一、激振力分析
艇体结构产生振动的首要原因是螺旋桨和船艇主机的干扰力作用。
对于螺旋桨而言,由于螺旋桨所处流场的伴流不均匀,当桨叶处在伴流峰值位置时,叶型在较大的来流攻角下产生较大的推力和切向力,随着桨的旋转,当桨叶处在较小的伴流中时,相应产生较小的推力和切向力,结果使传递到轴承上的力产生周期性的变化。同时螺旋桨在旋转时,每片桨叶均被压力场所包围,在旋转过程中,这些回转压力场就会在船底后部桨叶上方部位产生压力冲量(称为表面力),使得尾部船板上承受的压力产生周期性变化,产生振动和噪声。特别是当螺旋桨产生较大范围的空泡时,这种压力变化会有更大的幅值。对一艘小艇来说,尤其是高速艇,螺旋桨引起的振动和噪声对整个艇都有影响,使人感到不舒服,引起结构疲劳和过早损坏。
对于船舶主机而言,活塞在燃烧混合气体的推动下,通过活塞杆、连杆、曲轴、轴承传递运动会激起机械振动,艇体结构振动同样也会由机舱辅机或其他设备如往复式压缩机、通风机引起。 在某种状态下,由波浪运动传递到艇体外板上的周期性的波浪力也会引发艇体结构产生振动。
振动和噪声是共生的。当结构产生振动以后,这种往复运动传递到周边的空气场中导致了空气噪声;当振动在结构中传播至诸如舱壁、板格处再传递到空气中就导致结构噪声的产生。如果艇体材料是钢、铝等金属,内部阻力很小,所以结构噪声传播时能量损失非常小。玻璃钢艇体材料是一种很好的隔振材料,所以玻璃钢艇体产生的振动和噪声相对小得多。
二、减振降噪措施的采用
1. 针对螺旋桨的减振措施
我们知道,作用于螺旋桨的不均匀进流是导致振动和激起螺旋桨噪声的主要原因,因此改善艇尾伴流分布,提高尾流场的均匀性,可以起到明显的减振降噪效果。具体措施有:
(1) 改良艇体尾部的线型。
采用双尾、球尾、优秀的艇模系列以及艇尾加设尾鳍等,都能很好地改善尾部伴流。如果能通过船模试验对尾部线型进行优化,将会取得更好的效果。
一种改善尾部伴流的整流尾鳍的设置
(2) 使用导管桨。
许多情况下在螺旋桨外面安装一导流管证明可明显减小振动和噪声,这是由于导流管可以使伴流分布更加均匀。
(3) 尽可能加大螺旋桨和艇体的间隙。
螺旋桨与周围艇体间的间隙应尽可能加大,这样可以大大降低由螺旋桨产生的脉动压力场传递到艇体板的表面力。特殊情况下,当无法增大桨与艇体间的间隙时,采用特殊的减振装置——减振穴,会带来很好的减振效果。其主要原理是利用密闭的空气弹簧和水质量的吸振作用。
减振穴的设置
(4) 选用大侧斜螺旋桨。
大侧斜螺旋桨是指桨的叶片呈弯刀形,且叶梢向旋转的反方向倾斜。一般的高速艇螺旋桨都带有侧斜,选用该种形式的螺旋桨首先不会影响到螺旋桨性能,但可以大幅度减小螺旋桨的激振力。
(5) 增加螺旋桨的桨叶数。
桨叶数的增加可能会导致螺旋桨的敞水效率略有下降,但就表面力而言,形成空泡时螺旋 桨产生的压力冲量总是随桨叶数的增加而减少,并且能使该压力值保持在一个较低的量级上;同样的,随着桨叶数的增加,也会降低螺旋桨作用在轴承上的负荷,如果桨叶数为偶数时,效果更佳。
(6) 选用环氧垫充料轴系安装工艺。
浇注型环氧垫充料由高强度改性环氧树脂加人各种填料、助剂合成的。它最早用于机座垫片,后来推广到尾轴管、美人架的定位,是一种用途非常广泛的粘接、定位、承压材料。中小型高速艇上由于装机功率大,主机、轴系、美人架、螺旋桨引起的剧烈振动一直是高速 艇制造者困扰的问题。
近来,一批高速艇采用环氧浇注型垫料来固定美人架使轴系振动大幅度下降,它不仅使美人架与艇体的连接强度增高,而且由于环氧垫料与钢铁的声阻抗不同而使噪声大大下降,有效地改善了高速艇乘坐的舒适性。
2. 针对机舱设备的减振措施
机舱里的主机及其他辅机、减速齿轮箱等机器设备在工作时不可避免地会产生振动和噪声,并且噪声会以空气噪声和结构噪声两种形式同时存在,特别是当机器与结构刚性安装时,影响更甚。结合振动的特点及声音传播特性可以采取的减振降噪措施有: