纵向阻尼器在长轴系船舶中的轴系减振应用

卢永勇,朱春雷,卢 斌,郭冬雪

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,江苏 南京 210015)

0 引言

随着民用船舶逐渐大型化,推进系统轴系的长度越来越长,振动问题更加突出,振动控制的难度也相应增大。非正常振动会对船舶结构产生危害,因此必须将轴系的振动控制在较低范围。

目前轴系振动的判断主要以轴系的振动计算为主,如扭振计算、纵振计算等,并由厂家在设计阶段采取相应措施。最终的理论计算尽管满足厂家或规范要求,但实际仍可能会超出计算结果[1]。

本文以某滚装船57.8 m的超长轴系为研究对象,分析轴系异常振动产生的原因和解决方案,验证SAVD对长轴系异常振动的减振效果。

1 纵向振动问题

某滚装船主机采用二冲程9S50ME-C,其轴系为双轴系,对称布置,轴系长度57.8 m,布置图见图1(仅以单轴系示意)。

1—CPP可调桨;2—艉管;3—艉管前密封;4—中间轴;5—配油环;6—螺距反馈器;7—中间轴承;8—中间轴;9—法兰;10—轴带发动机;11—主机。

轴系振动计算显示,轴系各项振动并不超标,符合厂家接收要求。在实船试航过程中,发现随着推进系统负荷的加大,轴隧噪声渐大;当轴功率大于85%MCR时,螺距反馈装置的螺距指针纵向振动大。经测量,配油环 (Oil Distribute Box,OD Box)的振动值高达37 mm/s以上,有肉眼可见的纵振。

对于轴系OD Box振动值,各大船级社没有明确的考核标准,部分船级社仅有笼统的指标,如：意大利船级社(RINA)规范要求轴系厂家确认即可;美国船级社(ABS)规范要求轴承振动不超过7mm/s,其他部件不超过13mm/s。ISO 4867—1984没有规定OD Box的振动限值。轴系制造厂家也无针对OD Box的明确技术指标,部分厂家仅有经验值,如15 mm/s以下。但本文研究的滚装船的OD Box振动值最高达37mm/s,已远超常规值,因此必须将振动值降低至厂家可以接受的状态。

2 振动原因分析及解决方案探讨

2.1 纵向振动产生的原因

分析主机转速与纵振关系曲线后,发现轴系产生纵振的原因主要来自主机6阶振动,并和轴系产生耦合振动所致。主机转速在110 r/min时,共振频率为11.0 Hz,OD Box的最大纵向振动达到24 mm/s;117 r/min时,共振频率为11.7 Hz,OD Box的最大纵向振动达到37 mm/s。此值大于一般范围的5～15 mm/s,超出厂家的接受范围。

2.2 解决轴系振动问题的方案探讨

根据轴系振动的原因,拟定了多种减振措施,如设置主机纵向支撑、主机机身安装振动补偿器、调整主机发火顺序和主机轴向振动阻尼器(AVD)安装位置、轴系配重、基座及周围结构加强等方案。

实际操作中,首先设置了主机纵向支撑,但主机纵向支撑因受力的船体结构刚度不足而无效。若对船体结构进行加强则会导致机舱设备布置及管路电装大面积修改,时间及成本代价太大。主机机身安装振动补偿器后,试验表明主机的振动相位与轴系的相位相反：主机振动下降时轴系振动反而上升,轴系振动下降时主机振动上升,因此无法同时满足主机厂家和轴系厂家的要求。基座及结构加强的方案可以提高接地刚度,但对于完工船舶,代价太高,此方案不可实施。

经过进一步的分析,决定在轴系上安装SAVD,修改后的轴系部分布置图见图2。理论分析SAVD的使用可以降低30%～70%轴系振动,见图3。

1—艉管前密封;2—SAVD;3—中间轴;4—OD Box;5—螺距反馈器;6—中间轴承;7—中间轴;8—法兰。

图3 SAVD减振效果分析

3 纵向阻尼器SAVD的应用

3.1 SAVD简介

SAVD为轴向振动阻尼器(Axial Vibration Damper,AVD)的拓展应用。AVD常用于主机曲轴的纵向减振,是一种成熟的主机减振措施。AVD装于主机内部曲轴的自由端,承受曲轴纵向激励并转移至主机机架传递至船体结构,以降低主机纵向振动。SAVD为装于轴系上的AVD,工作原理与AVD相同,主要承受轴向力,通过基座与船体结构相连,将轴向力传递到船体结构,从而降低轴系纵向振动。SAVD结构同AVD,包含运动件和固定件,可由主机厂家设计及供货,按轴系直径承受纵向负荷的大小进行针对性设计,分为上下两半圆部分,可不受轴端法兰影响安装在轴上。运动件以过盈配合的方式固定于轴上,随轴系旋转,另一部分固定于与船体结构焊接的基座上,承受轴系激振力。SAVD的运动件和固定件之间有一定的间隙形成油腔,充满滑油;滑油兼具液压油的功能,从而将轴系激振力传递到船体结构上。SAVD的运动件和固定件的间隙大小设定与轴系长度及轴系运行时的纵向位移量相关,应适当大于轴系的纵向位移量。具体值由厂家根据轴系状态计算后确定,以确保SAVD运动件和其固定件不发生物理接触。

