船體振動(dòng)的衡準(zhǔn)及減振方法

第四章船體振動(dòng)的衡準(zhǔn)及減振方法防振與減振措施4．3船體防振與減振措施4．3．1概述防振是指在船舶設(shè)計(jì)階段，對(duì)船體的動(dòng)力特性與響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)并采取適當(dāng)?shù)耐緩脚c方法，確保船體振動(dòng)能滿足衡準(zhǔn)的要求。盡管船舶在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)采取了防振措施，但由于建造和營(yíng)運(yùn)等方面的原因，船舶在建成營(yíng)運(yùn)后仍有可能發(fā)生劇烈的振動(dòng)。這時(shí)需對(duì)營(yíng)運(yùn)的船舶進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，對(duì)振源進(jìn)行分析，尋找產(chǎn)生振動(dòng)的原因，采取必要的減振措施。

無論是船舶設(shè)計(jì)階段的防振措施還是營(yíng)運(yùn)船舶的減振措施，兩者都是通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率或激振力頻率以避免共振、減小激振力的幅值與減小激振力的傳遞以降低強(qiáng)迫振動(dòng)的程度、增加結(jié)構(gòu)剛度和阻尼等方法來減小船體的振動(dòng)。4．3．2防止共振當(dāng)激振力頻率已知后，為避免共振就必須使船體結(jié)構(gòu)的固有頻率與激振力頻率保持一定的差距(一般前者大于后者)，亦即使船體結(jié)構(gòu)具有一定的頻率儲(chǔ)備。為了避免共振，常使第一、二諧調(diào)固有頻率與激振力頻率分別錯(cuò)開10％和20％，便可收到很好的效果。當(dāng)能提出有根據(jù)的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算結(jié)果時(shí)，還可使以上百分?jǐn)?shù)降低。

需要指出的是船長(zhǎng)是由船舶的性能所決定的，船舶排水量也不是從振動(dòng)角度上考慮的，因而它們一旦確定之后，船體梁的固有頻率就不易改變了。這時(shí)可考慮改變船上載荷的分布來調(diào)整固有頻率，此外還可考慮改變船體梁的剛性來調(diào)整固有頻率，這只有在船舶設(shè)計(jì)早期才可行，而且這種方法很不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)慎重考慮合理地設(shè)計(jì)上層建筑也可改變船體梁的剛性如果改變船體梁的固有頻率仍難以避開共振時(shí)，也可以采用改變激振力頻率的方法。改變激振力頻率可從選擇主機(jī)、減速箱、螺旋槳入手，其中改變減速箱的減速比、螺旋槳葉數(shù)是比較容易做到的。

4．3．3減小螺旋槳的激勵(lì)1．螺旋槳與船體的間隙

螺旋槳與船體的間隙直接影響螺旋槳激振力的大小，對(duì)此各國(guó)船級(jí)社都有明確的最小值規(guī)定。實(shí)船試驗(yàn)證明，保證間隙特別是適當(dāng)增大梢隙，將使螺旋槳的激振力得到改善。對(duì)此我國(guó)1996年《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定，推進(jìn)口與艉柱、舵柱之間的最小間隙建議不得小于從梢隙統(tǒng)計(jì)看尾部振動(dòng)較小的單槳船，c值多在0.16D左右。單槳船的螺旋槳槳葉與外板的間隙建議不小于0.1D(為螺旋槳直徑)。隧道型船舶的螺旋槳槳葉與外板的間隙可適當(dāng)減小。用導(dǎo)流管和噴水推進(jìn)裝置的船舶，該間隙不受上述要求限制。2．螺旋槳葉數(shù)螺旋槳葉數(shù)的多少不但影響激振力的大小，而且影響激振力的頻率，因此選擇葉數(shù)應(yīng)盡量避免干擾力頻率與船體或局部結(jié)構(gòu)固有頻率相近。

在無空泡情況下螺旋槳所激起的表面力的大小，隨葉數(shù)的增加而減小，所以從振動(dòng)角度出發(fā)，應(yīng)盡可能地選用多葉螺旋槳，但隨著葉數(shù)的增多，推進(jìn)效率可能降低，葉數(shù)的增加還可能引起上層建筑結(jié)構(gòu)的共振，故葉數(shù)的選擇必須全面考慮。

