基于船用柴油發電機組振動主動控制分析

馬金峰

摘要：由于船舶柴油機動力裝置的振動對船體機構安全有著直接的影響，還會對相關的設備與儀表等正常運行的可靠性產生影響，與此同時，還會對環境造成嚴重的污染和危害。因此，對振動進行相應的控制是十分關鍵的環節。由于過去的被動隔振不能對低頻振動進行隔離，而且隔振裝置一旦確定后，它的特性參數也會隨之確定，例如剛度、阻尼等，導致不能對設備環境狀態的變化進行調整。

關鍵詞：柴油發電機組;振動主動控制;概況及現狀;原因及危害

0 ?引言

柴油發電機組作為船舶的主要振動噪聲源之一，為有效對柴油發電機組振動進行控制，同時降低其相應的輻射噪聲，通常采用浮筏隔振技術措施。由于目前柴油機發電機組在船舶上逐漸被廣泛應用，柴油發電機組不光是為船舶提供船電的機組外，還被越來越多的應用于電力推進。由于柴油發電機組具有其獨特的優點，可以利用全或者半電力推進數千噸以上的船舶，尤其是均用艦船推進系統的不斷發展[1]。

1 ?發電機組的主動控制的概述及優缺點

主動控制是指結構主動控制要根據實時測量結構反應或者環境干擾，利用現代控制理論的主動控制算法在精確的結構模型基礎上進行相應的運算和決策最優控制力，最終促使作動器在較大的外部能量輸入下達到最優的控制力。主動控制的主要特點是一種需要額外能量的新型控制技術，主動控制和被動控制的主要區別在于是否有額外的能量消耗[2]。而主動控制對提高建筑物具有抵抗不確定性地面運動，能夠減少相應輸入的干擾力，或是在地震發生時可以通過自身對結構動力進行自行調整的特征等相應能力，尤其是在結構風振反應的處理時，其具有的良好控制效果，與被動控制相比，主動控制的控制效果更為顯著。但是，由于主動控制在實際應用的價格較為昂貴，也會存在與其他控制理論相似的問題，導致控制技術的復雜、造價高、維護要求較高。

2 ?主動振動控制中控制器的相關研究

控制器作為主動控制當中的一個主要研究內容。通過利用不同的控制技術和控制算法對控制器進行相應的設計。在某種程度上，根據不同的環境因素或是精度要求下決定控制對象的控制效果。從當前主動控制的應用中可以看出，控制器的設計方法主要有：獨立模態空間控制、直接輸出反饋、自適應控制、神經網絡控制、魯棒控制以及模糊控制等。例如獨立模態空間控制是指把系統運動的方程從物理坐標系線性逐漸轉換為模態坐標系，通過各模態耦合的物理坐標在模態坐標系中表示的模態坐標的轉換過程，促使其能夠達到解耦的目的。在控制方程過程中，將解一個復雜的高階微分方程問題逐漸轉換成解多個低階微分方程的問題。而復雜結構就要對模態進行截斷，導致剩余模態的溢出。

3 ?主動振動控制技術的研究概況及現狀

振動主動控制作為主動控制技術在振動領域當中的一項十分重要的應用，主要包括開環和閉環兩類控制。開環控制又被稱為程序控制，主要是針對其中的控制率，而控制率是提前按照規定預先設計好的，但是和受控對象的振動狀態沒有任何關系。閉環控制中的控制器是按受控對象的振動狀態主要針對反饋信息而進行相應工作。當前閉環控制屬于應用最多且最為廣泛的控制方式。振動閉環控制是受控對象隨著振動狀態進行及時的外加控制，不斷滿足預定的振動要求。總體來說，就是在受控對象上安裝相應的傳感器，通過傳感器對振動進行感受，利用傳感器的信號在傳播過程中進行適當的放大后傳送至控制器，控制器按照所需發出相應的控制律，其輸出是作動器的主要動作指令，作動器還有附加子系統或者直接對受控對象進行施加，這樣就構成了一個完整的閉環振動控制體系。由于振動領域當中還存在兩大類的問題，分別是動力響應的主動控制和動穩定性的主動控制。像動力響應的主動控制是控制在特定外界干擾作用下受控對象的相應，促使其可以達到預期的效果要求。使用方法通常為直接法或間接法，直接法是將受控對象的響應力作為設計控制律的主要目標，而間接法是利用控制模態參數（模態阻尼、振型、模態頻率等）實現控制的主要目的。間接法是控制受控對象所有階段模態的穩定程度，例如可以使原來并不穩定的模態逐漸轉變成穩定的模態，或者是使原來較為穩定的模態根據要求的穩定裕度。

由于近年來振動主動控制的研究讓越來越多從事力學、計算機、控制以及材料等相關的科學研究人員對此進行展開有關研究工作，研究的核心問題是加強提高結構的模態阻尼與相對減小對于外界的干擾響應。通過利用材料的壓電、形狀機翼等獨有特性的靈巧靈巧原件的應用和出現，也為新型的作動器創新了新的途徑。此外主動結構出現了，主動結構主要是把結構當中受力元件和作動器的元件進行融合，將兩者合二為一，不僅能夠促使結構更加的緊湊，還會使其重量有所減輕。近年來，不但智能結構逐漸被廣泛應用，就連神經網絡都在震動主動控制當中被大量采用。由于利用大量的簡單非線性單元寬泛鏈接成為較為復雜的非線性網絡，這是人們為了對人腦進行功能模擬所提出來的。然而利用圣經網絡設計的控制系統具有很強的適應性、智能性以及魯棒性等都有良好的成效。對于當前來說，研究最多的是具有反向傳播模型或是Hopfield模型的多層網絡都是屬于神經網絡。

