船舶低速航行的附加噪声成因分析及防止

风声怒号

摘要：本文结合试验实测数据对船舶低速航行时出现附加噪声的现象进行了分析，论述了轴系回旋运动加剧艉部密封结构摩擦引发附加噪声的发声机理。并据此对船舶推进系统的低噪声运行和设计提出几点建议。

关键词：噪声、摩擦、推进轴、密封装置

What Cause Ship Radiates Add-noise When it Sails in Low Velocity

and How to Control This Kind of Noise

F.S.Nuhao

P.R.China

Abstract: According to the result of ship noise measurement, we researched the source that caused ship radiating add-noise and describe the principle that the friction caused by shaft circumutation is the reason which causes this add-noise. Based on this principle we give some advice about how to design low noise ship propulsion system and how to control this kind of noise.

Key words: noise; friction; propulsion shaft; hermetic equipment

1 引言

通常船舶航行时的噪声随航速的提高而逐渐升高。但某船在低速航行时却出现反常的高噪声现象，即当推进轴以较低转速带动螺旋桨旋转时出现噪声量级较高、频带宽度较窄的噪声，且该噪声的频率与推进轴系的轴频、叶频相差很远。但随着推进轴的转速上升到较高的转速，船舶的航速提高到较高的速度以及推进轴系停止转动时这种这种噪声消失。根据对这种反常噪声的实测结果进行分析，我们得出了产生这种附加噪声的根源是轴系在低速转动时的大幅度回旋运动加剧了推进轴密封装置的部件之间的摩擦，摩擦导致了自激振动并辐射噪声的结论。

2 现象及特征

在对某船低速航行工况进行噪声测试时发现，除了在低频段存在峰值外，在高频段也存在比正常值高几十分贝的峰值。同时，在艉部舱室内可以听见明显的类似于金属件干摩擦的高频噪声。但随着推进轴转速提高该噪声消失。反过来当转速从高速降到低速时，该噪声又重现。这种反常噪声的出现对船舶的低噪声特性有很大的负面影响。

3 分析

由于产生噪声时船舶处于低速航行状态，船舶停止航行或以较高的速度航行时该附加噪声消失。因此可以推断该附加噪声只与推进轴系的运转相关。鉴于该噪声具有明显的干摩擦噪声的特点，可以推断该噪声的发声部位与可能产生干摩擦的结构有关。而在该船舶上只有推进轴密封装置的动、静部件之间处于相互预压紧状态，在推进轴转动时产生相对滑动。分析密封装置的工作原理可知，当预压压力分布不均匀，且最高压力达到破坏润滑膜的压力时，将出现零部件的干摩擦并产生附加噪声。而分析轴系转动特征可知，轴系在低转速转动时的回旋运动具有导致或加剧密封面径向两端的压力出现较大的数值差异使密封面出现局部高压区的作用。

3.1 轴系回旋运动与弯曲转角

船舶的推进轴系主要由螺旋桨和传动轴组成。传动轴的自由端与螺旋桨连接，另一端终止于推力轴承。在船体内由多个轴承支承。虽然在安装时要求传动轴是一条直线，但实际运转的轴并不是一条直线，而是有一定弯曲转角θ的曲线^[1]（如图1所示）。推进轴在以某一角速度绕自身的几何中心线自转时，弯曲的几何中心线又以某一角速度绕支承中心线旋转，这种旋转运动就是轴的回旋运动，回旋运动的角速度为回旋角速度，用 表示，而自转角速度用 表示。转角θ的大小与 和 有关。

图1

轴系回旋角速度和自转角速度有如下关系^[2]：

    （1）

式中：

：螺旋桨的质量；

：螺旋桨的极转动惯量；

：螺旋桨的径向转动惯量， ^[2]；

、 ：螺旋桨处受到单位力作用时，其几何中心 处轴产生的挠度和转角；

、 ：螺旋桨处受到单位力矩作用时，其几何中心 处轴产生的挠度和转角。

方程（1）是一个关于 的四次方程，对应 的每一个值有四个解。其中，二个为正值，二个为负值。正、负号分别反映了 和 同向或反向，同向称为正回旋，反向称为逆回旋。不同的二个正值和负值分别表示了轴系可能产生的两阶正回旋和两阶逆回旋。通常出现一阶回旋的可能性较大。

