某型船艉轴异响原因分析与解决措施

张鹏鹰，隋波

某型船艉轴异响原因分析与解决措施

张鹏鹰，隋波

（海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连116021）

本文针对某型船在首次航行试验过程中，推进系统出现的异常响声现象，通过系统排查、相关振动与噪声测量，最后将异常响声定性为桨鸣。在对桨鸣形成机理分析的基础上，提出了螺旋桨随边进行修整的解决方案，取得了理想的消音效果。

轴系；螺旋桨；异常响声；桨鸣；消除

某型船为双推进电机、双桨推进系统。推进系统主要由推进电机、高弹连轴器、推力轴承、中间轴承、艉轴密封、中间轴、推力轴及定距浆组成。水下部分由艉轴管、前艉轴架和后艉轴架支撑，推进机舱由推力轴承、中间轴承支撑。

在航行试验中，当船在进一、进二工况运行且直航时，后甲板舵机舱附近区域存在异常响声，类似于低频“金属磨擦声”和高频“啸叫”声，在螺旋桨的正上方甲板部位最显著。当转弯或改变较大舵角时，声响消失。海况越好、异响越大且码头系泊带桨运转无异响。本文通过分析诊断和系统排查相关振动与噪声测量，对异常噪声作出定位，从而对螺旋桨随机进行修整，取得了理想的消音效果。

1 故障诊断

第一次试航发现异常响声后，对舵机舱、推进机舱、消磁电缆舱进行了检查，未发现异常，通过对推力轴承、支点轴承、艉轴密封等摩擦部位及艉轴的听音检查，排除了由轴系产生的可能。返厂后派潜水员下水对轴系、螺旋桨、舵叶及船底外板进行了检查，也没发现异常。第二次出海，通过锁轴方式、单轴推进、微调艉轴转速的方法确定艉轴左轴转速在160 r/min时，右轴180 r/min时有明显的低频噪声，频率与转速一致。在转速升高过程中，低频噪声逐渐减小，船进三航行时，低频噪声消失，但在转速升高过程中出现高频噪声，频率为600 Hz，船进四和进五航行时，高、低频噪声全部消失。通过振动测量，振幅在标准范围之内，同时高、低频噪声只在正舵正常航行时出现，有舵角时，无论左舵还是右舵，高、低频噪声全部消失。在系泊状态下，无高、低频噪声。

在后甲板听到的低频噪声为周期性的类似金属磨擦声，频率与艉轴转速一致，听到的高频噪声为连续的鸣音。首先想到的是否为艉轴传动的机械磨擦引起，通过对推力轴承、支点轴承、艉轴密封等摩擦部位及艉轴的听音检查，排除了由轴系产生的可能，艉轴异响最大可能来源于船舷外水动力噪声。因此确定对某型船在海上进行相关振动与噪声测量，为认识异常声音提供依据。该船主动力为电力推进，主要激励是螺旋桨，螺旋桨主要激励频率（Hz）如下：

式中：fe为螺旋桨激励频率；K为激励阶数，K=1叶频，K=2倍叶频；Z为螺旋桨叶数；N为螺旋桨转速。

测量在主机和螺旋桨工作产生异常声音状态下进行。对四个工况进行艉部振动和噪声的测量，四个工况如表1所示。

表1 工况与频率对照表

通过测量得出以下结论：（1）从艉部结构振动和机舱机座振动的频谱分析，在出现异常声音的工况，艉部板上有相应的高频成分，强力构件上高频成分非常弱，主机机座就几乎没有测到，振动测量结果表明高频振源来自舷外水动力的可能，不会是主机和轴系产生；（2）从艉部和机舱噪声声级和频谱测量分析，出现异常声音工况时，舵机舱声级大于机舱声级，如两车进一时，舵机舱左和右分别是90 dB（A）和90.1 dB（A），而机舱左和右分别是87.8 dB（A）和88.2 dB（A），舵机舱噪声频谱中有明显异常高频成分，机舱相对不明显，噪声测量表明高频噪声成分舵机舱强，声源靠近舵机舱；（3）通过实验和分析，基本判定异常600 Hz频率左右的声音为螺旋桨鸣音。

2 螺旋桨鸣音的机理

卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学中所研究的重要现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，开始时这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。只要发生边界层脱离，就可能出现卡门涡街。

