工程船舶动力机械振动响应特性分析 附船艇高速螺旋桨引起的船体振动分析与解决措施.docx

工程船舶动力机械振动响应特性分析如 +/+ /? （ - 2）+ V2（M ?）+A （I-W3）+ V3（iii -W3）+ GzTF = 0，（）Zj «2 +，2 （限-W|） + .（也-lij） = Cn sinfy,为四 + 卜（肛-«!）+ % （-w!）= G”inf,摘要：工程船舶动力机械在作业过程中会产生剧烈的振动运动，振动产生主 要由于动力机械中核心动力设备发动机内部转子运动产生的误差间隙，在传导转 换作用下导致的横向与纵向的往复运动。为了减小振动运动给船舶动力机械造成 的损伤，对动力机械的振动响应特性进行分析计算，从而获得最佳的振动响应数 据。但是，受到工程船舶属性的特殊性影响，常规的船舶振动响应优化方法与工 程船舶的振动特征匹配度存在差异，导致振动响应优化效果不理想。鉴于此，本 文对工程船舶动力机械振动响应特性进行分析，以供参考。关键词：工程船;动力机械;振动;响应特性引言工程船动力机械振动响应优化问题，提出工程船舶动力机械振动响应特性分 析方法。通谩对振动响应计算流程的描述与仿真实验的优化前后响应曲线的对比 证明，完成对提出研究的设计，为工程船动力机械振动响应研究与控制，提供了 新的可行性数据。1动力机械工作状态的发动机隔振模型构建首先，对工程船舶动力机械工作状态下的发动机隔振参量进行模型计算，具 体计算步骤如下：设定船舶动力机械在运行过程中的振动转换量为固定量，则动 力机械振动核心发动机的非线性隔振动力学函数为：1.1 动力系统转子振动特性分析完成模型构建后，根据模型反映的振动参量，对动力系统中的转子振动特性 展开计算。由上述模型可以看出，在动力机械核心设备发动机做振动运动时，其 实质为转子围绕核心点往复做横向与纵向运动，在平面，纵向运动的作用角为时, 转子的抖动幅度最大，即振动值达到最大值。1.2 振动波动下转子齿轮咬合量修正根据上述计算可知，在传动轴承的振动作用下，动力设备的力的传导介质齿 轮间存在咬合误差。在误差耦合作用下，动力机械的振动横向与纵向振动位移会 增大，最终导致动力机械振动响应降低。2仿真实验分析仿真测试场景运行主机1台，测试运行子机2台，VDA仿真测试工具。实 验步骤设置如下：1）将VDA仿真测试工具导入仿真测试场景主机，运行VDA仿真测试工 具。2）由VDA仿真测试工具模拟生成200组船舶动力机械设备运行振动数据, 按照每次测试20个样本，将200组样本分为10个测试周期，振动数据参量详见 表1。3）将划分好的测试样本分别导入测试子机1和子机2O4）将传统隔振控制方法与提出的隔振控制方法分别导入测试子机1和子 机2。5）同时运行测试子机1和子机2,将测试结果反馈回仿真测试场景运行主 机。3基于刚性安装机械的激励力的间接估计3.1 前提条件的设定在进行基于刚性安装机器的激励力间接估计中，必须要确保估算方法的应用 满足以下前提条件：第一，振动源与接收结构构成的系统可以视为线性系统展开 后续处理;第二，支撑结构并不会对机械内部振动的动力特性产生影响;第三，在 所关心的频段内，可以将支撑结构与机械接触部位认定为点接触。3.2 估算的实际过程相关人员在展开建间接估计前，需要先完成必要数据的获取。第一，在机械 的实际安装前，要完测量裸基座的加速度导纳。此时，响应测量位置可以选取任 意位置，但是，相关人员要注意控制响应位置的数量，确保其高于激励位置的数 量。在这样的条件下，能够获取最小二乘解。在完成加速度导纳全部测量后，要 将数据构成加速度导纳矩阵（用A表示）。第二，在机械正常运行的条件下，要 对加速度相应的相对相位以及幅度展开测量。在这一过程中，响应测量位置要与 上述测量中的位置相同，并将测量的响应构成响应矢量（用a表示）。