3．螺距改善螺距可以改善螺旋槳徑向載荷分布，例如外半徑葉剖面采用較小的螺距和拱度，可卸掉葉梢載荷，有時(shí)效果較好。

4．盤面比盤面比主要對(duì)由于槳盤面處流速不均勻而產(chǎn)生的軸承力有影響。減小盤面比可大大減小推力和扭矩的脈動(dòng)幅值，同時(shí)使垂向和水平彎矩及水平橫向激振力也略有減小。

5．螺旋槳形狀

采用大側(cè)斜槳葉，它能減小導(dǎo)邊進(jìn)入高伴流區(qū)時(shí)導(dǎo)邊的沖擊效應(yīng)，同時(shí)增大了葉梢與船殼板的間隙，因而可以在很大程度上減小螺旋槳的激振力。但葉根應(yīng)力增高，不適用于高速螺旋槳。

6．使螺旋槳盤面內(nèi)的伴流均勻化

理論研究、模型試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試表明，螺旋槳盤面內(nèi)的伴流分布，對(duì)螺旋槳激振力的大小起著重要作用，而船舶尾部線型對(duì)伴流的形成又有很大影響，故設(shè)計(jì)尾部線型時(shí)，除了滿足快速度性要求外，還應(yīng)考慮減振的要求。其總的原則：使螺旋槳來流和去流暢順，盡可能避免旋渦的形成，使伴流盡可能均勻等。單槳船U型艉的軸向伴流較V型艉均勻，球型艉和開式艉間隙大，伴流變化小，脈動(dòng)壓力小，推力系數(shù)較高。7．采用導(dǎo)流管螺旋槳螺旋槳安裝導(dǎo)流管后，不僅螺旋槳(中、高載荷)的效率高，而且由于導(dǎo)流管的存在減小了斜流的影響，同時(shí)又能使導(dǎo)流管上下來流趨于均勻，因此將導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生的表面力和軸承力大大減小。4．3．4減小主機(jī)激振

1．選擇平衡性較好的主機(jī)柴油機(jī)是引起船體振動(dòng)的主要振源之一，在船舶設(shè)計(jì)階段就應(yīng)注意選擇具有較小不平衡慣性力和不平衡慣性力矩的柴油機(jī)作主機(jī)，這是至關(guān)重要的。柴油機(jī)缸數(shù)越多其一般平衡性就越好。

考慮到與船體低諧調(diào)共振的可能性，在船舶設(shè)計(jì)初期選擇主機(jī)時(shí)，應(yīng)特別注意主機(jī)在常用轉(zhuǎn)速內(nèi)與船體發(fā)生低諧共振一般是不允許的。

2．主機(jī)位置恰當(dāng)?shù)剡x擇主機(jī)的位置，可以減小主機(jī)引起的船體振動(dòng)。但必須指出，設(shè)計(jì)階段確定主機(jī)位置的把握程度，與實(shí)船振動(dòng)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和資料積累是分不開的。當(dāng)主機(jī)有不平衡慣性力時(shí)，應(yīng)盡可能將主機(jī)布置在與船體相對(duì)應(yīng)諧調(diào)振動(dòng)的腹點(diǎn)上；當(dāng)存在不平衡慣性力矩時(shí)，則應(yīng)盡可能將主機(jī)布置在與船體相對(duì)應(yīng)諧調(diào)振動(dòng)的腹點(diǎn)上，這樣布置將使主機(jī)的激振力不致引起船體大的振動(dòng)。3．安裝平衡補(bǔ)償

若已選用了不平衡柴油機(jī)作船舶主機(jī)，則應(yīng)采取有效的平衡和減振措施，以減小激振力對(duì)船體的干擾。

在機(jī)體上加適當(dāng)?shù)钠胶庋b置，使得平衡裝置所產(chǎn)生的力矩?cái)?shù)值與柴油機(jī)存在的不平衡力矩?cái)?shù)值相等，但相位相反就能基本上消除二階縱搖力矩，實(shí)際上對(duì)于其他階的力或力矩均可采用這種內(nèi)平衡裝置。4．3．5減少激振力的傳遞

1．減小柴油機(jī)激振力的傳遞對(duì)不平衡的主機(jī)、輔機(jī)等都可在機(jī)座下裝設(shè)減振器，以減小機(jī)器干擾力對(duì)船體的傳遞。為了達(dá)到隔振的目的，應(yīng)使柴油機(jī)的干擾頻率與柴油機(jī)加上減振器的系統(tǒng)的固有頻率之比。

