G型主机机舱振动分析及加强措施

于杰

摘要：近来市场上流行的G型主机，以其节能高效吸引了大量船东的眼球，然而在实际使用中，由于G型主机比传统的S型主机转速低，尺寸更大，重量更重，对机舱的振动加强提出了更高的要求，本文通过有限元分析的方法，对G型主机整个机舱包括上建进行了分析，并提出加强方案。

关键词：船舶;G型主机;振动;有限元;加强

0  引言

主机为船舶推进提供动力，是船舶动力系统的核心设备，主机安全高效稳定的运行对船舶的营运起着至关重要的作用，人们一直在摸索如何将主机设计的更加节能环保。传统的主机在改进时往往采取降低航速的方法以达到节能的目的，但降低航速对航运公司而言大大延长了航行时间，一些雇主对此很不满意。市场上的主机厂商经过研究推出了一种新的机型，即在保证航速的情况下，燃油消耗比传统机型还要低，这吸引了大批船东开始关注这种机型。2012年，我厂与澳大利亚船东签订了64000吨散货船建造合同，按照合同，船东选择了市场新出的G型主机，主机厂家宣称这种机型比传统的S型机更节能环保，而且还能保证航速。但厂家资料显示这种机型比S型机重量更重，尺寸更大，传统的64000吨散货船机舱已无法满足这种机型的布置，必须进行重新设计。经过进一步的消化厂家资料，我厂认识到机舱的结构对于主机的振动相应存在隐患，为此运用有限元分析的方法，模拟整个机舱包括上建对主机振动的相应，就能准确的显示出哪些结构所承受的应力大，进而针对这些部位做出加强方案。

1  概述

本次振动分析包括强迫振动分析，结果参照ISO6954-2000标准，考虑到此标准对一些潜在的高危险区域不能完全识别，我们同时参照了ISO6954-1954标准，但此标准仅作参考，最终的结果仍以ISO6954-2000标准作为考核依据。

2  有限元建模

2.1 船体结构建模

在软件中建立3D模型以用于分析，所有主要结构包括甲板，纵向和横向舱壁，纵桁，强框架和外板作为主要受力单元，甲板横梁以及支柱挺筋作為附属构件。上层建筑仅以外板和横梁反映。为了真实反映主机的形状和刚度，我们建立了一个全面反映主机状态的有限元模型，此模型能输出主机发出的力，我们以外壳和横梁对模型进行简化。主机横撑我们以同等强度的结构进行简化。

需要注意的是，此次模型建立的网格单元包括横向和纵向，这就不仅能反映全船振动水平，也能准确的反馈局部结构振动水平，如桅，甲板板和桥翼等。

2.2 质量模型

根据全船质量数据和初步装载手册钢板质量通过理想化的模型进行分布，大的设备如锅炉，发电机，舵叶，舱盖，尾轴，螺旋桨等根据重量重心设置成节点模型。主机的质量通过有限元模型定义。

3  选取载荷工况和检测部位

3.1 载荷工况的选择

理论上，一份完整的振动分析报告需最少包含两种工况：满载和压载。考虑到此次振动分析仅是为了分析在极端情况下主机的振动响应水平，所以我们这次选取一种具有代表性的极端工况进行分析。

根据以往S型主机64000吨散货船的经验，全船的共振频率在压载工况下大概在6.3Hz，这对于5缸G型主机的船极有可能产生共振，因为这种主机的转速仅为77转，H型弯矩为6.4Hz。因此此次分析主要针对H型弯矩。

3.2 检测部位的选择

经过初步核算，我们选取了九个具有代表性的位置进行考核，她们是fore end of ME top （y）， aft end of ME top （y）， lower platform （PS） （z）， Lower platform （SB） （z）， center of engine control room（z）， compass deck（y）， radar mast platform（y）， radar mast top（y）， room with sun window glass（y）。这些位置的显示见fig11-fig16，主要反映了在0速度时这些位置和周围结构的情况。主机顶部参照标准根据厂家MAN的数据是25～50mm/s，其它位置根据ISO6954-1984是4～9mm/s。

