低速機消振裝置設計與應用技術研究

童宗鵬，葉林昌，董佳鑫，周文建

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海201108）

隨著IMO 對于大于10 000 總噸船舶噪聲要求的提高以及對于由于主機振動引起安全性的重視，低速機作為船舶振動噪聲的主要源頭之一，由于重量和尺寸等問題，目前還沒有彈性安裝的實船案例[1]，因此，低速機減振的課題顯得尤為重要。低速柴油機不平衡力可以通過結構設計予以消除，但不平衡力矩卻無法消除，而不平衡力矩可以引起H型、X 型和V 型等多種振型的有害振動[2]。對于低速機的減振可以通過消振裝置、柴油機頂部設置液壓阻尼緩沖器、加強安裝基座的結構、阻尼處理或彈性安裝等方式，其中最有效和常用的方式是消振裝置。

目前消振裝置的研制和生產由以G&O 為代表的北歐企業所壟斷，主要包括蘭式補償器和電動消振裝置等[3]。蘭式補償器通過鏈輪與主機曲軸相連，利用兩個偏心輪的轉動來產生與主機方向相反的振動，抑制主機振動，工作運行需要消耗一定的柴油機功率，一般尺寸較大，需安裝在船體結構上，對于安裝位置提出了較高要求。消振裝置可獨立運行，不與柴油機發生直接或間接的傳動連接，還可根據船體振型和實際需要，安裝在船體尾部、上層建筑或柴油機基座等位置，安裝位置相對靈活且不會對柴油機工作運行產生有害影響[4]。國外的消振裝置基本是標準化設計，但未考慮國內船舶艙室的實際布置情況，后續的維護保養等存在不便；自帶的消振裝置考慮了低速機某階固有頻率，但在實際運行過程中存在其它階次頻率超標的問題且較難有效地控制；目前，國內還沒有實船應用的消振裝置，所以有必要開展提升消振效果、掌握消振裝置設計方法以及安裝應用等方面的研究，以能夠實現非標定制、靈活安裝、達到國外消振裝置的減振效果為目標，解決國內低速機消振裝置進口問題，為后續進一步優化設計和實船應用提供技術支撐，還可以有效降低國內主機廠配備消振裝置進口的成本。

本文主要研究低速機的消振裝置設計與應用，對于該裝置應用在船體上的局部減振不做討論。

1 消振裝置原理

柴油機的消振裝置是通過輸入一個與柴油機不平衡力矩大小相等、但作用方向相反的附加力矩來實現對不平衡力矩的抵消，從而實現消振的目的[5]。

消振裝置采用伺服電機驅動和同步皮帶傳動，帶動偏心塊持續運轉，用于輸出平衡力矩的偏心塊有兩組，采用對稱布置。運轉時，兩組偏心塊反向運轉，在偏心質量的作用下產生離心力。在水平方向上，離心力大小相等、方向相反，相互抵消；在垂直方向上離心力方向相同，相互疊加。垂直方向產生正弦力，幅值為兩組偏心塊離心力的合力值，如圖1所示。

借助同步控制系統，調節轉速使消振裝置輸出力的頻率與柴油機二次振動頻率相同，再通過加減速使得輸出力的相位與二次振動的相位保持相反實現消振功能[6]。

圖1 消振裝置輸出力原理圖

2 低速機消振裝置設計

2.1 總體設計

根據目標輸入開展信號探測分析系統、控制系統和執行器方案設計，并對各方案進行對比分析，確定優化方案，進而開展各部分的詳細設計，對樣機加工組裝，開展臺架試驗，并根據試驗結果對消振裝置各部分進行優化改進，總體設計思路如圖2所示。

圖2 柴油機消振裝置總體設計流程圖

2.2 探測系統

探測系統將采集的脈沖信號進行處理和分析，得到柴油機的轉速和轉動相位等參數，一般在主機齒盤上方分布有三個探頭，一個用來拾取柴油機轉速和相位信號，兩個用來拾取轉向信號，圖3給出了分布示意圖。

圖3 主機探測系統示意圖

圖中帶齒輪的圓盤為柴油機輸出端齒盤，通過標號3 位置可以測得柴油機轉速信號，結合時域計算可以拾取柴油機相位信號。標號1 和標號2 指的是探測系統的另外兩個探頭，可以拾取柴油機運轉時的脈沖上下沿信號。通過脈沖上下沿出現的規律，可以判定柴油機轉向。

