工程船舶動力機械振動響應(yīng)特性分析

沈王俊

摘要：工程船舶動力機械在作業(yè)過程中會產(chǎn)生劇烈的振動運動，振動產(chǎn)生主要由于動力機械中核心動力設(shè)備發(fā)動機內(nèi)部轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生的誤差間隙，在傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換作用下導(dǎo)致的橫向與縱向的往復(fù)運動。為了減小振動運動給船舶動力機械造成的損傷，對動力機械的振動響應(yīng)特性進行分析計算，從而獲得最佳的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。但是，受到工程船舶屬性的特殊性影響，常規(guī)的船舶振動響應(yīng)優(yōu)化方法與工程船舶的振動特征匹配度存在差異，導(dǎo)致振動響應(yīng)優(yōu)化效果不理想。鑒于此，本文對工程船舶動力機械振動響應(yīng)特性進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：工程船;動力機械;振動;響應(yīng)特性

引言

工程船動力機械振動響應(yīng)優(yōu)化問題，提出工程船舶動力機械振動響應(yīng)特性分析方法。通過對振動響應(yīng)計算流程的描述與仿真實驗的優(yōu)化前后響應(yīng)曲線的對比證明，完成對提出研究的設(shè)計，為工程船動力機械振動響應(yīng)研究與控制，提供了新的可行性數(shù)據(jù)。

1動力機械工作狀態(tài)的發(fā)動機隔振模型構(gòu)建

首先，對工程船舶動力機械工作狀態(tài)下的發(fā)動機隔振參量進行模型計算，具體計算步驟如下：設(shè)定船舶動力機械在運行過程中的振動轉(zhuǎn)換量為固定量，則動力機械振動核心發(fā)動機的非線性隔振動力學(xué)函數(shù)為：

1.1? 動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子振動特性分析

完成模型構(gòu)建后，根據(jù)模型反映的振動參量，對動力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子振動特性展開計算。由上述模型可以看出，在動力機械核心設(shè)備發(fā)動機做振動運動時，其實質(zhì)為轉(zhuǎn)子圍繞核心點往復(fù)做橫向與縱向運動，在平面，縱向運動的作用角為時，轉(zhuǎn)子的抖動幅度最大，即振動值達(dá)到最大值

1.2? 振動波動下轉(zhuǎn)子齒輪咬合量修正

根據(jù)上述計算可知，在傳動軸承的振動作用下，動力設(shè)備的力的傳導(dǎo)介質(zhì)齒輪間存在咬合誤差。在誤差耦合作用下，動力機械的振動橫向與縱向振動位移會增大，最終導(dǎo)致動力機械振動響應(yīng)降低。

2仿真實驗分析

仿真測試場景運行主機1臺，測試運行子機2臺，VDA仿真測試工具。實驗步驟設(shè)置如下：

1）? 將VDA仿真測試工具導(dǎo)入仿真測試場景主機，運行VDA仿真測試工具。

2）? 由VDA仿真測試工具模擬生成200組船舶動力機械設(shè)備運行振動數(shù)據(jù)，按照每次測試20個樣本，將200組樣本分為10個測試周期，振動數(shù)據(jù)參量詳見表1。

3）? 將劃分好的測試樣本分別導(dǎo)入測試子機1和子機2。

4）? 將傳統(tǒng)隔振控制方法與提出的隔振控制方法分別導(dǎo)入測試子機1和子機2。

5）? 同時運行測試子機1和子機2，將測試結(jié)果反饋回仿真測試場景運行主機。

3基于剛性安裝機械的激勵力的間接估計

3.1? 前提條件的設(shè)定

在進行基于剛性安裝機器的激勵力間接估計中，必須要確保估算方法的應(yīng)用滿足以下前提條件：第一，振動源與接收結(jié)構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)可以視為線性系統(tǒng)展開后續(xù)處理;第二，支撐結(jié)構(gòu)并不會對機械內(nèi)部振動的動力特性產(chǎn)生影響;第三，在所關(guān)心的頻段內(nèi)，可以將支撐結(jié)構(gòu)與機械接觸部位認(rèn)定為點接觸。

3.2? 估算的實際過程

相關(guān)人員在展開建間接估計前，需要先完成必要數(shù)據(jù)的獲取。第一，在機械的實際安裝前，要完測量裸基座的加速度導(dǎo)納。此時，響應(yīng)測量位置可以選取任意位置，但是，相關(guān)人員要注意控制響應(yīng)位置的數(shù)量，確保其高于激勵位置的數(shù)量。在這樣的條件下，能夠獲取最小二乘解。在完成加速度導(dǎo)納全部測量后，要將數(shù)據(jù)構(gòu)成加速度導(dǎo)納矩陣（用[A]表示）。第二，在機械正常運行的條件下，要對加速度相應(yīng)的相對相位以及幅度展開測量。在這一過程中，響應(yīng)測量位置要與上述測量中的位置相同，并將測量的響應(yīng)構(gòu)成響應(yīng)矢量（用{a}表示）。