SAVD的安装位置在轴隧空间许可的情况下尽可能远离主机,以达到最大减振效果。具体位置由推进系统厂家经理论计算后给出推荐位置,与船厂共同确定。SAVD安装示意图见图4。

1—船体结构基座;2—阻尼片;3—滑油进口;4—SAVD本体;5—SAVD安装螺栓。

本船需外设滑油系统为SAVD运动部分和固定部分提供润滑,滑油压力大小的设定与轴系轴向力相关。滑油系统由用户根据自身情况选择：可以与主机滑油系统共用,对原主机滑油系统加支路,压力基本与主机滑油系统压力一致;也可以设独立滑油系统。滑油系统含供油泵组、泄放泵组(泵组排量较小,10～20 L/min,压力为200～1 000 kPa)、泄放柜、调压阀、仪表、传感器等,见图5。

1—滤器;2—滑油供给泵组;3—SAVD;4—泄放泵组;5—泄放柜。

SAVD的阻尼设定可通过增减阻尼片数量来调节。每次对阻尼片数量调整后,需要监测OD Box的振动值,根据最大减振效果来最终确定阻尼片数。滑油系统油压的大小一般为200～300 kPa,根据减振效果微调油压值。如：本船长轴系所装SAVD承受的轴向力为80 kN,最大值为110 kN,最佳减振阻尼所对应的油压为240 kPa。系统压力来自滑油泵,泵的压头应适当大于系统所需压力。

3.2 加装纵向阻尼器实测效果

本船通过多次对比试验找到最佳阻尼/压力设定值。几种阻尼值对比后,发现SAVD对轴系纵向振动和径向振动都有减振效果,见表1和图6;但对船体结构的振动状态改善和影响较小,可以忽略,见图7。兼顾对径向振动的影响,综合对比,发现在默认阻尼状态下,减振综合效果最好。

表1 在110、117 r/min下SAVD关闭和运行(默认阻尼)状态下的实测振动数据

图6 不同阻尼对轴系纵向振动数据对比值

图7 不同阻尼对结构垂向振动数据对比值

实测数据对比结果显示,在默认阻尼下SAVD运行后,轴系纵向振动降幅效果最好,最高达76%;振动状态满足厂家要求,径向振动也有所改善。

3.3 纵向阻尼器优点

(1)可以在设计阶段作为轴系纵向减振措施。轴系振动包含扭振、纵振、回旋振动、耦合振动等,船舶设计过程中,根据船舶结构、轴系设计、轴系布置、主机特性等对轴系振动做分析计算,若发现轴系存在纵向振动过高的可能性,可以考虑加装轴系纵向减振装置,随船舶设计、建造工作一起开展。

(2)可以在船舶建造完成后作为轴系纵向减振补救措施。因为轴系振动计算与实际会有偏差,船舶设计时以计算结果核查或送审,实船建造完成后是否会出现超常振动并不能完全通过计算排除,此方案可以对完工状态的船舶长轴系实现纵向减振,同时可避免对船体结构产生负面影响。

(3)SAVD设计前需要再次精确测量轴系安装部位的轴径,以设计SAVD的内径与之匹配。纵向减振器分为2个半圆结构,可以实现不拆轴。轴的装配部位表面无需再机加工,可以直接在轴上完成纵向减振器的安装。船体结构不改变原有设计,只是在原有结构上为纵向减振器设置基座,再在基座所处的船体结构上做必要的结构加强,承受及分布来自纵向减振器的激振力。

(4)相比其他减振方案,该方案成本低,普适性好。实际工作中无论是大面积改变船体结构以改变固有频率还是修改轴系设计,代价均远高于直接加装轴系减振器。

(5)纵向阻尼器减振效果好,能适应多种原因产生的振动,且对其他方向也有明显的减振效果。因为SAVD是通过结构基座与船体结构相连接,不仅承受纵向力,也承受径向力,故对横向、垂向振动都有降低作用。

4 结语

振动现象产生的原因有很多,如螺旋桨的激励、主机的振动、主机与轴系的共振、船体结构刚度等。原因分析需基于大量的测量数据,如振动值、对应的频率值、振动方向、各振动源的测量、振动源的确定等。解决问题的方法也是多样的,如改善船体结构刚度、轴系布置的修改、主机机身的减振等。加装SAVD的方案相对其他方案效果明显,成本相对较低,在船舶建造完成后也可以进行减振改装,且对多种原因引起的振动均具有一定的效果,可以作为长轴系船舶的降低纵振的重要方案。