2.3 控制系統

控制系統由同步單元、執行器單元、人機交互界面、報警和緊急停機單元等部分組成。同步單元利用合理的計算程序和邏輯控制程序對采集的輸入信號經過計算分析并輸出有效的輸出控制信號。執行器單元可以完成反饋信號輸出到同步單元并且接收由同步單元分析計算后發出的控制信號，用以控制伺服電機轉速和相位。人機交互界面提供控制參數輸入、調試和控制參數監測的界面，監測到控制參數異常將啟動報警裝置。緊急停車用于極端工況和異常工況下的快速停車。

控制系統輸出轉速控制信號控制電機轉速，同時分析柴油機和執行器相位差信號并實時調節電機。采集柴油機轉速、相位信號經過處理器后和消振裝置反饋的信號進行比較和計算分析，發出信號至消振裝置，通過調節電機轉速，使得柴油機和執行器激振力相位差保持在180°左右。

2.4 執行器

通過內部的兩組偏心塊旋轉產生反向振動，其出力大小與偏心塊偏心量成正比，與轉速成二次方關系。偏心塊、齒輪、軸承等運動件整體封裝在殼體內，驅動電機安裝在殼體上專用基座上，輔助裝置懸掛并固定于外殼上。執行器配備絕對值編碼器的伺服電機可以將轉速和相位信號反饋給控制系統；執行器上加裝一個探頭以保證轉速和相位信號的實時反饋。電機與兩組偏心塊的傳動靠同步皮帶+齒輪嚙合實現。第一組偏心塊與電機之間采用同步皮帶傳動，第二組偏心塊與第一組偏心塊之間采用齒輪嚙合傳動。兩組偏心塊間裝有軸承的中間隔板，用于支撐偏心塊結構。

軸線采用橫向布置，合理調整偏心塊初始安裝角度，可同時輸出垂向力和橫向力，兩組偏心輪傳動軸兩端均采用調心軸承，在兩組偏心輪上端有換向齒輪箱，通過換向齒輪箱內的齒輪嚙合實現兩組偏心輪的反向旋轉，圖4給出了執行器內部結構示意圖。

圖4 執行器內部結構示意圖

長期連續運行情況下，軸承、齒輪等運動件需要提供良好的潤滑和散熱條件，軸承潤滑和散熱一般在執行器上附加一套閉式潤滑系統，主要由齒輪泵、濾器、流量計、溢流閥、換向閥、管路等組成。

除了探測系統、控制系統和執行結構外，還有其他附屬結構如外殼主要有殼體、缺口蓋板和外部蓋板組成，電機的安裝支座和皮帶的選型設計等。

3 案例介紹

以6S35MEB9 低速機為消振對象，開展低階振動線譜控制，主要針對振型為H型，最大輸出力矩為241 kNm，控制頻率為柴油機的6階基頻。配機工況為轉速75 r/min，功率550 kW。輸出力的大小與轉速和偏心塊夾角有關，當偏心塊夾角一定時，轉速越高，輸出力越大，當轉速一定時，偏心塊夾角越小，輸出力越大。圖5給出了輸出力在偏心塊夾角0°情況下，隨轉速變化的曲線。從圖中看到，轉速達到720 r/min時，消振裝置輸出力達到了250 kN。

圖5 消振裝置的輸出力曲線

在額定轉速下，偏心量隨偏心塊夾角變化，從表1中可以看到偏心量在偏心塊夾角為0°情況下最大，隨著夾角增大，偏心量減小，理論上夾角達到180°時，輸出的偏心量減小至約為零，圖10給出的兩個偏心塊夾角為0°。

消振裝置的執行器主要由殼體、偏心塊、傳動裝置組成，監測系統主要由控制柜、傳感器等組成。

表1 偏心量與偏心塊夾角的關系

殼體由外殼結構（主體結構如圖6所示）、缺口撐板（承載和支撐如圖7所示）、外部益板（封裝和固定動密封裝置如圖8所示）。

圖6 外殼結構示意圖

圖7 外側支撐板示意圖

圖8 外部蓋板示意圖

采用伺服電機獨立驅動，控制器采用D410同步單元，同步齒形皮帶設計轉速3 300 r/min，兩級減速，減速比4.2（1.5×2.8），傳動系統采用一對相同的斜齒輪嚙合傳動實現兩組偏心輪同步反轉，傳動系統結構圖如圖9所示。