振動主動控制的核心問題主要是研究控制器設計。 經常用到的控制器設計方法包括有基于現代控制理論的極點配置法，直接輸出反饋、自適應控制、魯棒控制、自學習控制等。由于振動問題的不同特點，相關力學研究者提出了區別于傳統控制理論的模態空間控制理論，其中在目前振動控制領域里被廣泛應用的一個主流方法是獨立模態控制法。在控制器設計相關的過程中，有關結構振動控制問題又受到研究者的重視。例如，模型降階的問題。首先模型降階的主要目的是將高階模型轉變為低階模型，對設計的計算量相應減少一些，使控制器的結構也簡單化，并且有利于實現控制算法。然而最為簡單的降階方法就是模態截斷，其主要特點是只保留控制頻段以內的低階模態，直接忽視對于高階模態所造成的影響。

4 ?柴油發電機組振動問題的產生原因及危害

由于機械在振動過程中通常會造成軸承的嚴重磨損、機件裂紋現象的形成、緊固件松弛、結構和機械的不同程度破壞、機械設備進行頻繁的維修等情況，從而還會產生高額的費用、絕緣材料磨損導致的短路現象以及焊點破裂發生的電路故障等。工作人員在振動環境中長時間的進行相應工作，往往會出現身體不適或者感到疼痛，導致工作效率逐漸下降[3]。然而，造成振動問題的主要產生原因是：

一是由于修理、安裝時存在精度差，導致修理過程中在更換運動件時忽視了質量及間隙的因素，促使電機與柴油機中線進行調整時不符合有關規范或是在調整中線過程時墊片的不合理使用;

二是對于連接剛度不足的機組基座過于單薄，造成支撐強度不夠，導致基座和機座間的墊片連接不牢固，螺絲容易松動，機座結構缺少相應的剛度;

三是由于聯軸節存在缺陷齒輪式聯軸器不停的進行運行，造成齒輪的齒厚和齒隙因磨損不均，使齒面出現接觸不良現象，或者彈性柱銷聯軸器長期進行運行，彈性膠失去自身彈性逐漸老化、變形以及磨損脫落，連接膠座孔也出現不同程度的磨損變形，連接螺絲發生折斷。而剛性聯軸器平面跳動過大，使端面和軸中心沒能達成垂直;

四是由于機械自身具有缺陷存在，在長時間的運行使用過程，對相應機械缺乏定期保養，運動副的間隙較大，造成運動件的過度損壞，形成不平衡的質量，在運行運動過程中產生不平衡力。

5 ?發電機組隔振原理及方法

隔振原理是把相應的機械或者儀器安裝在彈性裝置的適當位置上來實現隔離振動的主要措施。柴油機主要用于船上的發電機組的原動機，柴油機的隔振方法主要有積極隔振方法和消極隔振方法。積極隔振是為了減少周圍儀器、機器等設備基礎的振動，往往是在設備和基礎間通過加墊彈簧、軟木、橡膠或者減振元件等方式，避免振動造成配件間的過大摩擦。使它與支承隔離開，有利于減小對支承上的不平衡力，而這種隔離機械時產生的干擾動力逐漸減少對于基礎的影響隔振方式被稱之為積極隔振或者主動隔振。例如發動機、水泵、鍛錘機械等的隔振。而消極隔振是對于振源來自支承振動的情況，將需要進行隔振的物體與振源保持相對較遠的距離，進行隔離分開，為使降低外界振動傳到系統當中，將系統安裝在一個隔振臺座上，促使其和地基之間隔開一定的距離，有效防止或者減少周圍振動對于機械的影響，而且必須將支承和機械隔離，這種振動方式被稱為動隔振或者消極隔振[4]。例如精密儀器的安裝、車輛的乘坐、環境運輸的包裝等振動，由于消極隔振等于隔振后機器設備的振幅除以支承運動的振幅，因此，隔振系數越小代表隔振效果越好。

而隔振方法在選擇和設計的過程中，首先要確定好系統固有的頻率之后，再根據隔振系統的相應重量和壓縮量所需的計算隔振器的數量與剛度，通過這一系列的準備工作后進行選擇最為合適的隔振器裝置。總體來說，為了可以達到隔振的主要目的，隔振的材料或者隔振器還要符合相應的要求。例如，第一選取承載力較大，強度相對高，阻尼適當;第二選取彈性性能良好且剛度較低的;第三選取耐久性良好、性能比較穩定，對外界的溫度、濕度等干擾因素影響較小的，不會隨著外界因素的改變而使自身性能發生較大的改變;第四選取容易且方便的材料;第五選取抗酸、油、堿等侵蝕能力較強的;第六選取有利于更換、加工制作以及維修的。由于隔振器材和隔振器的種類較為繁多，每種類型的隔振器也都有其自身的性能特點，所以要根據不同需求進行合理的選取相應隔振器。

6 ?結束語

綜上所述，柴油發電機組作為獨立并且非連續運行發電的設備。因此，要做好日常相應的保養工作，同時也對常見的故障問題原因及相應的解決方案進行掌握，確保柴油發電機組可以在任意工況發揮顯著的作用。

參考文獻：

[1]張翠霞.柴油發電機組并聯運行典型故障及原因分析[J].中國修船，2020（1）：4-7.

[2]白敬中.柴油發電機組在小型污水泵站的應用[J].電工技術，2016（11）：29-30.

[3]邵加鼎，邸廣杰，葉洪偉，等.地鐵工程車柴油發電機組容量計算分析[J].華東科技（綜合），2019（4）：0363.

[4]黃積，余浩.核電應急柴油發電機組保護跳機原因分析[J].中國核電，2019（3）：309-313.