“雪龙”号极地科学考察船集控室振动改进技术

周 炎，徐 宁，董佳欢，周豪杰，叶林昌，朱巍巍

（1. 上海船用柴油机研究所，上海 201108；2. 中国极地研究中心，上海 200136）

0 引 言

“雪龙”号极地科考破冰船原为北极海域运输补给船，1989年在乌克兰赫尔松船厂开工建造，1991年下水运营，1993年由我国购入并运营，至今已累计执行22次南极科考任务和9次北极科考任务，在我国极地科考事业中发挥着重要作用。

2013年该船更换了主机和发电机组，此后在航行过程中发现其集控室的地板一直存在严重的振动问题，表现为：系泊状态下，集控室地板存在局部结构振动；高工况航行状态下，振动尤为明显。集控室长期过大振动不仅影响集控室内电气控制设备的安全可靠运行，而且对工作人员的身体健康有负面影响。

针对该问题，在该船回国修理和试航期间，对其开展了多次舱室振动和主推进系统振动测试分析，积累了大量测试数据。例如：2016年6月，上海船用柴油机研究所开展了全舱室振动测试[1]，获得了各种推进工况下主要舱室的振动频谱和峰值；2017年12月，瓦锡兰公司对柴油机推进系统进行了振动测试[2]，认为主机发火频率造成的轴系跳动较大。由于振动原因比较复杂，主要原因未能定位清楚，始终无法采取具体可行的改进措施。

2019年3月，“雪龙”号完成第35次南极考察任务，返回上海。经过上船认真勘验，结合前期获得的大量振动测试数据，发现2013年对其动力系统进行改造之后，其主机和发电机组的振动激励频率发生了变化，安装边界条件发生了变化，这是造成该船集控室振动过大的主要原因。

对此，为解决“雪龙”号集控室振动过大的问题，开展多种改进方案的设计和优化，并进行振动仿真分析，制订切实可行的综合改进方案。同时，通过实船测试，验证该改进方案的有效性。

1 集控室振动测试情况

1.1 “雪龙”号动力系统组成

“雪龙”号的主动力系统主要由单机推进系统和可调桨组成。

2013年改造后，该船的主机为瓦锡兰6RT-flex60L-B型低速柴油机，额定功率为13200kW，转速为111r/min，刚性安装；3台发电机组均为瓦锡兰Auxpac 1140W6L20型六缸中速柴油机发电机组，额定功率为1200kW，转速为1000r/min，单层弹性安装。

1.2 集控室振动测试

“雪龙”号集控室（见图1）面积较大，集控台在舱室中央，舱壁布置有很多电气控制屏。经过前期和后期的振动测试发现：

1) 在系泊状态（主机不运转，发电机组运行）下，集控室地板的振动测试频谱见图2，地板垂向振动速度峰值在50Hz频率处约为2mm/s。集控室内人员工作的位置有较为明显的振感。

图1 “雪龙”号集控室

图2 系泊状态下集控室地板的振动测试频谱

2) 在全速航行工况下，集控室地板的振动测试频谱见图3，地板垂向振动速度峰值在10Hz频率处高达7.0mm/s，振动速度总值（对应频率为1～80Hz）达到8.0mm/s。

3) 在从极地码头航渡至江南造船集团（有限）责任公司时，主机转速为101r/min，螺旋桨螺距70%，1#发电机组和3#发电机组运行，集控室地板的振动测试频谱见图4，地板垂向振动速度峰值在10Hz频率处约为3mm/s，在50Hz频率处约为2mm/s。

图3 全速航行工况下集控室地板的振动测试频谱

图4 航渡时集控室地板的振动测试频谱

此外，对集控室地板结构进行频率响应测试分析，结果显示，在11Hz频率附近存在固有频率。

2 集控室振动过大的原因分析

根据集控室地板振动测试结果，结合实船勘验，经过细致分析，发现导致集控室振动过大的主要频率分量约为10Hz和50Hz，产生的主要原因如下：

妻问我何故归家这样的迟，我说遇到了朋友，在沙利文吃了些小点，因为等雨停止，所以坐得久了。为了要证实我这谎话，夜饭吃的很少。

1) 50Hz频率主要来源于发电机组柴油机排气频率，表现为排气管直接焊接在集控室地板底部，而非连接在横梁等加强筋处。该结构形式的结构刚度较小，对振动的抑制作用较小，易产生结构二次振动。

2) 10Hz左右频率主要来源于主机激励频率，该频率与主机转速密切相关，在测试结果中也得到了验证，其中在全速航行和快速航行工况下，主机主要激励频率为10.3Hz，转速为103r/min。

