懸臂梁動力吸振器在艦艇變流機組上的應用研究

龐天照，何其偉，代 振

(1.海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北武漢 430033)

懸臂梁動力吸振器在艦艇變流機組上的應用研究

龐天照1，何其偉2，代 振2

(1.海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北武漢 430033)

為了降低艦艇變流機組傳遞至基礎的振動，機腳位置加裝了懸臂梁動力吸振器。分析了變流機組的振動特性，研究了懸臂梁動力吸振器的基本原理，并對其減振效果進行了仿真驗證;在此基礎上，為了確保懸臂梁動力吸振器的減振效果，提出了懸臂梁動力吸振器的調試方法以及使用、維修基本要求。

變流機組;懸臂梁動力吸振器;振動;減振效果

為了降低艦艇的水下輻射噪聲，艦艇大部分機械設備都進行了振動噪聲控制，不僅大量采用隔振器，大面積敷設聲學覆蓋層，大范圍使用撓性接管，還在部分特定設備上安裝動力吸振器［1］。變流機組是艦艇上常用的輔助裝置，其主要功能是將直流電轉換為頻率為50 Hz或400 Hz的交流電。為了降低該型設備傳遞至基座的振動，國外艦艇不僅采用了氣囊隔振裝置，并在機腳加裝了一種結構新穎的懸臂梁動力吸振器［2］。

由于懸臂梁動力吸振器應用較少，使用和修理人員基本上不清楚其原理和功能，在變流機組維護保養及修理過程中，經常出現任意拆卸、更換或調整懸臂梁動力吸振器的現象，嚴重影響了其減振效果。

針對上述問題，本文以變流機組懸臂梁動力吸振器為研究對象，分析其振動控制的基本原理以及組成參數對減振效果的影響，制定安裝與調試工藝，并對其使用和維修提出明確的要求，從而為設備的維修保障提供指導。

1 基本原理

1.1 變流機組振動特性分析

變流機組主要由直流電動機和單相交流發電機組成，機組在結構上分為外殼、電樞、軸承罩、排氣扇機構以及減振消音機構等。該機組額定功率20 kW，轉速3 000 r/min，由于功率和轉速較高，設備運行過程中不可避免的產生較大振動，同時由于電機轉子與定子之間很難保證對中，機腳振動信號中基頻 (50 Hz)成分和倍頻成分往往較為突出，具體如圖1和圖2所示。

圖1 50 Hz變流機組機腳振動圖

圖2 400 Hz變流機組機腳振動圖

為了降低變流機組傳遞至基座的振動，首先對設備進行隔振處理。眾所周知，隔振系統對中高頻振動隔離效果較好，若要實現對機組基頻及二倍頻成分的有效隔離，必須降低隔振系統的固有頻率，但這往往會導致機組振動烈度較大，影響機組運行的穩定性。動力吸振器是對隔振系統的有效補充，其安裝于機械設備上，當激勵頻率等于動力吸振器調諧頻率時，可將該頻率下設備振動能量轉移至動力吸振器本身，從而減小設備傳遞至基座的振動。由于變流機組振動成分穩定，并且幅值相對較大，因此，變流機組在采用隔振技術的基礎上，還加裝有懸臂梁動力吸振器對機組基頻或者二倍頻進行振動控制。

1.2 懸臂梁動力吸振器基本原理

變流機組懸臂梁動力吸振器主要由懸臂梁、質量元件以及緊固螺栓等組成具體結構如圖3所示，其中懸臂梁中間開有滑槽，便于調節動力吸振器質量元件的位置，從而改變動力吸振器調諧頻率。

圖3 懸臂梁動力吸振器

圖4 經典動力吸振器模型圖

圖4為經典動力吸振器的分析模型，表示在主系統 (機械設備)上加裝有動力吸振器。在簡諧激勵力的作用下，系統的振動微分方程為:

則安裝動力吸振器前后，主系統振動位移的放大系數為［3］:

式中:m和M分別表示動力吸振器質量元件和主系統的質量;k和K分別表示動力吸振器彈性元件以及主系統隔振器的剛度;c和C分別表示動力吸振器彈性元件以及主系統隔振器的阻尼;x和X分別表示動力吸振器質量元件和主系統的振動位移;F為主系統上激勵力幅值;ω為角頻率;t為時間。

可以發現，當激勵力頻率等于動力吸振器的調諧頻率時，即:

ξ?1動力吸振器能夠有效地降低主系統的振動，從而降低主系統傳遞至基礎的振動。

圖5為懸臂梁動力吸振器的簡化模型，對于懸臂梁動力吸振器而言，其本質是利用懸臂梁作為彈性元件，并取附帶集中質量的懸臂梁一階模態固有頻率作為調諧頻率，從而實現對變流機組基頻的振動控制。

