基于主動支承的推進軸系橫向振動傳遞控制方法研究

朱月月,黃志偉,謝溪凌,張志誼,2

(1.上海交通大學(xué) 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

螺旋槳脈動力引起的殼體振動是水下聲輻射主要原因之一[1-2]。螺旋槳在不均勻伴流場中運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生包含窄帶周期和寬頻隨機成份的激振力，使推進軸系產(chǎn)生縱向和橫向的振動,軸系的受迫振動將通過軸承、軸承基座傳遞到殼體,引起殼體結(jié)構(gòu)的振動,進而產(chǎn)生較強的水下輻射噪聲[3-4]。推進軸系是螺旋槳橫向激振力傳遞到艇體主要路徑[5]，在推進軸系橫向振動傳遞路徑上進行振動控制，可以有效降低由耦合系統(tǒng)橫向振動引起的輻射噪聲。

為研究振動規(guī)律，建立軸系-殼體系統(tǒng)耦合振動模型是必要的。主要的建模方法有解析法、半解析法、有限元法以及實驗法。Pan等[6]通過簡化的壓力殼模型研究了螺旋槳激勵力下殼體振動與聲輻射。Caresta等[7]提出了一種半解析模型，預(yù)測潛艇在低頻范圍內(nèi)的動力學(xué)響應(yīng)與聲輻射，其中壓力殼簡化為具有環(huán)形加強筋、艙壁和剛性端板的薄壁圓柱體。Wei等[8-11]通過頻域有限元/邊界元方法預(yù)測潛艇在螺旋槳激勵下的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)響應(yīng)。Jafari等[12]采用解析、有限元和實驗方法分析帶圓周加強筋的圓柱殼的自由振動。

為了抑制螺旋槳脈動力產(chǎn)生的輻射噪聲，許多學(xué)者研究了基于傳遞路徑的振動控制方法與技術(shù)，例如共振轉(zhuǎn)換器、輔助磁推力軸承等。Goodwin[13]在推進軸系縱向振動傳遞路徑中應(yīng)用共振轉(zhuǎn)換器，研究了共振轉(zhuǎn)換器對軸系振動的抑制效果。Dylejko等[14-15]使用遺傳算法與一般非線性約束算法優(yōu)化推進軸系中共振轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。Song等[16]將周期結(jié)構(gòu)隔振方法應(yīng)用在推進軸系縱向振動的傳遞路徑中，發(fā)現(xiàn)由螺旋槳脈動力誘發(fā)的殼體振動以及噪聲輻射明顯衰減。Lewis等[17-18]在推進軸系的推力軸承基座上并聯(lián)輔助磁推力軸承并結(jié)合主動控制策略，抑制螺旋槳動態(tài)力向艇體的傳遞。還有一些學(xué)者直接對殼體上的振動進行控制，Pan等通過成對布置在殼體T型環(huán)筋下方的PZT堆疊作動器，使艇體前三階縱振模態(tài)的輻射壓力減少50%。Caresta[19]在艇首錐殼部位圓周陣列布置慣性作動器，抑制在螺旋槳諧波激勵下艇體彎曲振動的聲輻射。

國內(nèi)外對于船用推進軸系縱向振動主動控制已有大量研究，但對于橫向振動主動控制，尚鮮有公開報道。Zhang等[20]的研究表明縱向力不僅可以通過柔性支撐產(chǎn)生縱向振動，還可以產(chǎn)生橫向振動。Caresta等通過研究發(fā)現(xiàn)，橫向激勵力引起的聲輻射可能強于軸向激勵力引起的聲輻射。曹貽鵬[21]指出，艇體的聲輻射不僅取決于螺旋槳縱向脈動力，橫向脈動力的影響也不容小覷。與軸系縱向激勵力相比，橫振激振力的傳遞路徑比較復(fù)雜,軸系與艇體的連接包括多個軸承基座。這使得艇體結(jié)構(gòu)上激振力的傳遞路徑由一個變?yōu)槎鄠€。因此,軸系橫振引起的輻射噪聲控制更加困難。

研究結(jié)果表明，施加在螺旋槳上的橫向力主要通過后艉軸承傳遞到殼體。因此，本文考慮一種新的基于主動支承的控制方法，在后艉軸承處正交布置四個連接軸承與殼體的支承結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝電磁作動器，控制螺旋槳橫向振動到殼體的傳遞，進而抑制殼體表面振動和聲輻射。本文主要分為三個部分：采用有限元法邊界元法建立螺旋槳軸-主動支承-殼體的耦合動力學(xué)計算模型；給出基于原點速度反饋控制策略的控制效果；通過實驗系統(tǒng)，驗證控制前后殼體在螺旋槳激勵下的振速衰減。

1 槳軸系-主動支承-殼體耦合系統(tǒng)模型

如圖1所示，耦合的槳軸系-主動支承-殼體可以分解成三個子系統(tǒng)：槳軸系統(tǒng)、主動支承、殼體。對于槳軸系統(tǒng)，考慮螺旋槳的彈性模態(tài)對橫向振動的影響較小，將螺旋槳等效為質(zhì)點描述，軸系簡化為彈性空心梁。軸系通過主動支承、中間軸承與推力軸承與殼體連接。主動支承簡化為四根梁，分別與后艉軸承和殼體全耦合。殼體簡化為圓柱殼、圓錐殼與半球殼組合的殼體結(jié)構(gòu)，圓柱殼與圓錐殼由正交布置的環(huán)形筋與縱筋加強。軸承基座等效為彈簧與阻尼系統(tǒng)。假設(shè)槳軸、主動支承、殼體均采用均質(zhì)、各向同性材料。在整個系統(tǒng)中，脈動力與力矩主要來源于螺旋槳與電機。電機上的脈動力與力矩分別通過彈性聯(lián)軸器和彈性基座與軸和殼體隔離，因此在本文中只考慮螺旋槳橫向脈動力的作用。

