某船主机异常振动原因分析

2015-08-26福建船政交通职业学院王必改

世界海运 2015年7期

福建船政交通职业学院　王必改

某船主机异常振动原因分析

福建船政交通职业学院王必改

介绍某轮主机异常振动故障的发生经过及故障的排除过程。通过故障原因的分析，指出主机扭振减振器进油轴加工精度不够是造成故障的主要原因。通过对此次故障原因的思考，提出通过改进设计、提高加工精度、安装质量及加强管理，可以有效避免类似事故的再次发生，对保证船舶的安全航行具有重要的意义。

船舶；主机；异常振动

船舶作为海上交通工具，为了保证在海上的正常航行及船上人员的正常生活，需要安装诸如主推进动力装置等各种动力设备或装置。当船舶在海上航行时，由于受到各种动力装置产生的不平衡力及不平衡力矩等激励源的作用，不可避免地会产生各种不同程度的机械振动，如振动系统固有频率与激励频率一致或接近时，会产生共振现象。即使一些不处在共振状态的装置，由于激励增大，也可能产生剧烈振动。过度的船舶振动，除对人员的健康产生不利外，还可能引起局部构件的疲劳破坏，或导致机械设备故障，甚至影响船舶的正常航行。［1］因此如何控制船舶的有害机械振动成为造船行业、航运业等必须面对并不得不解决的一个重大问题。

随着科学技术的进步与造船技术的发展，船舶振动问题在很大程度上得到了解决和控制，但随着船舶吨位的增加、主机功率的提高及新设备的使用，船舶产生有害振动的现象仍时有发生，因此作为轮机管理人员，必须对船舶振动问题引起重视。本文主要介绍一起船舶发生振动的故障事例及故障的解决过程，希望对解决类似问题能起到一定的参考作用。

一、故障经过

某新造散货轮，由国内某船厂建造，2014年1月底下水，74600t载重吨。主机采用国内某柴油机厂生产的MANB&W5S60ME-C8.2tierII型柴油机，主机额定转速98r/min，额定功率8197kW。

2014年1月29日，该船从船厂开始她的处女航，前往秦皇岛港装煤到广州港。早上09：00开始备车，10：33主机开始动车，12：42驶出港区，期间主机运转一切正常。之后主机开始加速，当加速到75r/min时，开始出现振动，大管轮巡回检查后发现机舱多处有不同程度的振动现象，同时主机前端链条箱有轻微敲击声。之后随着主机转速升高，振动加剧，在主机前端链条箱处出现的敲击声也逐渐加大。当加速到85r/min后，1号缸出现汽缸盖冷却水管破裂，如图1所示。经停车修理后，主机继续运转，当再次加速到86r/min时，5、4缸汽缸盖冷却水管相继破裂。至此断定主机出现异常振动。经与公司机务商议后决定，主机以71r/min降速运行，继续开往秦皇岛锚地，同时请柴油机厂服务工程师上船参与故障分析与诊断。

图1　汽缸盖冷却水管断裂情况

2月7日，船开到秦皇岛锚地，柴油机厂人员登船。经过厂方与船方人员共同分析后，决定先对链条箱进行检查。经检查发现链条导轨橡胶条已破碎，如图2所示，经分析疑为链条松动。在对碎裂的链条导轨进行更换，并对前端链条进行重新上紧后，在锚地附近进行动车试验，发现振动问题依然存在，打开链条箱后发现导轨橡胶条再次破碎。经多方检查查找未找到根本原因。为此我们对船舶振动及其故障原因进行了深入的综合分析。

图2　链条导轨橡胶破损情况

二、故障原因分析

1.船舶振动机理

船舶振动主要是由于船舶在激励源的作用下，当激励源频率与船舶结构或设备的固有频率相等或接近时，引起船舶结构或设备发生共振，或由于激励过大引起强迫振动。

2.激励源

船舶的激励源分为原发性激励源与继发性激励源两种。它们都会引起船舶整体性、局部结构及设备的振动。

（1）原发性激励源。主要有：柴油机主机不平衡力矩激励；轴系校中不良激励；螺旋桨激励；船舶辅机等激励；波浪激励。

（2）继发性激励源。主要有：轴系纵向振动；轴系扭转振动；轴系回旋振动；柴油机机架横向振动；柴油机纵向振动。

3.解决船舶振动的技术路线

研究和解决船舶振动的基本方法是，首先分析原发性激励源与继发性激励源，然后研究激励源传递的途径，再计算分析与振动体产生共振的可能性。如产生强迫振动或共振，则判断振动量级是否超过衡准，如超过衡准，则应研究原因，提出经济有效的解决方案。［2］如图3所示。

