泊、倒车和大舵角回转时没有；此外，随着转速进一步提高，该噪声逐渐消失。该船运营2年多来，这种尾部异常噪声的问题一直没有得到解决。无独有偶，这种现象在另一艘同型新建船舶上也一直存在。为减小振动噪声对船舶营运造成的不良影响、降低振动对船舶结构的冲击破坏，并为后续同型船舶设计提供应对措施，很有必要找出该型船舶产生尾部异常噪声的原因。

1.2故障树分析

故障树分析是安全系统工程的主要分析方法之一，即从顶上事件起，依据所要分析的深度逐级找出直接原因的事件，按其逻辑关系画出故障树，体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性。

故障树图是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态(基本事件)来显示系统的状态(顶事件)。本文所要讨论的顶事件为“油船尾部异常噪声”，通过逐层查找原因，得到其故障树图，如图1所示。图中用[*]表示逻辑与门，用[+]表示逻辑或门，用大于1000的序号表示逻辑门号，用小于1000的序号表示基本事件号。由图可知，逻辑门共有7个，基本事件共有10个。

图1 油船尾部异常噪声故障树图

1.2.1 柴油机负荷

如果螺旋桨上有渔网等缠绕物或者螺旋桨上海蛎子过多，都会引起柴油机超负荷。这可以通过对柴油机各工况下的排气温度进行监测和分析。表1 是该船航行训练时的一组监测数据，从表1中可以看出，即使在额定转速(1 000 r/min)下，各缸排气温度都没有超过最高允许排气温度(即lt;480 ℃)。可以推断，螺旋桨上应没有附着物。

表1 柴油机各工况下排气温度

1.2.2 轴系运行情况

如果轴系配合存在问题，也会产生异常噪声。轴系噪声主要由于轴系对中偏差或者轴承损坏等引起，属于机械噪声，可以通过对噪声源处的振动或者冷却温度进行监测和识别。由于该船没有对艉轴运行温度监测的仪表，只有利用3560A型HP振动噪声分析仪进行振动测量，用手持式温度测量仪对各轴承外部进行测温，并借助主机各工况下齿轮箱油温(见表2)进行辅助证明，认定轴系运行正常。

表2 柴油机各工况下艉轴运行情况

1.2.3 螺旋桨涡旋频率

对于螺旋桨涡旋产生的频率可按下式估算[3]：

f=0.002 πnD/δ0.6，

式中：n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；δ0.6为螺旋桨0.6R处随边的厚度。

将实桨数据D=2 140 mm，δ0.6=4.238 mm代入上式，取螺旋桨转速最小值n=120 r/min。

则有最小螺旋桨涡旋频率fmin=380.7 Hz。

实验研究表明，当涡旋产生的频率在桨叶的某一固有频率(f1～f2)范围内，就可能产生共鸣，并发出强烈的“谐鸣”现象。对于该型螺旋桨，最低固有频率[4]：

式中:δ0为假想桨叶延伸至轴线处的厚度(δ0=14 cm)；R为螺旋桨半径。由此可得：

f1=152.9 Hz,

而最高固有频率一般有如下经验公式:

f2=800 Hz,Dlt;2.0 m；

f2=400 Hz,D≅2.0 m。

由于实桨直径D=2 140 mm，略大于2 m，不妨设f2=800 Hz,可见f1lt;fminlt;f2。

螺旋桨涡旋频率落在螺旋桨固有频率中间，说明螺旋桨容易在某一振动频率发生共振，也就会产生所谓的“谐鸣”现象。

经上述分析，可从以下几点进行讨论。

1)若谐鸣发生在630 r/min附近，可算出螺旋桨涡旋频率f涡旋=539.4 Hz。此时，由于螺旋桨和涡旋产生了共振，可知螺旋桨固有频率f固有=f共振=539.4 Hz。

2)若螺旋桨0.6R处随边的厚度δ0.6变小，直到最小螺旋桨涡旋频率fmingt;80 Hz，即使螺旋桨涡旋频率落在螺旋桨固有频率之外，也将可以避免螺旋桨在工作转速内发生共振。此时，螺旋桨0.6R处随边的最大厚度可求，δ0.6=2.017 mm。

3)若fmingt;800 Hz，则螺旋桨将不会产生“谐鸣”现象，如果尾部仍有异常响声，那可以推断螺旋桨发生了“空泡”现象。

2 结束语

通过故障树分析，某型油船尾部产生异常噪声是由于螺旋桨产生了“谐鸣”现象。通过计算得知，螺旋桨产生“谐鸣”实际上是因为螺旋桨0.6R处随边的厚度太大的缘故(应该要减薄到2.017 mm以下)。考虑到是新建船舶，螺旋桨在使用过程中没有变形损坏，推测产生“谐鸣”最终的诱因应该是螺旋桨制造精度不高。

该船运营2年多来，尽管厂方也采取了一系列措施，比如对螺旋桨重新校对静平衡、进行抗鸣边处理和叶梢的空泡减压处理；对螺旋桨前端船体线型进行光顺处理；并在螺旋桨上方船体内侧敷设吸音水泥层等，但这种噪声现象依旧没有明显消除。

从厂方进行的种种处理措施来看，恰恰忽略了对螺旋桨随边厚度的处理。建议对螺旋桨0.2R～0.8R半径范围内随边的厚度进行减薄、光顺和静平衡处理，或许才能真正消除螺旋桨的“谐鸣”现象。

[1] 朱石坚,何琳.船舶机械振动控制[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2] 陈国钧.现代轮机工程[M].长沙:国防科技大学出版社,2000.

[3] 王国强,盛振邦.船舶推进[M].北京:国防工业出版社,1985.

[4] 倪世丰,陈余静,程广利，等.某型船尾部异常噪声研究[J].噪声与振动控制. 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

卢东庆(1964-)，男，湖北安陆人，高级工程师，大学本科，主要从事舰船机电管理工作。

2014-11-12