3) 采用敲击法对集控室地板进行模态测试，结构频率响应曲线显示，在11Hz频率附近存在结构固有频率。在船舶高速航行工况下，当主机转速高于100r/min时，存在较强的耦合共振现象。

需说明的是，在2013年对该船的动力系统进行改造前，集控室振动能被船上人员接受，其原因有：高速运转的发电机组的排气激励频率为75Hz，安装方式也有所不同；在全速至微速的5种前进工况下，8L60型主机的振动激励频率分别为13.7Hz、13.7Hz、12.1Hz、10.3Hz和6Hz，转速分别为103r/min、103r/min、91r/min、77r/min和45r/min，正好与集控室地板结构的固有频率11Hz错开，且在船舶低速航行时，主机的干扰力大为下降。

3 改造方案设计思路

针对船舶主机和机组振动激励引起的集控室振动问题，可从振源和传递路径的角度进行控制，可采取的措施如下。

3.1 排气管改造

针对1台主机和3台辅机的排气管，采用弹性安装；同时，对吊架的支撑形式和刚度进行优化，阻止振动传递和避免引起二次振动。特别是排气管支架与集控室地板直接相连处，需进行修改加强。

3.2 集控室结构振动计算评估及优化

计算评估集控室地板的结构振动情况，通过设置支撑结构等方式优化结构形式，增大结构刚度，提高结构的固有频率，避免引起共振。

3.3 阻尼处理

阻尼材料在低频段有很好的消峰作用，在主机的结构噪声传递路径上敷设阻尼材料能起到减振作用。因此，在集控室底部支撑结构上敷设阻尼材料，包括横舱壁和舷侧舱壁等，以防止振动传递至集控室地板上。

4 振动模态分析

实船测试结果显示，集控室地板存在共振风险。下面通过有限元计算评估结构优化措施的有效性。

建立集控室结构有限元模型，研究对象为集控室地板。采用shell单元和beam单元建模，材料的弹性模量为210MPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。建模和边界条件选取的原则如下：

1）模型包含集控室地板区域，纵向、横向和垂向等3个方向上有必要的结构延伸；

2）模型边界条件根据实际情况，采用实际结构约束集控室地板边界；

3）模型考虑地板敷料和集控室设备重量的影响。

结构有限元计算模型见图5。经过计算，集控室地板第1阶模态频率为10.9Hz，模态振型为一阶弯曲；第2阶模态频率为16.3Hz，模态振型为两阶弯曲（见图6）。

图5 结构有限元计算模型

图6 集控室地板前2阶模态频率及振型

有限元计算结果表明：2013年对该船进行改造之后，集控室原结构在船舶高速航行工况下存在较强的耦合共振现象，第1阶模态频率（10.9Hz）与主机高转速运行时的激励频率非常接近。

在集控室地板底部强横梁位置增加2处尺寸为φ273mm×12mm的立柱（见图7），增大结构刚度，以提高结构的固有频率。设置立柱前后集控室地板结构固有频率对比见表1。

图7 设置立柱的结构形式

表1 设置立柱前后集控室地板结构固有频率对比 单位：Hz

5 实船振动测试分析

采取改进排气管支撑形式、增加集控室地板支撑结构并进行结构优化和实施阻尼处理等优化改进措施之后，开展船舶航行试验，对比改造前后集控室的振动变化。集控室振动测点布置见图8，改进前后集控室地板振动测试结果对比见表2。

图8 集控室振动测点布置

表2 改进前后集控室地板振动测试结果对比

改进后集控室振动测试结果表明：

1) 发电机组排气管引起的地板结构振动速度总值由改造前的2.00mm/s减小至0.20mm/s，几乎察觉不到；

2) 全速航行时，主机振动激励频率引起的地板结构振动峰值由改造前的7.00mm/s减小至2.64mm/s（减少约62%），振动速度总值由改造前的8.0mm/s减小至3.11mm/s（减少约61%），情况大为改善，达到了设计预期目标值（不大于4mm/s）；

3) 航行试验中，集控室的空气噪声为65～67dB(A)，小于70dB(A)。

因此，改进后集控室的振动和噪声满足中国船级社《钢制海船船舶入级规范》对船员处所和机舱控制室一级舒适度的要求（即振动不大于4mm/s，噪声不大于70dB(A)）。

6 结 语

通过大量的振动测试和认真的现场勘察，经过相关模态分析，找到了“雪龙”号极地科考船集控室振动较大的主要原因是发电机排气管振动和主机振动的激励作用。

经过结构模态分析，提出了可行的解决方案。改进后，经过实船航行测试验证，集控室振动较大的问题得到了解决，其振动噪声幅值满足中国船级社对集控室振动和噪声一级舒适度（最高舒适度）的要求。