内河船舶的振动分析及减震对策

杜松林

摘 要：船舶的有害振动是影响船舶安全营运的重要问题。因此船舶防振和减振已是目前造船界和航运界极为关注的内容，对振动研究的目的是确保船舶不会产生有害的振动问题，以保证船舶安全营运。

关键词：内河船舶; 振动分析; 减震对策

中图分类号：U661                 文献标识码：A     文章编号：1006-3315（2019）8-196-001

随着航运事业的发展和水陆空交通的竞争，人们逐渐要求内河船舶吨位载重量大、航速高，必然促使内河船舶向船型宽大和主机功率大的方向发展。由于造船技术的进步和优化设计等因素，船体用板及构件相对减薄和减小，结构刚度不足，所有这些都使船体振动加剧，船体振动已成为一个突出的问题。

船舶振动的产生有建造和营运方面的原因，目前在内河船舶的设计阶段，对船舶振动问题还没有给予足够的重视，若建成的船舶一旦投入营运后才发现有严重的振动问题，再寻求对策，要想彻底根除一般是很困难的，且花的代价也相当大，往往是浪费人力和物力，也不易收到满意的结果。

为了防患于未然，要求在设计阶段就进行必要的振动研究，并采取有效的预防措施。这就要求设计者在设计时应了解船舶的主要激励源和影响振动的其他因素，对船舶的快速性、动力装置、结构设计等全面考虑，选出较好的方案。

船体振动分总振动和局部振动，总振动较少出现，而局部振动则较为普遍。主要原因及减振或避振措施如下：

一、共振及减振措施

船舶同其他弹性体一样，即使激励的幅值较小，但在共振时也会有大的响应。对内河船舶来说，虽然主机的转速一般较高，在常用工况下发生低速共振的现象并不多见，但为了节能，提高推进效率，往往采用减速齿轮箱，以降低尾轴转速，加大螺旋桨直径，这就使主机在常用工况下出现船体低谐共振的可能性大大增加。为了避开共振，就需要改变固有频率和激励频率。改变船舶的固有频率可以从船体梁的刚度考虑，如增大船体梁剖面惯性矩、合理设计上层建筑，采用弹性接头可降低总振动的程度。改变船舶激励频率可以从选择主机、减速齿轮箱和螺旋桨入手，如改变减速比和螺旋浆的叶数。

二、机械设备振动及减震措施

船舶的机械设备如动力机械、发电机、空气瓶、鼓风机以及柴油机排气管等，由于其本身均含有运动部件或压力脉冲，他们在工作时将产生激励，造成船体振动，这不但会引起机械设备本身的损坏，而且会引起其他结构和设备的有害振动，同时产生较大的机械噪音。因此，对于这类机械设备为了降低所产生的振动量级，一般采取在机械设备与其固定的基座之间采用弹性支承，但需考虑机械设备与外界相连的所有管路、导管电缆等应有足够的弹性。

三、线型的选择及减震措施

因为尾部线型直接影响螺旋桨来流和去流产生漩涡、伴流等方面的状况，这些都直接与产生船体振动有关，从水线面线型看，为避免水流分离而发生漩涡和振动，对于双机船，尾段的纵向斜度应大于30°C，且保持顺滑，以直线形为佳，而不宜凹形;单桨船螺旋桨区水线应力求平直，纵向斜度以不超过20°C为宜，而且终端（尾柱处）不应饨阔、水线反曲处也应避免斜度过大。从横剖面线型看，对单浆或双尾船尾部线型宜采用U型构成整流穴，因为U型可改善沿纵剖线自下而上的水流方向，使水流匀称并降低螺旋桨盘面上部的伴流峰值，从而降低螺旋桨产生的脉动压力，以减少振动。

四、机型的选择及减震

柴油机也是引起船舶振动的一个重要振源，因为柴油机运转时作用在船体上的周期性干扰力主要有两种：一是运动部件的惯性力产生的不平衡力和不平衡力矩;二是汽缸内气体爆炸压力产生的对气缸侧壁的侧向压力和倾复力矩;若主、辅机选择不当，会使以上两种周期性干扰力增大，使船体产生强劲振动，有时主机的干扰力还可能与螺旋桨力叠加，使振动加剧，所以在设计阶段应引起重视。

在船舶设计阶段，应选用较小不平衡惯性力与力矩较小的柴油机作为船舶的主、辅机，可在机座下装设橡皮减振垫、金属弹簧减振垫等作为隔振措施，对于四冲程柴油机应选用大于四缸的，对于二冲程柴油机应选用大于六缸的，总之，应尽量选用缸数比较多的柴油机，其次是主机的安装位置，恰当地选择主机的位置，可以减小主机引起的船体振动。

五、船体结构设计及减震

引起船体振动的另一重要的因素是船体结构的影响结构设计的好坏对船体振动的大小有很大关系，如船体结构布置、构件取材不合理、刚度不足、结构不连续，这些都会使船底板格固有频率太小，引起船体振动，在结构设计时，除了保证纵向构件的连续性外，还应尽量使甲板、舷侧及船底板架有机地连接起来，要避免大面积的板架及跨度的梁。船的主机座应尽可能延伸到机舱前、后壁，机舱内应避免悬臂梁结构。还应特别注意避免或缓和应力集中。

六、螺旋桨的选择及减振

对一艘船的螺旋桨选择直接影响到船体振动，因为螺旋桨诱导的表面力和空泡是导致剧烈尾振的原因，而這两者又与螺旋奖的设计，如浆叶的倾斜度、盘面比、螺距、厚度分布和叶片数等有关，在设计时应尽量合理选择螺旋桨，如采用叶数多和盘面比较大的螺旋桨，可使空泡减少和螺旋桨诱导的表面力降低，使振动减弱;更要保证螺旋桨的建造质量，如螺距误差和平衡试验等要符合规范要求。另外螺旋桨与船体线型是否匹配与船体、舵托、舵之间的间隙是否足够，均与船体振动密切相关，如果它们之间的间隙太小，将会使螺旋桨诱导的脉动压力剧增，使尾振加剧，在设计时，应合理布置螺旋桨，改善尾部线型使螺旋桨来流和去流顺畅，螺旋桨上方船体内敷设水泥，合理选择螺旋桨，螺旋桨上方船底板开设避振穴等，均可降低船体振动。

无数实践证明，只要在船舶设计阶段对船舶振动问题予以充分注意，应用现有的计算方法进行预算，在选择船型、主机、设计螺旋桨、结构尺寸时进行全面综合平衡，在确保船舶其他性能的同时，船舶的振动问题是可以预防和解决的。