图3　解决船舶振动的技术路线

4.船舶的减振原理

根据船舶振动的机理，船舶减振主要从如下三个方面着手：

（1）避免共振。改变结构的固有频率或激励频率防止共振的产生。

（2）减小激励力。进行动平衡或结构改型减小激励幅值。

（3）减小振动或激励力的传递。增加阻尼以吸收振动能量，装设减振装置以达到减小振幅的目的。［3］

5.船舶振动控制流程

由于船舶振动的复杂性，往往很难通过一次的设计计算就完全解决船舶的振动问题。对于每条船舶来说，控制船舶振动往往需要有关详细的船舶资料，因此，对船舶振动的控制必须贯穿船舶设计、建造与使用的全过程，是一个逐步深入的过程。目前，对船舶振动的控制主要分为四个阶段，分别为初步设计阶段、详细设计阶段、建造阶段和营运阶段。

（1）初步设计阶段。

在初步设计阶段，振动控制的主要任务是：根据船舶建造设计任务书的说明收集振动的相关资料，在决定船舶主尺度、主机机型及螺旋桨叶片数时，就船舶防振方面提出合理的意见。

（2）详细设计阶段。

在详细设计阶段，振动控制的主要任务是：根据设计图纸，对振动进行计算与研究，如不满足要求，采取必要的减振措施。

此阶段，振动控制设计的主要内容有：①螺旋桨脉动压力估算；②柴油机不平衡力矩及振动计算；③轴系校中及振动计算；④船舶设备及管路等机械振动计算；⑤船体结构及局部构件振动计算。通过计算，对全船性机械振动作出预报并进行综合分析，提出船舶振动控制的综合性意见与建议。

（3）建造阶段。

建造阶段包括船舶建造阶段和试航阶段。此阶段的主要任务是：根据船舶生产图纸与施工工艺文件，对船舶建造施工过程，就机械振动控制方面，对施工工艺进行监督控制，提高施工质量，防止施工工艺偏差对振动控制造成不利影响，同时编制《船上振动测量大纲》。在试航时，要根据《船上振动测量大纲》，进行各种振动测试并编制《船上振动测量报告》。

（4）营运阶段。

在营运阶段，振动控制的主要任务是：对船舶在实际营运过程中出现的船舶振动进行分析研究并采取必要减振措施，防止船舶出现有害振动，确保船舶航行的安全与人员生活的舒适性。

6.船舶防振与减振的措施

为了防止有害振动，要求在设计阶段必须进行振动计算，并采取预防措施；在营运阶段必须对出现的有害振动采取减振措施。设计阶段的防振措施与营运阶段的减振措施，两者只是处理对象的差异和处理角度的不同，其基本原理都是一样的。根据振动的机理与减振原理，减小船上有害振动的措施主要有：

（1）防止共振。

①改变激励频率；

②改变激励源的作用位置；

③改变结构的固有频率。

（2）减小激励的幅值。

（3）减小激励的传递。

（4）船、机、轴、桨合理匹配。

（5）合理设计船体结构。

（6）增加阻尼或装减振装置。

7.船舶的减振方法

根据船舶的振动机理与减振原理，我们制定了解决异常振动的方法，如图4所示。

图4　减振方法

三、故障解决经过

1.振动测量

经过船厂方、柴油机厂方、船公司方及船上轮机人员共同研究分析后，决定首先进行振动测量。为了便于对比分析，振动测量点在试航时的《船上振动测量报告》中测量点的基础上加上振动比较明显的位置。经过测量分析后，确认船上实际振动比测量报告中的大，同时通过参加试航的人员回忆，试航时确实未出现这样的振动，进一步确定船上存在有害振动。

2.故障排除经过

本船在船厂建有多条姐妹船，通过询问其他在航的船舶，得知其他船运行正常，可以排除船舶结构设计、主机机型、螺旋桨等设计选型的因素。

对轴系重新校中，检查结果为正常，排除轴系对中不良的原因。检查主机等各设备的支撑情况，发现除主机支撑个别接头螺栓稍有松动外，没有其他问题，排除支撑的问题。通过综合分析，认为最可能出现问题的地方在主机平衡装置及减振装置上，但通过检查未发现明显异常。至此故障分析陷入僵局。

为了进一步观察了解故障情况，经多方共同商议后决定先行装货，主机降速运行前往广州，途中派船厂与柴油机厂人员跟船同行以进一步观察主机运转情况，并应对可能出现的问题。

2月9日，船舶装货后，主机以72r/min运转开航前往广州。

2月10日16：05，主机振动加大，经检查后发现扭振减振器滑油进油压力下降，停车检查发现扭振减振器进油轴轴套密封圈磨损，见图5、图6。因无备件，船上临时用尼龙棒加工密封圈密封后，以71r/min开往广州。