对于圆柱的绕流，涡街的每个单涡频率与绕流的速度成正比，与圆柱体的直径d成反比，即f=Sr. Sr是斯特劳尔系数，它主要与雷诺数有关。当雷诺数为300～3×105时，Sr近似于常数值（0.21），当雷诺数为3×105～3×106时，有规则的涡街便不再存在，当雷诺数大于3×106时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27.出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力，如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振[1]。

当流体流经螺旋桨时，由于螺旋桨的阻碍，在螺旋桨后面的尾流中，将会出现顺时针和逆时针交替旋转的卡门涡，并由此在螺旋桨上产生一个垂直于流向的卡门力。当该力的频率与螺旋桨的固有振动频率一致时，即产生共振。卡门涡频率fx与螺旋桨随边厚度h及流速v0之间的关系fx=c

式中c为雷诺数的函数，相应于fx的角频率为

同理，当叶片固有频率与卡门涡频率一致时，也会引起共振。

卡门涡街交替脱落时会产生振动，并发出声响效应，这种声响是由于卡门涡街周期性脱落时引起的流体中的压强脉动所造成的声波。如果涡街交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合，会引发声学共振。

由于船尾伴流场的复杂性，界层分离程度及分离点的位置是变化的，在设计螺旋桨时，对鸣音问题很难用理论计算的方法进行预报。同时，螺旋桨的鸣音除了卡门涡的主要原因外，还存在空泡现象造成的振动鸣音和叶片颠振造成的鸣音。总之，卡门涡诱发的非定常流体升力对螺旋桨桨叶随边共振起激励作用，螺旋桨鸣音是典型的卡门涡诱发的流体动力学弹性共振问题，对螺旋桨的随边进行处理可解决螺旋桨的鸣音问题[2]。

3 艉轴异响的解决措施

对某型船艉轴异响的振动频谱、噪声级等实测数据进行分析后，初步判定艉轴异响为螺旋桨鸣音，且此异响不会对舰船造成危害，不影响总体性能，但考虑到船上人员的舒适性及水下辐射特性，对于某型船有根治鸣音的必要，为此制定了对螺旋桨随边进行修整的技术方案。同时制定了桨叶返厂修整及坞内对艉轴水下部分的扩大性检查方案。通过检查，船艉部区域船体外板、船体外轴系、附件及螺旋桨外观正常，且轴系各加工部件与图纸一致。对艉轴抽出米检查，艉轴轴套处艉轴表面及水润滑轴承表面磨损情况正常，艉轴与艉轴架水润滑轴承间隙测量正常，轴承流水槽畅通无异物。

为干扰螺旋桨随边区域边界层的发展，减弱卡门涡的影响，对螺旋桨的随边进行修整，设置抗鸣边，范围为至螺旋桨叶梢界的径向范围，抗鸣边的尺度x不大于20mm.螺旋桨返厂后对螺旋桨的半径、螺距、厚度和宽度进行测量，与原始测量数据基本一致且符合图纸公差要求。根据螺旋桨型值测量的结果对螺旋桨随边进行割边处理，并进行了动平衡试验。

修整后分别在左右单轴进一、进二工况和双轴至进五9个工况进行验证，艉部异响消除，测速试验理想。通过试验和实船航行结果证明对某型船艉轴异响的原因定位准确、解决措施合理有效。

[1]李步墀，应明华.“望远”号螺旋桨鸣音现象及其消音措施[J].船舶工程，2002（1）：2-13.

[2]华汉金.螺旋桨鸣音产生机理及防治方法[J].船舶工程，2005（2）：17-18.

Reason Analysis and Solution of Empennage Shafting’s Abnormal Sound on the Ship

ZHANG Peng-ying，SUI Bo
（Military Representative Office of Navy in Dalian Area，Dalian Liaoning 116021，China）

Abnormal sound of propulsion system happened when the first sea trial is proceed of the ship.The abnormal sound is defined as oar’s ring by system’s looking up and the measurement of shake.Based on the analysis ofoar’s ring.The solution of windstick’s repair is presented.Finally，the noise reduction’s effect is good.

shafting；windstick；abnormal sound；oar’s ring；eliminate

U672

A

1672-545X（2017）02-0192-02

2016-11-14

张鹏鹰（1968-），男，河北张家口人，硕士研究生，高级工程师，从事舰船监造；隋波（1980-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，从事舰船监造。