某破冰船船体振动故障分析及排除

刘洪贺，洪 哲

(92538部队装备部，辽宁大连 116041)

0 前言

某破冰船装备9ESDZ43/82B柴油机2台，额定转速200 r/min。中修后较长一段时间内，在后甲板、机舱等区域出现了较强烈的振动现象。在修理过程中，处理超出标准的振动比较棘手，涉及到船机桨诸方面因素。究其根源，与原始建造、历次修理、平时管理等都有密切的关系。船舶主辅机、轴系及螺旋桨都有可能是引发船体振动的策源地，爆发的时机、条件都各有其特点，而且振动存在一定的潜伏期，会随着时间的推移、工作条件、人工维护的不同而发生。

在船舶修理过程中分析判断振动加剧的原因，提出消除振动加剧的方法，很有探讨的必要性。现以某破冰船为例，将其振动故障的发生原因、分析、解决故障过程综述如下。

1 故障现象

某船主机在85 r/min、125 r/min时，船体无明显振动现象，当主机加速至165～175 r/min速时，船体后甲板振动剧烈。机舱2台主机缸头附件振动明显，6台增压器抖动明显，其支架底座固定螺栓有震断现象，排烟管振动明显，机舱3 m3气瓶也发生明显的振动。但主机缸头以下振动不明显，机体也无异常振动。机舱内轴系的感觉振动不明显，2个艉轴填料函工作正常。当转速下降至160 r/min或转速上升至180 r/min后，振动现象立即消失。另外，该船原共振转速为165 r/min左右，振动转速区域出现扩大，振动明显加剧，远远超过以往共振水平。

从实际效果看，该船的振动现象十分明显且有害。振动部位的结构承受较大动载荷交变应力作用，在材料疲劳及应力集中的情况下很容易损坏，增压器托架固定螺栓的断裂就是证明;其次，超标的振动极大地影响动力设备相关检测设备正常使用，如仪表等提前损坏;再就是振动产生的附加力矩及共振所引发的抖动、噪音，不仅导致该船战技术性能指标下降，而且对舰员也造成极大的伤害。

2 故障分析

如何处理船体的振动问题，船舶修理阶段所侧重的内容与建造阶段是有较大区别的。一条船从入役在航到退役，大致有二十余年的时间，如果它在服役的某个时期突然发生了明显船体振动，其原因发生在造船阶段，发生在船舶管理中或在离它较近的修理中。

从船舶修理的角度分析，引起船体振动有下列因素:①船体固有特性发生变化，如修理中有较多构架的修换或因腐蚀、残余应力导致的船体强度下降或变形;②轴线的对中准确性超差，如海损、搁浅等造成的船体变形对轴线的对中产生影响;③修理中轴系附近大量换板对轴线的对中产生影响，或者是轴线对中检查有误，或者轴系本身弯曲、轴承的状态不好等;④螺旋桨出现缠绕物、损伤或修补误差，导致偏心质量的出现;⑤主机各缸功率不平衡、主机修理换件不符合要求等，这里也有动力装置管理的问题;⑥相关动力装置零部件的损坏、松动等影响。发现故障后，先判断振动的性质，然后分析找出原因，最后给予合理的处置。但无论是在船舶的建造阶段，还是在使用阶段，对振动的处理原则都是减少振动幅度，降低响应效果，力求避免共振。另外，从修理角度出发，引起船舶振动的策源地都要结合修别和使用情况，给予正确的鉴定及修理。在修理过程中，关键把握修理的级别、工程的范围，如果修理不当，则会产生或加重振动现象。

大多数振动问题都与柴油机动力装置的振动有关，分以下几种:①机体振动;②轴系的弯曲振动以及由此引起的舰尾或其它部位振动;③轴系的扭转振动。为了更好地确定工程范围，结合实际情况，做分析推理如下。

1)观察机舱的振动情形。

机舱2台主机缸头附件振动明显，但主机缸头以下振动不明显，机体也无异常振动。6台增压器抖动明显，其支架底座固定螺栓有震断现象，排烟管振动明显。另外，机舱3 m3气瓶也发生明显的振动。从现象看，主机2台机体无明显振动现象，说明在工作转速范围内，主机机体没有发生共振或说明主机工作很正常。检查2台主机各缸工作参数，爆压、排温都比较正常，说明主机各缸喷油量比较均匀，各缸实际的侧压力基本一致，而机座的固定螺栓也无松动，说明柴油机的颠覆摆振应在标准范围内。