图5　扭振减振器进油轴轴套密封圈磨损情况

图6　扭振减振器进油轴轴套与角度编码器图

2月17日，船靠港后，柴油机厂人员送上备件，对扭振减振器进油轴轴套进行了更换。同时检查进油轴的对中性，发现其跳动量为2.40mm，远超标准值。对进油轴重新对中，发现无法调到标准值以内，怀疑进油轴加工精度不足，要求加工厂送新件上船。因加工厂无法在短时间内送货上船，遂决定船先开往曹妃甸港。

2月19日卸货后，船开航前往曹妃甸港，主机运行状态正常。2月21日，主机开始出现振动。降速后继续运转。

2月24日，在曹妃甸锚地，拆开角度编码器及扭振减振器进油轴进行检查，发现轴与轴套再次磨损。

2月22日22：32，主机突然自动停车，经检查发现角度编码器轴松动。因主机无法运行，船舶在海上漂航。故障解决后，继续航行。

3月4日，柴油机厂人员上船更换进油轴与轴套，并对盖斯林格、进油轴及角码器轴进行调整，各对中度符合要求。经动车试验后，发现振动减轻至合理的范围内。经过多次航行后，未再出现异常振动，至此故障排除。

四、故障经验教训

1.故障造成的损失及风险

此次振动的故障造成了严重的后果，首先主机第1、4、5缸缸盖冷却水管相继断裂，造成船舶多次在海上漂航进行修理。其次主机无法加到全速，长时间低速运行造成主机工况恶化，影响主机运行的可靠性、安全性及使用寿命，同时给船东带来了巨大的船期损失。同时因振动造成角度编码器松动致使主机自动停车，造成船舶失去动力在海上漂航长达6个多小时，给船舶及船上人员安全带来了极大的安全隐患。万幸的是几次漂航，海况均不错，同时还有船厂与柴油机厂人员随航，否则后果不堪设想。

2.对故障的几点反思

对此次故障，我们进行了深刻的反思。从故障原因来看，此次故障绝非偶然。

对于B&WmE型共轨柴油机来说，角度编码器是极其重要的。一旦出现问题，将造成主机无法运行，后果极为严重，下面从几个方面谈谈一些个人的建议。

（1）改进设计。

从设计上来看，存在一定的缺陷或设计不够理想。首先角度编码器轴是通过内外螺纹连接在扭振减振器的进油轴上，如图7、图8、图9、图10所示。没有防松设计，一旦出现振动，角度编码器轴将会松动造成海上停车，存在极大的安全隐患。其次其对中度难以调整，同时影响对中度的因素过多，不够简单可靠。从图中我们可以发现，角度编码器轴的对中性，取决于扭振减振器进油轴及轴套的对中性；扭振减振器轴套的对中性取决于外面的保护罩，而扭振减振器轴的对中性取决于盖斯林格；盖斯林格又要与曲轴自由端进行对中。一旦中间任一环节对中不好，或加工精度不够及在运行中螺纹出现损伤，角度编码器将会出现故障，而一旦出现故障，船上人员将无法自行解决故障。建议改进设计，保证角度编码器轴要直接连接在曲轴自由端上，同时改内外螺纹连接方式为其他更为可靠且便于调中的连接方式，以确保主机运行的可靠性与安全性。

图7　角度编码器与扭振减振器图

图8　扭振减振器进油轴

图9　角度编码器

（2）提高加工质量。

从本次故障原因来看，发生振动的根本原因就是由于扭振减振器进油轴加工精度不够造成的，因此对于这种直接影响安全的关键部件，一定要提高加工精度，同时把好质量关，对于不合格的产品严禁出厂。

（3）提高安装人员工艺水平和工作责任心。

本次故障除了部件本身有问题外，还与安装人员的工艺水平不高及工作责任心不强有关。通过检查发现，扭振减振器进油轴的跳动量及与轴套的对中度严重超过标准，通过调整可以大幅提高，说明安装时安装人员工艺水平不够，出现问题没有及时处理，而是抱着侥幸心理，说明工作责任心不强。

图10　扭振减振器轴

（4）加强船舶监造。

据参加试航的人员说，本船在试航时由于连续出现主机多缸缸头垫片漏烟的问题，且当时海况不好，主机全速试航的时间严重不足，从而使本该在试航时就可能发现的振动问题没有及时解决，在一定程度上也是造成此次故障的重要原因。因此，加强船舶监造，严格按照相关文件与规范的要求对新船进行相应的试验，对及时发现新船存在的问题，提高新船航行的安全性具有重要的意义。