船舶机械振动及控制

船舶机械振动及控制对船舶的机械有害振动的控制措施主要有防振和减振两个方面，防振是指在船舶设计阶段就考虑到振动的容许标准而采取降低振动的措施，减振则是指使营运船舶的振动下降到容许的标准。防振措施和减振措施仅仅是对象的差异及处理的角度有些不同，其基本原理是一样的，即：（1）避免共振。改变结构的固有频率或激励频率防止共振的产生。（2）减小激励力。进行动平衡或结构改型减小激励幅值。（3）减小振动或激励力的传递。增加阻尼以防止吸收振动能量，装设减振装置以达到减小幅值的目的。一柴油机振动控制柴油机时引起船体振动的主要激励源之一，因此在船舶设计初期，选择什么样的机型是至关重要的。在满足功率等指标的情况下，应注意选择具有较小不平衡力和不平衡力矩的柴油机做主机。柴油机的缸数越多，其一般平衡性就越好。（一）防止共振选择主机时应配合螺旋桨考虑是否与船体发生低阶共振的可能性，尤其应避免在主机常用转速下的低阶共振问题。在设计阶段，先计算船体总振动的几个主要谐次的固有频率，以避免与柴油机和螺旋桨的各阶激励力共振。主机的选型应与减速齿轮箱、螺旋桨在一起考虑，在改变主机营运转速较困难时，也可改变变齿轮箱减速比或改变螺旋桨页数以达到改变激励频率的目的。（二）减小激励力对于存在外部不平衡力或者不平衡力矩柴油机，可以通过安装平衡补偿装置来减小振动激励力。这是一种普遍应用的防止有害振动的措施。平衡补偿装置是使偏心质量以与主机激励频率相同的转速旋转，产生补偿力或者力矩以抵消柴油机的不平衡力，减少他们对振动的影响。按运转驱动方式可将平衡器分为两大类：一是由电动机驱动，或称电动平衡器；二是由曲轴驱动直接附装在主机上。按被平衡激励的形式又可以分为一次力矩平衡器、二次力矩平衡器和组合平衡器。电动平衡器一般安装在船体垂向振动振幅相当大的舵机底甲板上。(三)减小振动传递1，隔振器对于不平衡的主机或辅机可以在机座下装设隔振器，以减小主机激励力对船体的传递。所要求的减震器应该柔软些，这通常只有对高速柴油机才能实现。目前国内常用的减震器主要有橡胶减震器和金属弹簧减震器。另外，钢丝网隔减震器在工程上的应用也得以发展。2防振支撑近代船用大型柴油机因采用长冲程和超长冲程，其机架横向振动是一个突出问题，成为船体激励源振动之一。当横向振动比较大时，可在主机上部与船舷左右侧间设横向防振支撑于船体连接。它通常能使机架横向振动减小50%以上，固有频率提高5%~50%。目前常用的防振支撑主要有机械式、摩擦式、液压式三种。（1）机械式支撑机械式支撑使主机的刚性得到明显的增加，机架的固有频率上升，下降。但另一方面，机架的部分振动能量讲通过支撑传递至全体，有可能加剧船体的振动。（2）摩擦式支撑摩擦式支撑的断面形状为U型。（3）液压式支撑它由一个充满氮气的蓄能器，一个装压力表的节流阀，哥哥固定在船体上装有差动活塞的减压缸及一根压杆组成。另外，选择恰当的主机位置也能减小船体的振动。因为主机安装位置不同，不平衡力和不平衡力矩做功也不同。二螺旋桨振动控制螺旋桨是激起船体振动的一个主要激励源，在设计尾型与螺旋桨时，除了考虑快速之外，还必须考虑振动这一因素。减小螺旋桨的节流一般原理大致可分为三个方面：首先是改善伴流分布，使之尽可能均匀。在伴流分布以不可能进一步改善时，则可改进螺旋桨设计，减小激励幅频。当上诉两者均达不到理想时，则可在结构上采取措施，减小激励的传递和减小结构响应。