4优化VMD技术在动力机械状态监测系统中的应用4.1 船舶动力机械状态的监测方法动力机械是船舶不可或缺的组成部分之一，这是一个技术综合体，通过应用 该系统，在船舶航行时，能够保持稳定的运行，需要通过相应的方法对其运行状 态进行监测。常规船舶的动力机械包括发动机和液压系统，不同的动力机械监测 方法有所差别。比如，发动机常用的监测方法有瞬时转速监测技术。4.2 监测系统的设计思路为了实现对船舶动力机械状态进行有效监测，在监测系统加入VMD功能。 在开发阶段，可以充分集合模块化的设计思路，设计船体结构、机电装置通信网 络、导航系统等。动力机械可以有效将各个机电一体化系统进行结合，并将状态 监测功能融合到功能块中。对于船舶动力机械状态监测系统而言，获取相关的信息源是关键环节，这里 的信息源基本上都是船舶上动力机械的运行状态参数。在对监测系统进行模块化 设计时，需要将一些内容监控过程模块化。监测方法是整个监测系统的核心，由 于监测方法比较多，所以要划分为不同的模块，它的结构具有可变的特点，规模 大小可根据实际应用需要进行调整，灵活性更强。以油液粘度监测设备为例，它 本身是一个独立的装置，但却可以加入到在线油液监测模块当中。4.3 VMD技术在监测系统中的应用在船舶动力机械状态监测系统的开发过程中，可将VMD技术运用到系统分 析当中，以此来加快求解速度，提高分析效率。在VMD技术中，可以有效改善 船舶动力机械状态监测系统的有效性，对船舶的各个工作状态做到实时高效的分 析，从而反馈到控制系统中，对动力系统的工作状态具有一定的约束作用。但是，在船舶的动力机械工作环境中，还包含了比较多的内容，由于本文研 究的是系统开发，故仅从物理环境的角度进行分析，不考虑其他环境因素。物理 环境包括现存的系统、技术标准、现有的科技水平以及自然环境等，具体分析时, 可将这些约束条件转化为变分问题，借助VMD技术进行求解，从而快速得到分 析结果。而在系统监测目标的分析中，重点是目标集的建立，这是一个逐级逐项 对总目标进行落实的过程，所以需要先对总目标进行分解，在分解时，可以运用 VMD技术，将总目标分解为多个分目标，并进行具体化、客观化，在此基础上 对目标的动态过程进行确定，据此对分目标进行协调，实现并行高效监测的目标。 因船舶动力机械状态监测系统的目标因素比较多，加之各个目标之间存在着非常 复杂的关联性，所以很难使系统达到最优。在构建系统时，只需要运用VMD技 术寻找次优解即可，无需追求最优解，以免造成计算量增大。5实验测试将提出设计工程船动力机械振动响应特性分析方法导入仿真测试工具中，进 行振动响应性能测试。对输出的振动响应曲线同优化前的振动响应曲线进行对 比，根据对比结果得出实验结论。2条振动响应曲线所对应的数据对比，可看到 提出方法在工程船动力机械振动响应速度较优化前响应速度提升明显。由此足以 证明提出设计的可行性与有效性。结束语为了保证船舶航行性能及整个控制系统的运行安全，必须对整个动力系统进 行特别的设计，才能有效提高动力传输控制的稳定性和可靠性。因此，对动力机 械进行监测显得尤为必要。现有的状态监测方法种类较多，方法不同监测所得的 结果有所区别。为提高监测结果的准确性，可将各种监测方法融合到一起，利用 模块化的思路，开发1套功能强大的监测系统，并在系统分析时，对VMD技术 进行合理运用。参考文献：1聂英钊，张易豪.船舶动力机械隔振设计中的功率流方法与效果评估的 探讨J.科技经济导刊,2019, 27 (16)： 57+48.2文U伟，万志勇.船舶动力机械螺旋桨在不同湍流的动力性能仿真J.舰船 科学技术,2019, 40 (20)： 4-6.3张云根,基于粒子群的船舶动力机械空蚀优化控制J .舰船科学技术， 2019, 40 (20)： 76-78.船艇高速螺旋桨引起的船体振动分析与解决措施图1桨叶侧斜及相应脉动压力的变化摘要：本文主要介绍了船艇高速螺旋桨在使用过程中引起的船体振动原 因，并结合实际案例分析解决此类振动的有效措施。