4優(yōu)化VMD技術(shù)在動力機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1? 船舶動力機械狀態(tài)的監(jiān)測方法

動力機械是船舶不可或缺的組成部分之一，這是一個技術(shù)綜合體，通過應(yīng)用該系統(tǒng)，在船舶航行時，能夠保持穩(wěn)定的運行，需要通過相應(yīng)的方法對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測。常規(guī)船舶的動力機械包括發(fā)動機和液壓系統(tǒng)，不同的動力機械監(jiān)測方法有所差別。比如，發(fā)動機常用的監(jiān)測方法有瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測技術(shù)。

4.2? 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思路

為了實現(xiàn)對船舶動力機械狀態(tài)進行有效監(jiān)測，在監(jiān)測系統(tǒng)加入VMD功能。在開發(fā)階段，可以充分集合模塊化的設(shè)計思路，設(shè)計船體結(jié)構(gòu)、機電裝置通信網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。動力機械可以有效將各個機電一體化系統(tǒng)進行結(jié)合，并將狀態(tài)監(jiān)測功能融合到功能塊中。

對于船舶動力機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言，獲取相關(guān)的信息源是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這里的信息源基本上都是船舶上動力機械的運行狀態(tài)參數(shù)。在對監(jiān)測系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計時，需要將一些內(nèi)容監(jiān)控過程模塊化。監(jiān)測方法是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，由于監(jiān)測方法比較多，所以要劃分為不同的模塊，它的結(jié)構(gòu)具有可變的特點，規(guī)模大小可根據(jù)實際應(yīng)用需要進行調(diào)整，靈活性更強。以油液粘度監(jiān)測設(shè)備為例，它本身是一個獨立的裝置，但卻可以加入到在線油液監(jiān)測模塊當(dāng)中。

4.3? VMD技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

在船舶動力機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可將VMD技術(shù)運用到系統(tǒng)分析當(dāng)中，以此來加快求解速度，提高分析效率。在VMD技術(shù)中，可以有效改善船舶動力機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，對船舶的各個工作狀態(tài)做到實時高效的分析，從而反饋到控制系統(tǒng)中，對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有一定的約束作用。但是，在船舶的動力機械工作環(huán)境中，還包含了比較多的內(nèi)容，由于本文研究的是系統(tǒng)開發(fā)，故僅從物理環(huán)境的角度進行分析，不考慮其他環(huán)境因素。物理環(huán)境包括現(xiàn)存的系統(tǒng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)有的科技水平以及自然環(huán)境等，具體分析時，可將這些約束條件轉(zhuǎn)化為變分問題，借助VMD技術(shù)進行求解，從而快速得到分析結(jié)果。而在系統(tǒng)監(jiān)測目標(biāo)的分析中，重點是目標(biāo)集的建立，這是一個逐級逐項對總目標(biāo)進行落實的過程，所以需要先對總目標(biāo)進行分解，在分解時，可以運用VMD技術(shù)，將總目標(biāo)分解為多個分目標(biāo)，并進行具體化、客觀化，在此基礎(chǔ)上對目標(biāo)的動態(tài)過程進行確定，據(jù)此對分目標(biāo)進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)并行高效監(jiān)測的目標(biāo)。因船舶動力機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)因素比較多，加之各個目標(biāo)之間存在著非常復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，所以很難使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。在構(gòu)建系統(tǒng)時，只需要運用VMD技術(shù)尋找次優(yōu)解即可，無需追求最優(yōu)解，以免造成計算量增大。

5實驗測試

將提出設(shè)計工程船動力機械振動響應(yīng)特性分析方法導(dǎo)入仿真測試工具中，進行振動響應(yīng)性能測試。對輸出的振動響應(yīng)曲線同優(yōu)化前的振動響應(yīng)曲線進行對比，根據(jù)對比結(jié)果得出實驗結(jié)論。2條振動響應(yīng)曲線所對應(yīng)的數(shù)據(jù)對比，可看到提出方法在工程船動力機械振動響應(yīng)速度較優(yōu)化前響應(yīng)速度提升明顯。由此足以證明提出設(shè)計的可行性與有效性。

結(jié)束語

為了保證船舶航行性能及整個控制系統(tǒng)的運行安全，必須對整個動力系統(tǒng)進行特別的設(shè)計，才能有效提高動力傳輸控制的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對動力機械進行監(jiān)測顯得尤為必要。現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測方法種類較多，方法不同監(jiān)測所得的結(jié)果有所區(qū)別。為提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，可將各種監(jiān)測方法融合到一起，利用模塊化的思路，開發(fā)1套功能強大的監(jiān)測系統(tǒng)，并在系統(tǒng)分析時，對VMD技術(shù)進行合理運用。

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