船舶機械振動源激勵力的間接估算工程方法探討和分析

熊本甲(舟山南洋之星船業有限公司,浙江舟山 316000)

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船舶機械振動源激勵力的間接估算工程方法探討和分析

熊本甲
(舟山南洋之星船業有限公司,浙江舟山 316000)

【摘 要】導致船體的振動主要來源于機械設備和支撐結構間的力激勵,引發船體的振動和水下的聲輻射。這對于振動源的了解和船的設計密切相關。但由于其結構的復雜性和耦合方式使得這方面的研究不能如愿。為了簡化在工程現場的激勵力的直接測量,本文主要介紹兩種間接的估算方法。實驗的結果誤差一般不超過3分貝。信噪比在力的估算中占有重要的影響,往往信噪比會成為測試時最重要的誤差影響。

【關鍵詞】振動 激勵力 間接估算

在工程中對力的估算方法需要有一定的實用性和簡便性，更應該是符合現場的實施環境并且具有一定的準確性。激勵力的確定方法一般有兩種，直接法和間接法。間接法是通過測量振動響應和結構動態地特性來計算得到激勵力。直接法是在機器和船舶之間加入力的傳感器，但是一般不能實現。直接法相對于間接法不具有實用性，而間接法更加實用簡便易操作。直接法在很大程度上誤差受安裝條件的影響比較大，這就不能說明直接法比間接法更加準確。本文主要介紹間接法。船舶機械一般有兩種安裝方式，包括有剛性安裝和彈性安裝，下面將分別對這兩中安裝的方式敘述并且進行驗證。

1 剛性安裝的激勵力估算

在多種估算方法中最小二乘法是最常用的也是最受歡迎的方法。要把握對力的準確估算不得不注意很多的細節要點。

1.1 假設估算

激勵力的估算一般需要滿足下面的假設條件：

接收系統可以作為線性系統處理。

支撐結構不影響內部的振動。

機器和支撐結構可以認為是點接觸。

此外，間接法還應當可以在現場簡單的執行測量。不需要機器的反復安裝。

在計算之前為了獲得需要的數據就要進行一下的測量以獲得數據。在機器設備沒有安裝之前對與基座進行導納的測量。響應測量的位置可以任意選取，但是沖擊錘的位置應當和安裝點重合。在測試的時候還需要注意，相應位置的數目應該大于激勵位置的數目。

加速度相應的幅值和相對相位的測量，這些測量的測量位置必須和之前的導納測試位置一致，測得相應的矢量。

將振動響應的幾個主要固有模態振興寫成線性組合。這樣激勵力引起的響應有可能會是相似的。矩陣的列項也是線性相關的，這樣就會導致病態問題的出現。這個病態指的是在加速度的導納測試的時候產生的小誤差會導致激勵力的估算出現大的誤差。奇異值的分解技術可以用來解決病態問題。在矩陣之中測量時不可避免會產生誤差，在矩陣中小的奇異值將會在廣義的逆中變成很大的數值。通常選擇將這些與零沒有區別的值消除，用零來代替。估算激勵力的誤差的幾個參量表示：條件數，矩陣中的條件數k認定為質量的結果指標。

s1、sm分別是矩陣的最大和最小的奇異值。奇異值如果被置零，表明結果誤差的高度敏感。

殘差法：

殘差同樣可以作為質量的指標，最小二乘法也能最小化殘差。驗證相應擬合值是否近似于真實的響應值，要使二者接近就增大了置信度。分貝表示的相應殘差公示如下：

圖1

歸一化殘差計算公式：

1.2 實驗

(1)儀器的選擇：3560D型多通道分析系統，9個352C33型振動加速計，4個204C力傳感器，086C05型ICP沖擊錘。(2)實驗方案：一臺剛性安裝的電動機安裝在支撐結構上，支撐結構又剛性安裝在很大的面上。支撐結構的剛性一般會較小一點，為的是可以獲得一個較強的振動響應。力求減小誤差。下面采用兩種不同的方法來估算力。一種是前文中提到的最小二乘法，還有一種是無耦合估算法。即使，忽略各個激勵力間的耦合效應。這種方法直接從接觸部位出的加速度導納的比值估算得到激勵力。在加速導納的測試時不用再去測量他們之間的傳遞導納，只要測量有驅動點的加速度導納就可以。

1.3 結果分析

在試驗中估算的力的結果和實測的力對比之后，他們在幅值和頻率方面很接近。這就可以說明間接法在實際的工程應用中完全可以達到準確度的要求。在實際的工作中也完全可以被采納和應用。

2 彈性安裝的估算

2.1 表達公式

彈性安裝指的是在機器和支撐結構之間多安裝了一個隔振器。隔振器的目的是為了在兩端估算作用力。所以在估算之前應當對于隔振器的特性有了解。

2.2 實驗

(1)設備的選擇和實驗的方案，儀器是3560D分析系統，352C33加速計和204C力傳感器。

上圖1為實驗的略圖。傳感器安裝在接觸點位置，加速度計布置在隔振器的上下兩端之間。

(2)分析。實驗中的估算值和直接的測量值得到的結果吻合。直接測量得到的力的值被電噪聲掩蓋。假設沒有噪聲的干擾，直接和間接法的結果差異將會更小。從研究我們可以認為，基于隔振器阻抗特性的間接的估算方法在工程的準確度的要求上同樣可以滿足。漸漸地估算方式在實際的應用中可以完全取代工程中的直接法。

3 結語

間接地估算方法不論是在支撐結構的特性還是隔振器特性，在應用于工程方面都可以很好地完成準確性的要求。當振動源的強度確定以后，就可以直接使用間接方法代替力傳感器測量方法。機器的剛性安裝采用的是最小二乘法的方法。然而，彈性安裝的機器使用隔振器的間接估算方法更合適。信噪比在實際過程中會是實際工作的誤差重要的來源，而這也往往會對與力的測量過程有很大的影響。

參考文獻:

[1]原春暉,朱顯明,汪浩.設備安裝對基座導納測量的影響研究[J].中國造船,2009,(3).

[2]原春暉,邵漢林,汪浩.加載對設備基座導納測量的影響研究[J].振動與沖擊,2010,(4).

作者簡介:熊本甲(1981—),男,江西南昌人,本科,工程師,研究方向:船舶機械。