1.螺旋槳;2.后艉軸承;3.主動支承;4.軸;5.殼體圖1 槳軸系-主動支承-殼體耦合系統(tǒng)Fig.1 The coupling system of propeller shafting-active support-hull

圖1所示的槳軸-主動支承-殼體耦合系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

2 主動控制策略

2.1 直接速度反饋

本文采用直接速度反饋，改變系統(tǒng)等效阻尼，抑制共振峰值，從而減小殼體表面振動。控制力作用位置如圖2所示，根據(jù)直接速度反饋策略，推導(dǎo)出主動控制力Fe1,Fe2,Fe3,Fe4作用點處的速度響應(yīng)Ve1,Ve2,Ve3,Ve4，如式(1)

圖2 控制力的作用位置Fig.2 Positions of control forces

(1)

由式(1)推導(dǎo)可得式(2)

(2)

殼體上任意一點的振速

(3)

2.2 主動控制效果分析

圖3 不同激勵點到Fe1作用點頻響幅值對比Fig.3 Comparison of the magnitudes of frequency responses of the point Fe1 under different forces

四個控制力同時作用的控制效果如圖4、圖5所示。可以看出，幅值均得到了一定程度的抑制，但在部分頻率處，抑制效果并不理想，如76 Hz。76 Hz對應(yīng)的模態(tài)振型如圖6所示，在該頻率處，螺旋槳激勵力通過后艉軸承誘發(fā)的殼體輻射聲功率比通過其它軸承誘發(fā)的殼體輻射聲功率小28 dB，如圖7所示，說明此時振動傳遞的主要通道不是后艉軸承。

圖4 Fe1作用點控制效果Fig.4 Control performance of the point Fe1

圖5 殼體輻射聲功率控制效果Fig.5 Radiated acoustic power of the hull before and after control

圖6 76 Hz模態(tài)振型Fig.6 Mode shape at 76 Hz

圖7 不同傳遞路徑輻射聲功率對比Fig.7 Comparison of the radiated acoustic power of different transmission paths

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖8所示，艉部模型垂直懸吊，4個加速度傳感器布置在與作動器連接的殼體上，對應(yīng)圖中的P1,P2,P3,P4。P1,P2平行于激振器的激振方向并關(guān)于xoz平面對稱，P3,P4垂直于激振器的激振方向并關(guān)于xoy平面對稱。加速度信號經(jīng)過調(diào)理器后，同時傳輸?shù)叫盘柗治鱿到y(tǒng)和控制器，控制器輸出控制信號給功率放大器，從而驅(qū)動作動器。編號為P5的傳感器布置在與激振器位置相對的艉部殼體的側(cè)邊線上。信號分析系統(tǒng)輸出激勵信號到功率放大器，驅(qū)動激振器振動。為模擬螺旋槳的橫向激勵力，將激振器懸吊于軸端圓盤附近，在水平方向激勵圓盤。

圖8 實驗系統(tǒng)Fig.8 Experiment system

3.2 實驗結(jié)果分析

實驗中采用隨機激勵，頻帶100～2 000 Hz。控制效果如圖9、圖10、圖11所示，峰值衰減如表2所示。從圖9、圖10可以看出，P2,P3點幅值在控制頻段內(nèi)減小，最高峰分別降低了11.4 dB，3.7 dB，可見作動器對其安裝位置的振動控制是有效的。

表2 P2,P3,P5的幅值對比Tab.2 Comparison of magnitudes of P2,P3,P5

圖9 隨機激勵下P2的幅值Fig.9 Magnitudes of P2 under random excitation

圖10 隨機激勵下P3的幅值Fig.10 Magnitudes of P3 under random excitation

圖11 隨機激勵下P5的幅值Fig.11 Magnitudes of P5 under random excitation

對于殼體上點P5，可以看出其幅值也得到了抑制，其中最高峰降低了2 dB，次高峰降低了10.3 dB。

需要說明的是，本次實驗存在系統(tǒng)性限制:一是軸系的另一支承存在短路，使得圓盤處的激勵能量一部分通過該支承傳遞至殼體，影響減振效果；二是控制頻率高，控制系統(tǒng)延遲影響較大，導(dǎo)致性能受限。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于主動支承抑制螺旋槳激勵下推進軸系橫向振動傳遞的方法。通過建立槳軸-主動支承-殼體的耦合動力學(xué)模型，分析了主動支承對殼體表面振速與聲輻射的抑制效果，并通過模型實驗證明主動支承對軸端激勵引起的殼體表面法向振速的抑制作用。

由于實驗采用縮比模型，對效果驗證產(chǎn)生一定影響，后續(xù)驗證將采用較大尺度的系統(tǒng)，減輕縮比對控制系統(tǒng)的過高要求。