（一），改善伴流1尾型设计理论研究、模型试验和实船测试表明，螺旋桨盘面内伴流分布，对螺旋桨激励起着重要作用，而船舶尾部线性对伴流场的形成由起着很大影响。设计尾部线性时，应考虑使螺旋桨来流去去流顺畅，尽可能避免漩涡的形成，使伴流尽可能均与。V型呈“反曲”形并构成所谓整流穴，它改善了沿纵刨面线自上而下的水流方向，使水流均称并降低桨盘面上部的伴流峰值。近年来对大量伴流均匀化研究也表明，单桨船采用球形尾既能降低螺旋桨盘面内的最大伴流峰值，又能提高盘面内的平均伴流值，因而它既能减小螺旋桨的激励又能提高船舶本身的效率。2加装尾鳍安装导流管不仅可以提高螺旋桨（高载荷）的效率，而且由于导流管的存在减小了斜流的影响，同时又能使导流管上下来流趋于均匀，因此将导致螺旋桨的表面支撑力大大减小。采用导流鳍能起到整流作用，使螺旋桨盘面内的伴流趋于均匀。3控制去流角去流角是船体纵剖面与后体水线的夹角，增加去流角会导致平均伴流的船舶阻力增高，从而使螺旋桨的载荷加大。但是，只要去流角保持在30°之内，对伴流分布的影响不大，可以得到较理想的伴流分布。为保证光顺的水线，满载水线的去流角对单桨船一般不宜超过20°，否则伴流便脱离船体表面在水流和船体间的空隙内停满了“死水”，对螺旋桨工作不利。（二）改进螺旋桨设计1叶数螺旋桨的设计应该注意避免引起空泡。一般来说，随着螺旋桨叶数的增加，螺旋桨诱导的脉动压力有下降的趋势。2侧斜大侧斜螺旋桨可以减小螺旋桨轴承力和表面力。3梢部卸载螺旋桨就常规设计中，径向载荷分布，即径向环量分布都选择最佳环量分布形式，以求最高的效率。串列螺旋桨可解决激励，从而减小船体的振动，实船测试也证明其减振效果良好。（三）减小激励传递1，调整间隙螺旋桨与船体的间隙直接影响螺旋桨激励力的传递。保证间隙特别是适当增大梢隙，将使螺旋桨的激励得到改善。2，设置避振穴对于浅水船因吃水小，梢隙难以满足要求时，可设置避振穴，主要作用是利用橡皮膜及空气室吸收螺旋桨传来的脉动压力，以减小对船体的激励。三设备的隔振船舶机械如动力机械、发电机、空压机等，虽然功率范围、工作效率较差甚大，但其本身均含有运动部件，他们在工作时产生激励。隔振就是在振源与结构之间装设减振隔振，以减少振动的传递。(一)隔振器的类型1橡胶隔振器橡胶隔振器可用天然橡胶合成橡胶，其特点是结构简单、三向刚度可通过结构予以调整，但对环境要求高、寿命有限。2橡胶隔振器橡胶振垫是一种表面有不同凸起的橡胶板，具有弹性，故有隔振功能。其刚度由形状决定，如需减少刚度以降低系统的固有频率，可将两层或数层串联使用。3金属弹簧隔振器金属弹簧隔振器的特点，只要是较低的隔振系统固有频率。此外，其特点不受温度影响，适用温度范围宽，对环境影响不敏感，寿命长。（弹簧减震器）4钢丝网隔振器钢丝网隔振器是一组特殊压制的钢丝网。由于钢丝网是不可压缩的，故这种隔振器属硬性弹簧。其阻尼是由于隔振器的变形时在钢丝只之间产生摩擦形成的。5钢丝绳隔振器钢丝绳隔振器是一种新型的纯金属隔振器。弹簧元件作用不同不锈钢丝绳绕成，绳圈的上下两面有夹板夹住，夹板就作为隔振器上下的安装平面。6隔振吊架吊架可用金属作弹性元件，也可用橡胶或钢丝作阻尼元件。主机加装隔振器后，为了保证柴油机的输出泛滥与螺旋桨轴之间有相对的自由位移，在他们之间应安装弹性联轴器，并要求在轴向和径向有较大移位，较大柔度和较小反力。