2)2台主机增压器在主机165～175 r/min抖动剧烈，特别它的进排气管。

增压器支架底座固定螺栓振断，说明固定螺栓受到了不正常的外力作用。由于主机缸头的振动只是局限于附件的振动，如各种卡子、管路等。所以，增压器支架固定螺栓所受外加剪切力应是增压器施加的，应与主机无太大关系。外排烟管的抖动也应与增压器本身有关。至于机舱3 m3气瓶也发生明显的振动，分析应是一种共振所致，振动源一时很难确定。

3)当主机加速至165～175 r/min时，船体后甲板振动剧烈。

由于主机、螺旋桨所产生的干扰力与船体的的质量和刚度相比小得多，因此，在非共振时，主机、螺旋桨等干扰力引起的应是振幅很小的总振动，后甲板乃至该船其它的部位应该没有过于异常的振动感觉。从该破冰船的管理经验来看，当时后甲板的振动相比以前而言是比较大的，应属于一种较强烈的受迫振动，并引发的局部共振。栏杆及属具有规律的摆动，则说明了这个问题。考虑机舱内轴系的振动无明显感觉，2个艉轴填料函也工作正常。再加上主机很稳定，扰动力矩极可能是螺旋桨引发的。

4)轴系的扭转振动。

从柴油机整个转速段来看，柴油机车头相关传动齿轮没有出现异常的冲击或噪音，因此该破冰船动力装置不存在扭转振动。

由此，该船振动故障按作用部位区域的大小来分，应属于局部振动，如后甲板框架及增压器、机舱个别装置的振动。按其振动程度不同来分，可分为强迫振动及共振，如增压器固定座、增压器进排烟管等的振动属于一种强迫振动，机舱气瓶、后甲板及相关属具等就属于强迫振动下引发的一种共振。按干扰力性质来分，应是一种周期性振动。考虑以前该破冰船是没有振动现象的，柴油机运转又是正常的，因此，查找振动源的范围可大大缩小。

综合上述分析，经检查后确定修理方案如下:①进坞检查螺旋桨使用情况，检查艉轴间隙;②检查中间轴支点瓦情况;③将轴系中间轴两端联接法兰螺栓松开，重新找中;④台增压器拆修，转子轴做动平衡。

检查后发现:①2个螺旋桨锈蚀严重，各有1个桨叶 (4叶桨)存在不同程度的锈穿现象，局部有不同程度的缺损。经盘车检查，艉轴间隙正常，均在修换标准范围内。②打开左右中间轴支点瓦轴承。下轴承工作良好，摩擦面位置对中性良好，轴瓦接触面积均正常。③水面状态检查左右轴系中间轴的对中状态，将两端法兰螺栓松开，用一对卡子盘车检查对中情况 (方法类似排轴法)，数据显示正常。④对6台增压器分解、鉴定，对增压器转子做动平衡试验。增压器各部间隙均正常，其中转子轴动平衡试验，许用标准值为119 g·mm，而残余不平衡量均低于其50%。

从检查结果看，后甲板的振动原因基本明确，可以做如下解释。

作为螺旋桨最终的检验，最好就是做动平衡检测。而在船舶修理中，限于船厂条件，无法对螺旋桨进行动平衡试验，只要求测量螺距及做静平衡。

实际上，在螺旋桨运转过程中，动平衡是否达标对正常运行更为重要。当螺旋桨出现由于搁浅或碰击水下异物造成的弯曲、缺损时，就会导致螺旋桨动平衡超标。而动平衡超标后，螺旋桨就会直接或间接地对轴承、船体形成较大的周期性冲击，使船体产生振动或共振。实际上，该船螺旋桨 (材质为铸钢)使用情况更为糟糕。首先，桨叶存在较大的缺损、变形。产生的偏心质量直接导致螺旋桨静 (动)平衡超标。其次，2个桨都有1个桨叶出现大面积的锈穿，其它桨叶有局部的锈穿和锈蚀坑，这是典型的螺旋桨空泡腐蚀，其大大地破坏了螺旋桨的水动力特性。

从螺旋桨的原理来看，桨叶的作用可以看成是无数“叶片元”作用的总和，1个叶片元可以看成很短的翼，它在水下运转，相当于翼片不动而海水以一定的速度和夹角向翼片冲来，在迎水面与背水面形成了压力差，经叠加合成，形成对螺旋桨的推力。当叶片由于空泡腐蚀锈穿后，不仅造成推力的损失，而且大大地改变、干扰了螺旋桨叶片的水流场的分布，使得伴流场紊乱。并且各个叶片的推力差已严重超标，其合力的作用线偏移旋转轴中心线，出现大小、方向都在变化的偏转力矩，且在高转速工况下达到最大。同时，螺旋桨旋转过程中还会因为艉轴弯曲变形产生偏移甩头，越发造成螺旋桨伴流场的紊乱，而且对舵叶的伴流场也造成极大的干扰破坏。最终，这个偏转力矩及螺旋桨静(动)平衡超标的存在，通过轴系的轴承及交变水动力周期性地作用到船体上，产生了交变纵向、横向推力和力矩，再加上空泡的振动效应，进而导致该破冰船船体的显著振动 (如果此时打舵角，振动会更大)。当转速稳定时，相当于存在周期性的外加扰动力。后甲板的振动、后甲板栏杆及属具有规律的摆动、机舱气瓶等物体有规律晃动等，就是因为在主机加到某个转速时，周期性外加扰动力频率与它们的固有频率相同或相近，出现了共振现象，外观可以明显看到振动的位移。可以断定，由于螺旋桨的问题，加剧了该破冰船原共振效果，而且扩大了共振转速范围。

