某船舶轴系故障异响分析

曹 博，刘水根

应用研究

某船舶轴系故障异响分析

曹 博1，刘水根2

（海军装备部，武汉市 430000）

本文针对某钢制双体船在航行试验时轴系出现异常噪声的现象进行了分析研究。根据轴系布置，通过分析造成轴系异响的因素，制定轴系异响故障排查方案，进行了轴系排查测试。根据排查结果，确定导致轴系异响的原因为螺旋桨鸣音，并对螺旋桨鸣音机理进行分析，最终确定通更换桨叶来解决轴系异响。

船舶轴系 异响分析 故障排查 螺旋桨鸣音

0 引言

轴系异响是轴系出现故障的标志，轻微异响或导致较大噪声，若不进行处理，则会加剧其它零件的磨损，严重异响不仅会产生较大噪声，甚至影响轴系运转，导致安全事故。某船为钢制双体船，采用双机双桨、双轴系、左右对称布置。在进行航行试验时，轴系出现异常噪声。本文对船舶航行时的轴系异响进行研究，排查致轴系异响故障的原因，对其进行分析，提出轴系噪声解决措施。

1 概述

为保证船舶行驶安全及船员的休息，船舶噪声需要按照标准进行控制。船舶噪声主要包括螺旋桨噪声、船体振动噪声、通风系统噪声、辅助机械噪声、液压冲击噪声、柴油机燃烧噪声、空气动力噪声、排气噪声、激励叶片振动噪声等。按照途径主要分为三种：空气声，动力或辅助机械设备直接向空气中辐射噪声；结构声，机械的振动能量沿固体结构传播到船体各部位，然后再向外辐射；水下噪声，船体振动或螺旋桨扰动的向水下辐射。

轴系异响属于船舶噪声的一种，包括螺旋桨噪声和船体振动噪声等。当轴系出现异响，需要及时排查原因，分析其对航行安全的影响，制定解决方案或改进措施。

1.1 螺旋桨噪声

螺旋桨噪声主要包括旋转噪声和空气噪声（当桨叶表面的水分子压力降低到水的汽化压力时，产生气泡，气泡上升后破裂）。旋转噪声是螺旋桨在不均匀流场中工作引起干扰力和螺旋浆机械不平衡引起的干扰力（轴频）所产生的噪声。空气噪声具有连续谱的特征，其特性与桨叶形状、面积、叶距分布等因素又换。在一定转速下，随着螺旋桨叶片旋转产生的涡旋的频率与桨叶固有频率相近时，产生螺旋桨鸣。

1.2 船体振动噪声

船舶轴系在工作过程中，可能产生扭转振动、纵向振动和横向振动三种振动形式。扭转振动是主机通过轴系传递功率至螺旋桨，造成各轴段间的扭转角度不相等，轴段来回摆动产生的；纵向振动主要是因螺旋桨推力不均匀造成的；横向振动主要是由于转轴不平衡引起的，包括各轴承径向支撑及其基座振动。对于扭转振动而言，轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断，造成安全事故。对于纵向振动和横向振动，产生噪声来源于轴系部件与轴的摩擦碰撞。

2 故障说明

某船为钢制双体船，主推进系统采用电力推进，双机、双桨、双轴系、左右对称布置，推进电机经高弹性联轴器、推力轴、螺旋桨轴（艉轴）传动驱动螺旋桨，轴系中心线与船的中线面平行，轴系中心线与船的中线面距离11300mm，轴系中心线与基线平行，距基线高度为2650mm。螺旋桨与螺旋桨轴之间采用液压无键联接；螺旋桨轴与推力轴之间采用液压联轴器联接。其轴系布置图如图1所示。

图1 轴系布置图

在航行过程时，左、右舷推进电机舱出现异常噪声，具体表现为左舷进三及以上工况有凸显声音，其他工况正常；右舷进二工况有轻微响声，进三、进五工况有凸显声音，进一、进四无异常声音。