关键词：高速螺旋桨;船体振动;解决措施Abstract： This paper mainly introduces the causes of hull vibration caused by high-speed propeller in the course of ship operation, and analyzes the effective measures to reduce this kind of vibration based on the actual case.Key words： High-speed propeller; Hull vibration; Solution1 刖a随着时代的进步，高速游艇几乎成了奢华的代名词，其集高科技、高速度、 高舒适性、高艺术性于一体，推动着潮流的发展。随着人们对高速游艇的高速性 和舒适性的要求越来越高，船艇高速螺旋桨引起的船体振动越来越受到关注。虽 然引起船体振动的原因是多种多样的，但对高速船艇而言，在螺旋桨、主机、海 浪等各种振源中，螺旋桨是主要振源。2螺旋桨激励的分类螺旋桨旋转产生的激振力传递给船体，引起船体的振动。但螺旋桨的激振力 成因极其复杂，它与桨的形状参数、叶片数及船体尾部线型和航速等因素相关。（1）按照激振力的激振频率分类，可分为轴频激励力和高频激励力两类： 轴频激励力由桨的制造误差所引起，其激振频率等于桨轴的回转频率，为桨的一 阶激振力;高频激励力由桨在不均匀流场中工作而引起，其激振频率为轴的转数 乘以叶片数或叶片数的倍数，通常称作为叶频激振力或倍叶频激振力。这种分类 方法便于揭示桨对于船艇激励的频率成分，对于避免引起船艇共振和结构设计尤 为重要。（2）按照桨的激振力的形成、传递和作用方式分类可分为表面力和轴承力 两类：桨旋转时，在桨附近的船体表面会形成变动的水压力，沿船体表面对该水 压力积分可得到桨对船体的总激振力，称为表面力油于桨叶上的变动流体力所 引起的激振力，通过轴系和轴承传递给船体，称为轴承力。这种分类方法对尾部 和船体响应的计算很重要，可作为直接的信息和指标。3螺旋桨设计阶段的防振措施1.1 桨的叶片数选型螺旋桨按频率分类，可分为轴频N及叶频NZ两类：轴频N为螺旋桨轴的 回转速度;叶频NZ为螺旋桨轴的回转速度N乘以叶片数Zo在确定螺旋桨的叶 片数时，应尽量避免引起船的整体或局部的振动。即桨的轴频N与叶频NZ应与 船整体或局部振动的第一谐调固有频率相差±15%以上，与第二谐调固有频率相 差±20%以上。小型高速船艇更易产生局部振动，因为桨的叶频NZ与局部振动 频率更易接近，因此在螺旋桨设计阶段要着重计算船体的阻振频率，并采用频率 设计法或频率错开法来确定桨的叶片数，避免引起共振。1.2 桨的直径选型我们知道，螺旋桨叶梢与船体的间隙大小直接影响对船体产生激振力的大 小。在高速游艇中，轴系设计时一定要引起高度重视。按照钢质海船入级与建 造规范再结合大量实际案例可知：一般要求桨的叶梢距船底最小间隙为14%D （D为桨的直径），且尽量选择大于0.2D。如果间隙过小，则桨的激振力作用于 船底时更容易引起船体振动。下面结合实例分析螺旋桨的直径D对作用于船体底部激振力大小的影响：我司（HinLee） #5002玻璃纤维双体高速客轮主尺度如下：该船在60%载荷情况下：设计航速约24 knots;轴线实际角度8.1。;螺旋桨叶 尖距船底最小间隙200 mm （16.9%D）O初次试航时,按设计采用螺旋桨型号为:直径l.2m;叶片数4片;螺距L145 m; 盘面比0.81。试航过程中，航速可达24.5kn,主机转速可达1 920 r/min,其它 性能也能达到BV船级社要求。但通过测振仪检测，在螺旋桨上方舵机舱底处船体局部振动值达到16.5 mm/s,振动情况严重，不仅会影响乘客舒适性，也会对结构造成损伤。通过对振动频率的测量分析和振源的调查，定性为螺旋桨激振力过大而引起 船体局部振动。