2025, Vol. 41
气垫船因结构特殊，不但可以在海水表面航行，也可以在非海洋区域航行，具有非常重要的军事意义和战略价值，发展前景广阔［1–3］。各国对气垫船重视程度的不断加强，推动了气垫船研究进入新的发展阶段［4–6］。气垫船由于船体结构较小、航速快、主机功率大、结构单薄、传动机械多，其振动问题特别突出，并成为故障的主要来源［7］。
某厂一条双轴系气垫船的轴系设备由主机、减速器1、垫升风机、减速器2和螺旋桨组成。轴系布置图如图1所示。在坞修后该船减速器在个别转速下振动幅值较大，远超允许值，且在最高转速下，主机振动幅值也偏大，严重影响设备的安全运行。
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图 1 轴系布置图 Fig.1 Schematic diagram of shaft arrangement |
为解决该船的振动问题，在减速器旁舱段增加加强筋，但收效甚微，减速器振动幅值大的问题未得到明显改善。
本文对该船的振动情况进行全面测试，分析故障原因后发现不同转速下出现的振动具有不同的特点，并在此基础上制定处理方案，从而有效降低全船设备在各工况下的振动。
1 试验研究 1.1 双机起动振动情况为分析该船振动异常原因，在振动测试期间，同时起动该船两台主机，测试并分析了双机起动过程中各稳定转速下全船的动力设备振动情况。
表1为双机起动时左、右舷动力设备振动幅值。由表中可见，减速器振动幅值较其他设备的偏大：当螺旋桨转速为815 r/min时，左、右减速器2均有一个非常明显的振动波峰，幅值为分别为40.5 、52.0 mm/s；当螺旋桨转速为925 r/min时，左、右减速器1均出现振动波峰，且幅值超出允许值较多，右减速器1振动幅值为29.0 mm/s，左减速器1振动幅值高达125.0 mm/s。
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表 1 双机起动时各工况下振动幅值 Table 1 Vibration amplitude under various working conditions during dual engine startup |
图2为螺旋桨转速为815 r/min时左减速器2振动频谱图。图3为螺旋桨转速925 r/min时左减速器1振动频谱图。
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图 2 螺旋桨转速为815 r/min时左减速器2振动频谱图 Fig.2 Vibration spectrum of left reducer 2 at the propeller speed of 815 r/min |
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图 3 螺旋桨转速为925 r/min时左减速器1振动频谱图 Fig.3 Vibration spectrum of left reducer 1 at the propeller speed of 925 r/min |
由图2和图3可以看出，减速器振动频谱图中主要振动分量为螺旋桨转频，单峰峰值分别达到50 mm/s和120 mm/s以上，远超设备的振动幅值允许值。根据减速器振动频率分量可以判断减速器1振动的主要激励源是螺旋桨振动，但风机频谱图上并没有出现该频率，可知减速器振动不是由通过轴系传递过来的螺旋桨振动导致，而是由通过船体传递过来的螺旋桨振动导致。由于两舷螺旋桨转速基本一致，为了判断左、右舷螺旋桨振动问题的原因，分别单独起动两舷主机，并记录各稳定工况下转速及振动情况。
1.2 两机单独起动振动情况为分析以减速器1为主的各动力设备振动激励源，在做好船体安全防护措施后，分别单独起动左、右两舷主机，监测并分析全船各主要动力设备的振动情况。表2和表3分别为左、右舷单机起动时设备振动幅值。
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表 2 左舷单机起动时各工况下设备振动幅值 Table 2 Vibration amplitude under various working conditions during the startup of left engine |
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表 3 右舷单机起动时各工况下设备振动幅值 Table 3 Vibration amplitude under various working conditions during the startup of right engine |
对比三种起动方式（双机起动，左、右舷单机起动）下各设备振动幅值可见，在左舷单机起动时各设备振动幅值远小于其他两种起动方式下的值，右舷单机起动时各设备振动幅值较大，与双机起动时的振动幅值相差不大；分析左、右减速器1频谱图发现，主要频率分量为螺旋桨转频。由于右螺旋桨与左减速器1不在同一轴系上，可以判断减速器1振动是由通过船体传递过来的螺旋桨振动导致；右舷单机起动时，螺旋桨振动幅值比左舷单机起动时的大，并随转速上升振动幅值增大。
经了解，在坞修期间，曾对该船桨叶的漆面进行了修补，油漆修补总用量超过2 kg。综合上述分析，减速器振动主要有以下两个原因：
(1）减速器1在螺旋桨转速为925 r/min时出现振动峰值，减速器2在螺旋桨转速为815 r/min 时出现振动峰值，且主要振动分量为螺旋桨转频，而螺旋桨振动幅值是随着转速升高逐渐增大。其原因是减速器和安装底架的固有频率接近螺旋桨转频，导致产生共振。
（2）坞修期间桨叶补漆导致右舷螺旋桨的不平衡量增大。坞修后减速器振动幅值较大的原因是右舷螺旋桨振动幅值增大。螺旋桨的主要振动分量为转频，且随着转速升高，振动幅值增大，属于强迫振动。因此推测桨叶振动幅值大的主要原因是桨毂和桨叶整体动平衡较差。
为降低减速器振动，主要方法有两种：一是合理改变船体结构，通过调整船体刚度和阻尼，改变固有频率，使其尽量远离设备的主要激励力频率，避免产生共振，从而保证设备的安全运行［8］；二是降低激励力，将螺旋桨返回生产厂家进行加工或在现场通过动平衡降低激励源螺旋桨振动。然而在已造好的船上通过改变船体局部结构使其固有频率避开工作转频的代价太高，可行性较差，故方法一不作考虑。因螺旋桨上没有设计平衡块安装位置，为降低螺旋桨振动，可将振动幅值大的右舷螺旋桨换成已做好静平衡的新桨叶。
3 试验验证在更换右舷桨叶后进行试验验证。试验过程中测试双机起动时各工况下设备振动幅值。根据表1和表4，对比更换桨叶前、后的振动数据，可以看出：①减速器振动峰值大幅减小，左减速器1振动幅值最大值从125.0 mm/s降至25.3 mm/s，幅值减小约99.7 mm/s。图4为更换桨叶后螺旋桨转速为925 r/min时左减速器1振动频谱图。对比图3和图4可看出，左减速器1振动幅值大幅下降主要是由螺旋桨转频分量降低所致。②螺旋桨振动幅值变化趋势不变，仍随着转速升高而增大，但幅值减小约75%。
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表 4 更换桨叶后双机起动时各工况下振动幅值 Table 4 Vibration amplitude under various working conditions during dual machine startup after replacing the blade |
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图 4 更换桨叶后螺旋桨转速为925 r/min时左减速器1振动频谱图 Fig.4 Vibration spectrum of left reducer 1 at the propeller speed of 925 r/min after replacing the blade |
本文为气垫船振动问题的解决提供了一种新的思路。通过此次振动异常原因分析和处理，得到以下三点体会：
（1）应将结构设计作为船体设计中重要的环节，并需要进行结构力学计算以及试验验证，尽量避免动力设备及其他系统的低阶固有频率与船上激励源工作频率接近。
（2）坞修期间，例如桨叶补漆等会影响螺旋桨或者其他转子动平衡的工作，因此应该由相关专业人员提前做出评估，防止出现类似问题。
（3）该船螺旋桨振动幅值虽然没有超过报警值，但螺旋桨作为主要动力设备的振动激励源，是此次振动异常的主要原因之一。为了设备的安全运行，后续需重点关注螺旋桨振动幅值。
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