3 轴系异响故障分析

3.1 轴系异响排查方向

根据轴系出现的异响，按照可能导致轴系异响的因素，确定排查方向：

1）推进电机舱及附近舱室船体结构或舾装件（基座、梯子、马脚、管卡）等安装紧固出现问题，在轴系运行过程中发生振动出现异响；

2）轴系施工质量问题，轴系接地装置、轴系制动装置、艉轴密封装置等设备安装不当，在轴系运转过程中与轴系干涉摩擦发出异响；

3）螺旋桨或导流罩舷外部分缠绕异物，轴系运转过程中与结构摩擦或撞击产生异响；

4）桨轴匹配不当，螺旋桨旋转过程中动态不平衡，产生振动后传递至舱内，发生异响；

5）共振问题，推进系统及附属设备振动频率与轴系振动频率相近产生共振，发生异响。

3.2 轴系排查测试

3.2.1 推进电机舱及附属结构焊接情况检查

1）检查尾部压载舱及左右舵机舱的结构焊接，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况；

2）检查推进电机舱内直梯、管系电缆支架等舾装件的焊接安装，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况；

3）检查推进电机的基座焊接，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况；

4）检查推力轴承基座焊接，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况；

5）检查轴系制动器基座焊接，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况；

6）检查轴系接地装置基座焊接，看是否存在虚焊、脱焊、结构松动等情况。

3.2.2 轴系施工质量排查

1）检查艉密封装置安装情况，检查气胎压力；艉密封装置动、静环配合灵活，无卡滞现象，气胎处于非充气状态，冷却水压力处于0.05 MPa～0.15 MPa之间；

2）检查轴系接地装置的安装与轴系的间隙情况，轴系接地装置与艉轴四周间隙均匀、无杂质与干涉；

3）检查轴系刹车装置安装间隙情况，轴系制动装置应处于松开状态，与艉轴四周间隙均匀、无杂质与干涉；

4）检查推力轴承的安装情况，检查各螺栓、螺母是否都已拧紧；

5）检查高弹性联轴器的安装情况，各螺栓、螺母是否都已拧紧，中间是否有异物；

6）检查推进电机的安装情况，检查底部隔振器、限位器、机脚螺栓是否拧紧。

3.2.3 螺旋桨及导流罩检查

螺旋桨外观检查，检查是否有异物缠绕或其他异常情况。检查导流罩与桨毂之间的间隙（约10 mm）处，是否有异物缠绕或其他异常情况。

3.2.4 检查轴系对中情况

1）检查艉轴与推力轴承的对中情况

拆除液压联轴器，安装工装表架检查艉轴与推力轴承的对中。上下偏移（a-0.05）～(a+0.05) mm（a为尾轴安装液压联轴器后的下垂量），左右偏移≤0.05 mm；曲折≤0.10 mm/m。

2）检查推力轴承与推进电机的对中情况

拆除高弹性联轴器，检查推力轴承与推进电机的对中情况，对中结果满足偏移≤0.05 mm，曲折≤0.10 mm/m。

3.2.5 轴系及相关设备振动测量

1）轴系的扭振测量

在螺旋桨轴上粘贴应变计，安装信号调制及无线发射模块，轴系运行时从30 r/min～120 r/min，进行轴功率测试，测试数据详见表1。轴系扭振测试结果表明轴系运行未见异常，扭振应力远小于许用应力，没有转速禁区，符合规范要求。

表1 主机轴功率测试数据

2）轴系横振测量

在左舷和右舷艉轴上布置激光传感器，把信号接入泰斯特振动测量分析仪，分别在29.8 r/min(双机进一)、54.7 r/min（双机进二）、72.6 r/min（双机进三）、94.5 r/min（双机进四）和119.4 r/min（双机进五）时测量。通过对测试数据分析，在频域图中，测到的1谐次振幅比较平稳，无明显的波动，转速－振幅及典型波形见图2和图3；测到的5谐次振幅比较平稳，无明显的波动，转速－振幅及典型波形见图4和图5。

3）推进电机舱空气噪音测量

测量不同工况下左、右舷推进电机舱和艉尖舱振动及噪音，具体试验工况如下表2所示。测试的空气噪声值满足相关空气噪声指标要求足（GJB4000-2000中的038.4.2.3规定的噪声限值），与同型号其他船相当。