考虑到施工工艺的简捷性和经济性，再结合本船对航行性能的要 求，最终决定：减小螺旋桨的直径至螺距不变;增大叶梢距船底最小间隙 至19%D。经试航检测：主机转速为1 980r/min,航速为24.1 kn,桨上方舵机舱 底处船tf局部的振动值大幅下降为5.4mm/s,不但能满足舒适性要求，还可减少 桨的激振力对结构的损伤。此种通过减小桨的直径D来增大叶梢距船底间隙， 从而减少桨作用于船体的激振力达到减振的方法简单快捷。但必须注意，此种方 法只能用于船的实测航速比设计航速有足够富余的情况，否则虽然适当减小桨的 直径会使桨的转速上升，但同时也会降低桨的效率和轴功率，最终有可能会导致 实测航速小于设计航速的得不偿失的情况。1.3 桨的叶型选型本设计采用侧斜桨叶。此种桨叶在不同半径处的切面依次进入伴流突变区， 故推力和转矩变化比较均匀，可以很大程度上减小桨叶面的脉动压力，故不容易 引起桨的激振。如图1所示：我们用一个典型的四叶桨作研究测试，采用四种不 同角度的侧斜桨叶，随着桨叶侧斜角度的增加，由桨产生的脉动压力的幅值逐渐 减小。但在实际设计过程中要注意：侧斜过大的桨叶，在铸造成型后因其盘面比 较大，叶片与叶片根部的重叠部分较大，容易产生气蚀现象，缩短桨的使用寿命, 而且会导致叶面的精磨加工及螺距调校等方面的困难。4螺旋桨加工阶段的防振措施4.1 将桨的静力不平衡引起的轴频激振力控制在合理范围内在桨的制造过程中，因桨叶夹角不完全相等、叶宽和叶厚也不尽相同等各种 原因会导致桨的质心偏离轴心线，因此当桨高速旋转时就会产生垂直于桨轴的离 心惯性力，即轴频激励力。若不将此激励力控制在合理范围，则此力会通过尾轴 轴承传递给船体，从而引起船体振动。为了将此激励力控制在合理范围内，桨铸造完工后要对其进行必要的静平衡 校验，使桨的静力不平衡重量及角度分布达到现有高速艇用桨的Class"”等级要 求。为满足此工艺要求，我司引进了“北京青云航空仪表有限公司”生产的 YYH1000A平衡机。在使用此机时依桨的尺寸及重量等，按要求将桨叶沿轴 向平均分成平面A及B两个平面，然后将桨安装在两个带传感器的支撑轴承上, 再给其一定的转速。通过机器的静平衡模式，我们可测得平面A及平面B的静 不平衡重量，此重量要求33g;平面A及平面B的静不平衡重量分布在径向180° 角度位置。如果能同时满足以上两点，即可将桨的静不平衡力矩控制在合理范围, 从而将桨因制造误差而引起的径向静力不平衡力矩而产生的轴频激励力控制在 合理范围内。4.2 将桨的动力不平衡引起的朝1频率激励力控制在合理范围内通过静平衡处理并符合Class""等级要求的高速桨，在转动过程中虽然质心 在同一回转轴心线上，但各桨叶在轴线方向前后位置上由于制造误差也会有不同 程度的错位。此错位会导致各桨叶质心不在同一桨盘面内，当桨高速旋转时各桨 叶产生的离心力会形成垂直于桨盘面的不平衡力矩，此力矩会引起桨轴沿轴向的 弯曲振动，并通过尾轴轴承传递给船体引起船体的振动。所以高速桨除做静平衡 校验外还必须做动平衡校验，使其动力不平衡的重量和角度分布达到现有艇用高 速桨的Class"”级别要求。为满足此要求，我司同样采用上述平衡机，以相同于静平衡的安装方法将桨 固定安装并分成两个平面，然后依照机器的动平衡模式可测得平面A及平面B 的动不平衡重量，此重量要求SO g；平面A及平面B的动不平衡重量分布于径向 180。角度位置。如果能同时满足以上两点要求，即可将桨由于制造误差而引起的 轴向动力不平衡力矩而产生的轴频激励力控制在合理范围内。4.3 将桨的水动力不平衡引起的轴频激励力控制在合理范围内由船用螺旋桨原理可知：在敞水中旋转的桨，若各桨叶无误差且桨盘面上流 场均匀，则每一桨叶上所产生的推力Ti及旋转阻力Ri都相同，桨的总推力T必 与桨轴心线重合，而各桨叶的旋转阻力合力R也为零。但桨在制造过程中难免会产生各叶片螺距不等、桨叶夹角不等、各桨叶长度 和相同半径处宽度不等等问题，因而即便是机械平衡性再好的桨，在敞水中旋转 时也会产生水动力不平衡，其中以各桨叶间螺距差异影响最大。