船舶振动及减振措施探讨余成双

船舶振动及减振措施探讨余成双

余成双

浙江省舟山市港航管理局浙江舟山316000

提要：随着航运事业的蓬勃发展，船体振动的问题已日益突出。分析了船舶振动产生的原因，并提出了减少船舶振动的措施。

关键词：内河船舶；减振；措施

船舶是一个自由漂浮在水中的弹性体，只要螺旋桨或主机工作，总是会引起船体不同程度的振动。轻微的振动是允许的，也是不可避免的。但船体振动过大会导致船体结构产生疲劳破坏，影响船上设备和仪器的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命，严重时还会导致船体断裂乃致沉没；同时船体振动还严重影响着船员和旅客的居住舒适性、船员的工作效率和身体健康。船舶振动不但与其振源有关，而且与船舶总布置、尾部线型和船体结构直接有关。而激起船体振动的主要振源（也称激励源）是螺旋浆和主机，它们在运转时将激起周期性干扰力，使船体发生稳态强迫振动，若激励幅值过大或引起了共振，就会产生剧烈的振动。

一、船舶振动产生的原因

船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。船舶振动产生的主要原因有以下几个方面：

(一)线型：因为尾部线型对伴流的分布起决定性作用，直接影响螺旋桨来流和去流产生漩涡、伴流等方面的状况，这些都直接与船体振动有关。

（二）船体结构：如船体结构布置、构件取材不合理、刚度不足、结构不连续，这些都会使船体板格固有频率太小，或产生应力集中和惯性矩不能满足要求，特别是若机舱、尾部结构不合理或板材、构件取材太小，刚度不足；另外，甲板开口宽度超过3/4B的内河浅水大开口船，在航行中产生较大扭矩，使轴系偏移，也都会引起船体振动。

（三）螺旋桨的选择及与船体线型匹配。螺旋桨诱导的表面力和空泡是导致剧烈尾振的原因，而这两者又与螺旋桨的设计如桨叶的倾斜度、盘面比、螺距、厚度分布和叶片数等有关，因而螺旋桨的选择直接影响到船体振动；同时螺旋桨与船体线型是否匹配、间隙是否足够，均与船体振动密切相关，因为若螺旋桨与船体、尾柱、舵托、舵之间的间隙太小，螺旋桨诱导的脉动压力将会剧增，加上伴流不均匀，使螺旋桨的激励力较大，使尾振加剧。

（四）主副机的选择。因为柴油机运转时作用在船体上的周期性干扰力主要有两种，一是运动部件的惯性力产生的不平衡力和不平衡力矩；二是气缸内气体爆炸压力产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾复力矩；若主副机选择不当，会使以上两种周期性干扰力增大，使船体产生强迫振动。

（五）船舶营运时航行条件的影响，如浅水或狭窄航道、装载不当、轴系变形、螺旋桨受损、主机各缸燃烧不均匀等均会引起船体振动。根据以上分析可知，引起船体振动的因素很多，而且往往有多个振动同时作用，又相互影响，为了有针对性地制订减振措施，必须进行振源分析，找出振源及发生振动的原因。

二、减振或避振措施分析

要进行振源分析，首先要分析振动的性质，因为每一种干扰力都有它自己的特性和一定的规律，故根据干扰力的特性与频率，被激起振动的部位和振动的性质，一般就可找出引起振动的振源，然后再有的放矢地采取减振措施，在实际工作中主要采取以下减振或避振措施：（一）修改船体尾部线型。为保证螺旋桨来流和去流畅顺，尽可能使伴流均匀，尾部线型应有平滑的纵剖线和光顺的水线。从水线面线型看，为避免水流分离而发生漩涡和振动，尾段的纵向斜度应不大于20°，且保持顺滑，以直线形为佳，而不宜凹形；从横剖面线型看，应根据方形系数、螺旋桨数和叶片数来选择。一般地说，U形剖面的伴流分布比较均匀，V形剖面则容易保证平滑的纵剖线，故单浆船为使伴流均匀大都采用U形剖面，而双浆船为使水流能畅顺地流向螺旋桨，且伴流对其影响较单浆船少，故多采用V形剖面。