增压器的检查，特别易引发增压器产生振动的转子轴残余不平衡量都在许可值范围内，表明对增压器及附属烟管的振动原因判断有误，振动源并不是增压器本身。那么增压器振动是否也是螺旋桨引发的共振现象呢，分析认为这种可能性极小，因为这不符合柴油机的常规设计。另外在船体振动最严重的时候，2台主机机体并不振动，而主机的工况参数始终是正常的，对增压器的拆检也未发现问题。对此，特别检查了排烟总管的各固定支架，又检查了至废气锅炉的二路门开启情况及传动机构，结果都未发现问题。经研究，决定回装增压器，但在联接增压器出口排烟管时，检查员偶然发现工人用葫芦拉动排烟总管与增压器出口进行装配时，两者法兰大致错开3 cm左右，排查其原因，应归结到上次中修对相关部件回装位置的偏差所致。

我们知道，现代船舶管系的联接大多常用柔性联接，主要目的就是消除安装应力，特别与动力装置的联接更为重要。柴油机的排气波脉动经常会引起排气管及毗邻结构的振动，如果排烟管为了装配到位被强行施加外力，就等于被施加了预应力，烟管由于变形，相当约束的边界条件发生了变化，其固有频率会发生缓慢的偏移。另外，其烟道的流线型也发生了变化，对废气流产生附加阻力，废气流在流动中因产生的附加阻力而对排烟管形成脉动冲击 (该型机增压器采用脉冲增压)，其转速越高，脉冲频率就越大。

可见，当排气波脉动频率与排烟管固有频率(已发生变化)相近或相同时，排烟管发生共振。受排烟管共振牵联影响，增压器及废气进气管，一并发生较强烈的振动，主机缸头附件也会因此发生明显振动。由于增压器具有较大重量，其支架底座固定螺栓长时间受到交变剪切应力的作用后最终断裂。

3 确定修理方案

1)螺旋桨的处理。该破冰船船体振动的原因在于螺旋桨的损坏，而螺旋桨的损坏则直接归结于螺旋桨的空泡腐蚀或与其有较大的关系。由于原螺旋桨已无法修复，我们将螺旋桨换新并对新桨进行预处理，即在螺旋桨的迎水面涂抹玻璃钢，以防止空泡腐蚀对桨叶的破坏。其玻璃钢的配制、桨叶的清洁、光洁度处理及玻璃钢的涂抹都严格按照相关工艺执行。

2)增压器排烟总管的处理。将故障烟管结构全部进行了修正，消除了安装应力，重新研配联接法兰，各固定支架全部换新并保证排烟管的牢固性。

3)2台主机的局部调整。复核主机拐挡差，校准全部喷油器，各排温表进行校准等等。

4 修后试验及启示

综合上述情况，编制了该破冰船试车大纲。按试车大纲进行了系泊试验及航行试验，2台主机顺利地加至190 r/min，各性能参数正常。在共振转速段，以往剧烈的共振现象也消失了，在其它常用转速段，柴油机动力装置工作也很正常，船体也未出现明显的振动现象。至此，该破冰船船体振动故障得到较圆满的解决。

可见，能够引发船体振动的原因很多也较复杂，涉及到船机桨等诸方面因素。1条船舶服役后，各种级别的维修就不断地发生。柴油机动力装置的维修虽已经作为一门科学逐步得到全面的完善与提升，但落实到具体的维修内容上，会出现随意性和盲目性，振动的出现大多是带有潜移默化的特点，上述提到的船体振动故障，也不是中修出厂后就立即爆发的。即使排烟管安装位置的偏差导致强行装配，振动现象也不会立即出现，而是随着时间的推移，安装条件改变的影响才逐渐显现出来。螺旋桨的问题也是同样的道理。

因此，对于广大的船舶维修人员来说，经验总结很重要，但经验的分析、升华就更为重要;要做到具体问题具体分析、对症下药，排除故障又快又准，就非得认认真真狠下一番苦功不可。