由于来流对各桨 叶的冲角不同，每一个桨叶上的推力Ti和旋转阻力Ri也不相等，导致桨的总推 力T不与轴心线重合而产生周期性轴频力矩;另外，旋转阻力的合力R也不为零, 也会产生周期性轴频力矩。此两种力矩通过尾轴轴承传递到船体，从而引起船体 振动。为控制由于螺距差而产生轴频激励力的大小，我司引进了“Prop Scan EPS" 螺旋桨螺距检测及调校设备，结合艇用高速桨Class“S”级别要求，若我们把每片 桨叶相同半径处螺距Pi的误差控制在±0.75%,且每片叶的总平均螺距误差P控 制在±0.5%范围，则可以将桨的水动力不平衡引起的轴频激励力控制在合理的范 围内，见以下实例：我司(HinLee) #5007游艇主尺度如下：该艇所用螺旋桨型号如下：叶片数4片;直径775 mm;设计螺距535 mm;盘面 比0.55。经初次试航，各航行性能均能达到合约要求。但测量出右主机经减振机脚减振后振动值为48.6mm/s,舵机舱右尾人架顶 局部振动值为10.7 mm/s,均明显高于正常值。但振源不确定，故安排此船上船 台检查分析：(1)通过试航过程中由主机供应商所测得的主机各参数分析，排除由右主 机各缸做工不均衡等情况而引起的主机自身振动；(2)断开右减速箱输出法兰与联轴器的联接，并重新进行对中检测，结果 也在合理范围；(3)拆掉右尾轴，上车床检测其圆柱度及联轴器的平面度等也属正常；(4)检查右轴承的完整性及布局，均正常；(5)重新核算螺旋桨的叶频与轴频和船体舵机舱的局部固有频率差，亦不 在引起局部振动范围；(6)对右桨重新进行了静平衡与动平衡测试，其性能也达到Class"”等级 要求；(7)对该右桨螺距进行重新测量，发现叶片3在其各半径处螺距与叶片1、 2、4相比，部分明显超出±0.75%范围;叶片3的总平均螺距与叶片1、2、4相比, 亦超过±0.5%范围，故其螺距误差不满足Class"”等级要求。为此，我们用螺旋桨调校仪对该桨重新进行调校。鉴于桨叶根部0.3R及0.4R 处桨叶的厚度及其受力情况，我司所使用的螺距调校仪对此两点螺距调节存在工 艺上的困难，故只合理的调整了由0.50.95R处螺距，使其各半径处螺距差及 总平均螺距差满足Class“S”等级要求。随后，我们对该艇重新下水试航并进行振动测试得出：右主机经减振脚后的 振动值为10.2 mm/s,舵机舱右尾人架顶船体局部振动值为2.1 mm/s,两者振动 值均明显下降且均在合理范围内。由此可见，各桨叶间螺距差亦是引起螺旋桨激 振力大小的重要因素之一。5螺旋桨制作完工后的减振措施5.1 改换多叶桨一般情况下，对于已经建造好的船艇，通过改变螺旋桨参数来减小桨的激励 力是比较困难的。但通过改变桨的叶片数来错开激励频率，通常可作为一种备选 方法。5.2 切除桨叶部分叶梢切除部分叶梢，即增加叶梢与船体间的间隙，此种方法可以直接有效的减小 桨的激励力。5.3 在尾部桨的上方安装导流鳍在船艇尾部桨的上方安装导流鳍，相当于设置外整流附件，可以在一定程度 上改善尾伴流的均匀性。特别是对于高速艇，由于主机转速高、桨的负荷大，故 伴流的不均匀性对桨的激励力大小影响比较显著。但在桨的上方安装导流鳍必然 也会影响叶梢距船底的间隙，导致新的问题产生，故此种方法在使用时一定要设 计好导流鳍的外形尺寸和位置，使其不过多的影响叶梢距船底间隙的同时亦能起 到在一定程度上改善尾伴流均匀性的作用，从而达到减小桨作用于船体表面激励 力的目的。6总结本文通过桨的设计、加工和完工后三个阶段，分析了船艇高速螺旋桨引起 的船体振动产生原因，并结合典型实例阐述了解决此类振动的方法及注意事项， 对解决艇用高速桨引起的船体振动具有参考价值。参考文献1金咸定，夏利娟.船体振动学M.上海交通大学出版社，2011.2孙自力，曹乃志.船舶用螺旋桨原理及修理M.哈尔滨工程大学出版 社，2010.