根据实际轴系的参数和转速计算，可得到一阶自转角速度 和回旋角速度 的关系如图2所示。为了便于分析比较， 转换为以Hz为单位的频率，以fn标识； 转换为以rpm为单位的转速，以n标识。将逆回旋的负号去掉与正回旋列在同一个象限内。

图2

图2中上面一条曲线表示了一阶逆回旋角速度与自转角速度的关系，下面的曲线表示了一阶正回旋角速度与自转角速度的关系。

推进轴系的回旋运动是一种自转角速度较低的陀螺运动。观察旋转的陀螺可知，当自转角速度较低时陀螺的晃动幅度较大，其自转角速度的矢量端点可在空中画出一个直径较大的圆；而自转角速度较高时晃动的幅度很小，其自转角速度的矢量端点画出的圆几乎可缩小为一个点。

轴系回旋运动与受到外力矩M作用有关，旋转轴系的挠度θ与M、 和 有如下关系^[3]：

       （2）

由于 和 之间的夹角θ很小， ， ，于是

（正回旋）     （3）

（逆回旋）     （4）

因为作用在轴系上的外力矩是不变的，所以转角只和 与 有关，而 又是 的函数。根据图2的计算结果，可计算出一阶正回旋时轴的转角θ与 （或转速n）的关系，计算结果如图3所示。

图3

由图3可知，当推进轴系出现一阶正回旋时，轴的转角θ随轴系自转速度n的增加而减小，并且当转速提高到一定的值后其变化趋于平缓。该计算结果与陀螺以不同自转角速度旋转时出现的现象一致。

3.2回旋运动与附加噪声

为了保证推进轴与船体结构之间具有较好的密封性能，在船艉安装了轴密封装置。装置主要由固定在船体上的静止部件和固定在轴上的转动部件组成（图4），其密封面的法线方向与轴的轴向平行。通过对两部件施加一定的压紧力形成密封结构保证在推进轴旋转时能阻止外界的海水进入到船舱。理想状态下，施加在两部件的压力均匀分布在密封面上，并通过在动、静部件之间形成一层液体润滑膜减小因相对运动产生的摩擦阻力。

图4

由图3可知，当轴系的转速较低时，因转角较大将导致密封装置的转动部件相对于固定在船体上的静止部件产生较大的偏转，导致密封结构的压紧力在其直径的两端出现较大的差异，致使在推进轴系旋转时产生交变的压力变化。当压力高于润滑膜破坏的极限时将出现干摩擦，产生强烈的自激振动并辐射噪声。因为该自激振动诱发的噪声的频率与密封装置部件的固有频率相关，由于这些部件的刚度较高，其固有频率通常可达到上千赫兹，因此产生的摩擦噪声为刺耳的高频尖叫声。由于密封装置的密封面的法线方向就是激振力的方向，且与推进轴的轴向一致，因此产生噪声的同时将伴随着轴向的振动。实船振动测试的结果也反映了这一振动现象，且该轴向振动的峰值频率与噪声的峰值频率基本一致。

由图3可知，转角随轴系的转速提高而下降，密封装置的压紧力的差异也随之减小，噪声也就逐渐减小或消失。这些都与实际的噪声形成和消失现象相吻合。

从以上分析可知，导致船舶在低速航行时产生附加噪声的主要原因是轴系的大幅度回旋运动。

4 结论及建议

    船舶在低速航行时出现附加噪声，其原因是由于轴系低速运转时所固有的回旋运动使轴系具有较大的弯曲转角，导致受预紧力的密封装置部件之间的摩擦加剧，产生了自激振动并辐射噪声。由于轴系的弯曲转角随轴系自转转速升高而减小，因此，在实船航行中，为了保证较低的噪声水平，轴系的最低转速应有下限限制。在设计中也应尽可能地将轴系的转速设定在较高的转速范围以内，防止轴系以过低的转速推动船舶航行时产生附加噪声。

[参考文献]

    略。