圖9 傳動系統結構示意圖

根據當前設計參數估算得出消振裝置在800 r/min 轉速范圍內的峰值扭矩曲線。所選電機最大穩定輸出扭矩如圖10虛線所示，電機最大輸出扭矩在全轉速范圍內均大于該機型峰值扭矩曲線。

圖10 傳動系統結構示意圖

傳動齒輪箱采用分體式構造，包括上、下箱體，內部安裝的兩根傳動軸平行布置，每根軸中間位置安裝一個傳動斜齒輪，斜齒輪徑向固定采用鍵連接，軸向固定采用階梯軸。傳動軸兩端分別安裝圓柱滾子軸承，軸承放置于換向齒輪箱的軸承座上。軸承外側采用蓋板軸向定位，采用油封完成動密封，必要時也可以在蓋板上加裝靜密封元件，圖11給出了傳動齒輪箱示意圖。

偏心輪組由兩塊尺寸相同的偏心塊和一根軸組成，其結構如圖12所示，內部共有四個偏心輪，每兩個偏心輪為一組，在每根軸上分別各有一組偏心輪，通過調整一對偏心輪的角度實現調偏心量輸出的目的。

圖11 傳動齒輪箱示意圖

圖12 主軸承及偏心輪示意圖

消振裝置機械部分共有86 件機加工零件，848件外購件（含電機、皮帶、密封件以及緊固連接件等），實物外形圖如圖13所示。

圖13 消振裝置實物圖

4 消振裝置配機試驗

測點布置：主測點布置在消振裝置安裝過渡板上，另在柴油機自由端、機體頂層支撐架中部、柴油機飛輪端各布置一個監測點，測點如下表2，布置圖見圖14。

表2 測點位置說明

圖14 消振裝置安裝位置示意圖

消振裝置安裝在柴油機三層的支撐架上，該支撐架與柴油機機體通過螺栓連接，由于安裝空間有限，消振裝置安裝在柴油機第一氣缸的旁邊。安裝過渡板通過34個M10的螺釘與柴油機支撐架連接，消振裝置通過8個M24螺釘與安裝過渡板相連。用于采集柴油機轉速和相位的傳感器安裝在柴油機的飛輪端，共有104個齒，傳感器通過安裝過渡板安裝在齒面上端，傳感器底端距齒面0.75 mm。

消振裝置電控箱放置在柴油機旁的一個平臺上，該平臺不與柴油機機體相連，并按照技術要求完成電氣接線連接。采用B&K Pulse 測試系統，測試現場圖如圖15所示。

圖15 配機試驗振動測試現場

改變消振裝置與柴油機的相位差，調節消振裝置的輸出力與柴油機不平衡力矩的相位差，每次相位差增加10°，直至累計增加36 次，如圖16所示，找到最佳相位點（255°）后消振裝置運行1 小時，監測點1處的振動效果未發生改變。

表3測試結果表明測量值與理論計算值相差較小，且略大于計算值，符合試驗預期。

表4為消振裝置開啟前后不同測點位置的振動響應加速度，同時給出了實測結果與柴油機開啟數據的比較。

表4測試結果表明該型號柴油機通過在3 層支撐平臺安裝消振裝置，其在安裝位置的水平方向振動減小5.8 dB，其他測試位置消振效果更優。

圖16 加速度、相位差變化曲線

表3 消振裝置效果理論速度值/(mm·s-1)

表4 消振裝置開啟前后測點的加速度振動響應/(mm·s-2)

5 結語

本文主要研究了低速機消振裝置的探測系統、控制系統、執行器以及潤滑等附屬系統的設計，并針對某低速機進行消振裝置的設計、加工、裝配和調試。在實驗室進行配機試驗，通過現場調試平衡塊角度、轉速探測、跟蹤及控制策略實現消振效果，測試結果表明對于安裝消振裝置位置的關心頻率減振效果可以達到5.8 dB，其他位置消振效果更優，達到預期設計要求，該裝置運行平穩，可根據機組的實際情況選擇安裝位置，安裝靈活。掌握了消振裝置的結構設計、探測系統及控制策略的可靠性、執行器的匹配性設計以及安裝位置選取等應用技術，為后續消振裝置的上船應用以及更大功率低速機消振裝置設計提供技術參考，為我國消振裝置的國產化應用提供經驗。