（二）合理布置结构，增加船体刚度。特别是机舱区域的船底板格第一谐调固有频率不少于规范值，若少于规范值，就会引起剧烈振动。如果板格最大振动正应力超过板的许用应用应力极限，底板即被振裂。例如新化县航运公司“雪峰”号工程船由于船底板特别是机舱底板用材不合理，导致机舱底部振裂，我们采取了增加船体板格提高第一谐调固有频率方法从而避免了该船机舱再次振裂现象。船体未设中间骨材、型材尺寸过小也会导致船体共振现象发生，如“娄底市航道工作船”因船舶主尺度较小，建造时未设中内龙骨，且甲板支柱尺寸过小、机舱船底板过薄，因而该船试航时整个船体特别是机舱部位振动甚为剧烈，后经增设中内龙骨和增大甲板支柱，船舶振动大有好转。

（三）合理选择和设计布置螺旋桨，保证螺旋桨的建造质量。螺旋桨设计应注意避免引起空泡，同时螺旋桨的叶数及与船体的间隙直接影响螺旋桨激励的大小，因此要综合考虑各方面因素，合理设计螺旋桨，同时又要保证螺旋桨建造质量，如螺距误差和平衡试验等均要符合规范要求，因为螺旋桨不是静平衡的、螺距误差太大、轴线对中不精确或产生变形、结构的连续性被破坏、焊接残余应力与变形未很好消除等，都将引起船体过大的振动。如九五年，冷水江船厂为一新化个体船户建造的60吨甲板货船，因螺旋桨未达到静平衡导致船尾振动剧烈，船检部门要求对螺旋桨进行相关处理并作静平衡实验后，尾振剧烈现象基本消除。

（四）合理选择船舶主、辅机。应尽量选择具有较少不平衡惯性力和不平衡惯性力矩的柴油机作船舶主、辅机；在建造船舶时若采用了平衡性较差的柴油机作船舶主、辅机，可在机座下装设减振垫，减振垫的型号可按柴油机和减振垫的弹性系统自振频率进行选取；对主机应不大于柴油机常用最低转速的1.5倍，对辅机则应不大于柴油机常用转速的1.4倍；另外，相应尾轴系统以及排气管路等部件均采用弹性连接。

除上述的几种方法外，尚应注意防止螺旋桨干扰力频率、轴系频率、主辅机频率的相互重叠影响及共振；防止船舶装载不当，而使轴系变形或螺旋桨露出水面等现象。

现举一实例作进一步说明。新航47号为35吨钢质货船，该船建造完工后，在船厂进行系泊试验，试验各工况主机有关数据，尾轴轴承、轴封温度均在规定允许范围内，船体振动正常。系泊试验完毕后，进行航行试验，主机在低转速工况时，主机各数据及轴承，轴封温度均很正常，船体无过大振动，但当主机转速达到1300rpm时，船体尾部振动突然加剧，特别在0#—2#肋位（尾部）船底板处，振动相当严重，且尾轴承、轴封发热严重，超过正常温度，达到76℃，主机冒黑烟，只得紧急停车。

根据以上现象，可以判断该船的船体振动是尾部局部振动。分析其原因是：

（1）尾部线型设计不合理。螺旋桨区域水线纵向斜度达26度（超过20度），在船舶快速航行时引起螺旋桨的来流和去流不畅，增大了螺旋桨的激励力，引发船舶尾振。

（2）船体结构布置不合理。该船尾部甲板下未设支柱。

（3）螺旋桨制造不规范，未作静平衡试验。针对以上原因我们将该船绞上坡，对尾部线型进行了局部修改，改善了螺旋桨区域纵向斜度（18°），尾甲板下增设支柱，对螺旋桨进行相关处理作静平衡实验，通过以上补救措施船舶再下水后进行航行试验，船舶尾振现象基本消除。

随着航运和造船业的不断发展，船舶振动将愈来愈引起人们的重视，成为一门重要的研究课题，本文仅起抛砖引玉作用。

参考文献：

[1]内河船舶减振措施浅析陈月平，许晏民-《科技信息：科学•教研》2008

[2]内河船舶减振措施浅析陈月平;许晏民-《科技信息》