3.3 主机横撑的检测

主机横撑的作用是通过连接主机和尾部结构使之形成一个整体结构，从而增加这种整体结构的刚度，降低自然频率和振动响应。如果我们将船体结构、主机横撑和主机的刚度分别定义为K1、K2和K3，那么整体结构的刚度就为1（1/K1+1/K2+1/K3）。通过公式我们可以得出结论：整体结构的刚度取决于刚度最小的单个结构。

根据图纸原始设计有四根横撑安装在主机排气管一侧，我们设定横撑刚度为500MN/m，船体结构为1000MN/m。

为了进行对比，我们设置了三种情况Variant 1，2，3：

Variant 1：将4根横撑取消，有些情况下取消横撑可以带来积极的效果，通常这样会降低主机和结构的整体自然频率，但会增加低频时的振动响应。为了降低这种响应，我们增加了电动补偿器的测试。

Variant 2：将横撑增加到8根，两根液压式设置在主机泵一侧，6根机械式设置在排气管一侧。根据厂家资料，泵一侧的横撑刚度设成390MN/m，排气管一侧设成709MN/m。和Variant 1一样，补偿器的测试曲线分别为Variant 2a和2b。

Variant 3：将横撑设成6根，两根液压式设置在主机泵一侧，4根机械式设置在排气管一侧。刚度和Variant 2一样，补偿器的测试曲线分别为Variant 3a和3b。

3.4 结果显示

根据设置的三种情况，对选好的九个点的测试结果用曲线输出，并进行对比，结果显示：

Variant 1：取消所有横撑后，结果显示自然频率降到了62rpm，振动相应增加了1到24倍不等，平均7倍，这种现象是船体和主机整体刚度下降的结果导致的。这种振动响应的剧烈程度以至于正常的补偿器根本无法有效的工作，所以取消横撑的方案不能接受。

Variant 2：船体和主机的联合体刚度最大，全船自然频率在1rpm到72rpm之間，但振动响应下降了25%～50%，平均40%。很多点与它们自身的振动标准都保持了一致，当然补偿器可以提供更好的效果，但已经没有必要了。

Variant 3：船体和主机的联合体刚度比Variant 2稍微有所下降，全船自然频率在1rpm到72rpm之间，振动响应下降了20%～45%，平均35%，仅仅比Variant 2少了5%。很多点仍然与它们自身的振动标准都保持了一致，当然补偿器可以提供更好的效果，也没有必要了。

通过这九个点的结果显示，全船的beam H moment振动响应发生在71rpm，增加了主机横撑后，任何的加强都会增加全船的自然频率，一般在1～72rpm，考虑到主机的CSR是70.8rpm，可以想象情况非常严重。主机横撑的增加将导致船体很多部位的振动加强响应非常大。

因此必须增加额外的加强作为补偿。

3.5 加强方案

经过讨论，我们采用Variant 3方案，主机设置6根横撑，并增加相应的船体结构加强。

①在平台板横撑部位增加板厚。

②在平台反面增加箱体结构和实肋板以及强横梁，见图2蓝色和粉色区域。

3.6 结果论证

试航时对主机周围进行了全方位检测，试航报告显示，主机周围振动远低于标准，达到了预期目标。（图3）

4  结束语

通过这次有限元分析，成功的对主机振动响应做出了预警，采取的方案经过实船验证也达到了预期的效果，这大大减少了试航交船存在的隐患，为其它船头提供了有益的参考。

参考文献：

[1]曼恩动力设备公司MDT从雪佛龙公司获得G型主机订单[J].机电设备，2012，29（06）：25-26.

[2]申亮，顾立舟，李永坡，张宇.低速船用主机台架试验结构振动避振方法[J].柴油机，2016，38（03）：40-43.

[3]钱俊辉，李小彪，谭丁.G型连杆齿形裂纹焊修工艺开发[J].内燃机与配件，2019（03）：150-151.