圖5 懸臂梁動力吸振器簡化模型圖

則懸臂梁動力吸振器的調諧頻率為［4］:

式中:E為梁的彈性模量;I為梁的截面慣性矩;ρl為梁的線密度;l為懸臂梁的總長度;l0為質量塊質心到梁支座的長度。

通過式 (4)可以發現，當懸臂梁動力吸振器質量元件確定時，可以通過懸臂梁上滑槽移動質量元件在懸臂梁上的位置，改變動力吸振器的調諧頻率;當該調諧頻率等于變流機組基頻時，便可對機組的基頻振動起到良好的減振效果。

1.3 仿真分析

為了驗證懸臂梁動力吸振器對變流機組的減振效果，分別計算其安裝懸臂梁動力吸振器前后系統的頻率響應。假定機組質量為100 kg，隔振器剛度為4 836 MPa，系統的固有頻率為35 Hz;懸臂梁動力吸振器的質量元件共5 kg，調諧頻率為50 Hz。

圖6 懸臂梁動力吸振器減振效果圖

圖6為變流機組安裝動力吸振器前后加速度響應對比?？梢钥闯?，當未安裝動力吸振器時，變流機組隔振系統對其50 Hz處的基頻振動基本沒有隔振效果;當安裝動力吸振器后，50 Hz處的基頻振動降低了25 dB左右。因此，通過安裝懸臂梁動力吸振器，并確保其調諧頻率等于變流機組基頻時，可以有效降低機組的振動。

2 懸臂梁動力吸振器調試方法

為了保證懸臂梁動力吸振器的減振效果，必須確保動力吸振器的調諧頻率等于變流機組基頻，其調試可采用錘擊法［5］進行模態測試完成，具體流程如圖7所示。值得說明的是，該調試過程是一個往復過程，直至達到調試目標時方可結束。

圖7 懸臂梁動力吸振器調試方法流程圖

其中，當調諧頻率大于變流機組基頻時，需要增加質量元件質量或者稍向懸臂梁外部移動質量元件;當調諧頻率小于變流機組基頻時，需要減小質量元件質量或者稍向懸臂梁內部移動質量元件。

3 懸臂梁動力吸振器使用與維修基本要求

為了保證懸臂梁動力吸振器的減振效果，懸臂梁動力吸振器在使用過程中，嚴禁采取以下行為:①改變懸臂梁動力吸振器質量元件的位置;②懸臂梁及質量元件噴涂油漆;③踩踏懸臂梁及質量元件。

在維修過程中，若需要對懸臂梁動力吸振器拆解，具體要求如下:①對單個動力吸振器及安裝位置進行標記，確保后續安裝時能夠恢復原位;②記錄當前懸臂梁動力吸振器調諧頻率，并按照結構件組裝相反順序進行拆除;③懸臂梁動力吸振器回裝時，必須嚴格參照調試方法，確保調諧頻率的準確性。

4 結束語

為了實現艦艇變流機組的振動控制，在采用隔振技術的基礎上，加裝了懸臂梁動力吸振器。論文分析了變流機組的振動特性，研究了懸臂梁動力吸振器的基本原理，并對其減振效果進行了仿真驗證;為了確保懸臂梁動力吸振器的減振效果，提出了懸臂梁動力吸振器的調試方法以及使用、維修基本要求，對變流機組振動性能的保持具有實際工程價值。

［1］朱石堅，何琳.船舶機械振動控制［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［2］李曉勇，浣石，蔣國平，等.連續懸臂梁動力吸振器的模型研究 ［J］.水電能源科學，2011，29(2):129-132.

［3］張阿舟，諸德超，姚起航，等.實用振動工程—振動控制與設計［M］.北京:航空工業出版社，1997.

［4］Wang P W，Cheng C C.A design methodology for multiple tonal beam-type vibration absorber［J］.Noise＆ Vibration Worldwide，2007，11(1):11-17.

［5］師漢民.機械振動系統—分析、測試、建模、對策［M］.武漢:華中科技大學出版社，2004.

To reduce the vibration transferred from convertor on the vessel to the base，the cantilever beamtype dynamic vibration absorber was used.The vibration characteristics of the convertor was analyzed，the basic theory of the cantilever beam-type dynamic vibration absorber was studied，and the effect of the vibration reduction was verified by the simulation.Furthermore，the method of the debugging，the use and maintenances for the cantilever beam-type dynamic vibration absorber were proposed.

convertor;cantilever beam-type dynamic vibration absorber;vibration;effect of vibration reduction

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.012

寵天照 (1983-)，男，湖南韶山人，助理工程師，碩士，研究方向為機械制造與自動控制。

2015-04-15