图2 左舷艉轴1谐次转速－振幅及典型波形图

图3 右舷艉轴1谐次转速－振幅及典型波形图

图4 左舷5谐次转速－振幅及典型波形图

4）相关设备振动测量

对船尾部结构进行了振动测试，运行工况为单机、双机进一至进五工况及退三工况，具体测点布置见图6，测试结果表明推进系统及附属设备未出现明显振动。

图5 右舷5谐次转速－振幅及典型波形图

表2 试验工况

图6 推进电机舱结构测点布置示意图

3.3 排查结果分析

排查结果表明轴系运行未见异常，扭振应力远小于许用应力，无转速禁区，两舷轴系可安全使用；通过对轴系及其附属系统安装质量检查，轴系对中及附属设备安装满足设计要求；推进电机、推力轴承、推进变频器、推进变压器等设备在各工况下运行正常，温度、压力、电流电压等未出现报警等情况；艉轴密封装置泄漏量及壳体温度正常。

通过对上述测量结果分析，尾部轴系区域结构安装完整、轴系运行时监测数据正常，辅机运行正常，轴系扭振、横振、纵振、轴功率等均满足设计要求，轴系运行安全。

该振动偏大现象与轴系运转有关，轴段是传递通道之一，引起振动阻尼较小，初步排除船体结构引起的流激振动的影响，且推进电机舱空气噪声在操舵时有明显下降。综合上述数据分析结果，初步判断艉部噪声偏大是由螺旋桨鸣音引起。

4 螺旋桨鸣音机理

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，如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱等时会产生漩涡诱发振动。1911年，T.von卡门把这种现象与一条稳定交错排列的漩涡形成联系在一起，称为为卡门涡街。在一定条件下的定常流绕过某些物体时，将发生边界层分离，物体两侧会出现两列有规则的漩涡列，两列漩涡旋转方向相反、排列规则的，开始时这两列漩涡分别保持自身的运动前进，随着两列漩涡互相干扰，互相吸引，形成非线性的涡街，这样形成的旋涡列流动和物体的相互作用，成为诱发振动效应的根据[1]。

同理，当桨叶的固有频率与卡门涡频率一致时，也会引发共振。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频率相重合，会引发声学共振[2]。

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，很难用理论计算的方法对鸣音问题进行预报。同时，产生螺旋桨鸣音的原因除了主要的卡门涡街外，还与空泡现象造成的振动和叶片颠振有关。对于空泡现象造成的振动鸣音，一般出现在无空泡腐蚀的螺旋桨上，此时鸣音最强。当螺旋桨上刚产生空泡时，鸣音开始减弱，空泡一发展，鸣音随即消失。

5 轴系异响处理方案

通过对上述测量结果分析，尾部轴系区域结构安装完整、轴系运行时监测数据正常，辅机运行正常，轴系扭振、横振、纵振、轴功率等均满足设计要求，轴系运行安全，初步判定该空气噪声为螺旋桨鸣音引起。螺旋桨鸣音对船舶总体性能没有太大危害，但是会影响船员工作及生活的舒适性，同时会对船舶隐身性能造成影响。

通过螺旋桨鸣音机理分析可知，螺旋桨鸣音是由于卡门涡诱发的非定常流体升力对螺旋桨桨叶随边造成激励作用的流体动力学弹性共振问题，可以通过改变共振频率或螺旋桨自身的固有频率来消除共振，即可通过增大螺旋桨阻尼或对螺旋桨的随边进行处理来解决螺旋桨的鸣音问题[3]。综上所述，确定该船轴系异响的处理方案为更换螺旋桨桨叶。

[1] 华汉金. 螺旋桨鸣音产生机理及防治方法[J]. 船舶, 2002(02): 20-23.

[2] 张鹏鹰, 隋波. 某型船艉轴异响原因分析与解决措施[J]. 装备制造技术, 2017(02): 192-193+203.

[3] 魏以迈, 郑永敏, 陈韵芬. 船用螺旋桨鸣音的研究[J]. 中国造船, 1986(01): 14-22.

Abnormal Sound Analysis of a Ship Shafting Fault

Cao Bo1, Liu Shuigen2

(Naval Armament Department, Wuhan 430000)

U644.21

A

1003-4862（2022）11-0027-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系统工程。E-mail: cb625yh121@163.com