2．減小螺旋槳激振力的傳遞(1)彈性艉軸管為了減小船體尾部的振動(dòng)，可利用彈性艉軸管來減小螺旋槳激振力。彈性艉軸管的原理見圖4—24(a)，艉軸管呈懸臂梁形式彈性地支撐螺旋槳，相當(dāng)于圖4—24(b)所示的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。圖4—41圖4—40由隔振原理可知，若這一質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率大大低于螺旋槳激振力頻率，則螺旋槳激振力(主要是軸承力部分)對(duì)船體的作用將大大減小。同時(shí)，由于螺旋槳遠(yuǎn)離船體，伴流不均勻的影響大大減少，螺旋槳的激振力幅值本身也將迅速降低。

(2)螺旋槳的吸振穴螺旋槳在工作時(shí)，可對(duì)其頂上方的殼板產(chǎn)生脈動(dòng)壓力。這部分激振力通過殼板傳遞給船體尾部構(gòu)架，再由底部構(gòu)架傳遞給舷側(cè)及橫艙壁，再傳至整個(gè)尾部及整個(gè)船體，引起整個(gè)船體和局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。因此可在螺旋槳上方的船殼板處設(shè)置避振穴，以減少螺旋槳的脈動(dòng)壓力對(duì)船體的干擾。

避振穴主要是利用橡皮膜及空氣箱吸收螺旋槳的脈動(dòng)壓力

為了避免影響艉艙容積，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)又不影響船體的強(qiáng)度，對(duì)海船可采用如圖4—20的裝置，在螺旋槳上方船殼板上設(shè)凹穴，填以海綿、粘膠等能減振的彈性物，其外表可與船殼板成一光順曲面或略內(nèi)凹[稱鐘形避振穴，見圖4—20(b)]以增加梢隙。圖4—204．3．6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

1．上層建筑上層建筑的縱向振動(dòng)是由船體的垂向振動(dòng)所引起的，但剛體運(yùn)動(dòng)是無法防止的。為了減少上層建筑的振動(dòng)，提高其固有頻率和降低振幅，要確保上層建筑與船體以及各上層建筑之間有最大的連接剛度，故上層建筑的外層側(cè)圍壁與橫圍壁的連接，以及上層建筑與機(jī)艙棚、船體橫艙壁的連接必須盡可能有效。其次，上層建筑的長(zhǎng)度與寬度比不能太小，高度應(yīng)盡可能低，又短又高的上層建筑會(huì)使縱向振動(dòng)加大。

2．艉部結(jié)構(gòu)對(duì)艉機(jī)船，在整個(gè)機(jī)艙長(zhǎng)度上垂向和水平方向的船體慣性矩急劇減小，剪切剛度也因外板減薄及船體幾何形狀的變化而下降。因?yàn)榧瓤拷鳈C(jī)，又接近螺旋槳，故對(duì)艉部結(jié)構(gòu)應(yīng)予以特別注意。為了提高固有頻率，防止產(chǎn)生共振，并減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)的振幅，應(yīng)補(bǔ)償所損失的剛度。補(bǔ)償垂向慣性矩的辦法是，從船的一舷到另一舷設(shè)置帶有大量縱向板的艉樓；補(bǔ)償水平慣性矩則可設(shè)置平臺(tái)；為了補(bǔ)償剪切剛度，則可在整個(gè)機(jī)艙長(zhǎng)度上設(shè)置邊艙。

3．機(jī)艙對(duì)于機(jī)艙，不論船體采取什么骨架式，主機(jī)座縱桁應(yīng)盡可能呈直線地延伸到機(jī)艙前后壁。為了改善主機(jī)縱桁在機(jī)艙處的固定情況，在機(jī)艙艙壁外逐步減小其高度，并在艙壁上設(shè)置大尺寸的扶強(qiáng)材，并用肘板連接。在機(jī)艙內(nèi)，建議不要在只有強(qiáng)橫梁和縱桁支持的平臺(tái)上設(shè)置各種輔機(jī)機(jī)座，否則必須裝剛性支撐，如支柱、半壁艙等。在軸系整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，要盡可能使結(jié)構(gòu)有足夠大的剛性，如某船在試航時(shí)，因軸系長(zhǎng)度范圍內(nèi)船體剛度較差而引起振動(dòng)