船舶推進(jìn)軸系扭振控制技術(shù)

船舶推進(jìn)軸系扭振控制技術(shù)雷洪濤122210009船舶推進(jìn)軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，主要包括主機(jī)曲軸知道螺旋槳直接的傳動(dòng)軸及其附件。其主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，同時(shí)又將螺旋槳的推力傳給船體，推動(dòng)船舶航行。在船舶航行過(guò)程中船舶軸系會(huì)受到多種復(fù)雜的載荷作用，使軸系產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，軸系的振動(dòng)可導(dǎo)致柴油機(jī)、傳動(dòng)裝置故障及機(jī)架振動(dòng)，已經(jīng)上層建筑的縱向振動(dòng)，同時(shí)也可以導(dǎo)致軸承和尾軸管的磨損，使船舶在航行過(guò)程中帶來(lái)了安全隱患和噪聲污染。所以對(duì)船舶推進(jìn)軸系進(jìn)行軸系扭振控制是十分必要的！軸系裝置之所以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其內(nèi)因是軸系本身不僅具有慣性，還有彈性，由此確定了其固有振動(dòng)特性。其外因則是因?yàn)樽饔迷谳S系上的周期性變化的激振力矩，該力矩是產(chǎn)生扭振的能量來(lái)源，主要激振力矩主要來(lái)自1）氣缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的激振力矩；2）往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力矩；3）螺旋槳、泵等吸收功率部件不能均勻吸收扭矩而產(chǎn)生的激振力矩。當(dāng)軸系激振的頻率與軸系固有頻率相同時(shí)，就好產(chǎn)生共振現(xiàn)象，當(dāng)扭振超過(guò)軸系所能承受的應(yīng)力時(shí)，軸系將發(fā)生斷裂。因此，進(jìn)行軸系扭振分析控制，使其在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生過(guò)大振幅及過(guò)大軸段應(yīng)力危險(xiǎn)共振。目前已有的軸系振動(dòng)計(jì)算分析主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是軸系質(zhì)量經(jīng)離散化后集總到許多集中點(diǎn)的集總參數(shù)模型，另一類(lèi)是軸系質(zhì)量沿軸線連續(xù)分布的分布參數(shù)模型，集總參數(shù)模型是將軸系離散成具有集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的圓盤(pán)、無(wú)質(zhì)量的彈性軸以及內(nèi)部阻尼和外部阻尼，故又稱周盤(pán)模型。周盤(pán)模型是軸系扭振計(jì)算分析中應(yīng)用最早的力學(xué)模型之一，使用簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但是精度不高，分布參數(shù)模型中軸系的質(zhì)量沿軸線分布，因此比集總參數(shù)模型更接近實(shí)際，此外，隨著有限元方法的應(yīng)用，框架模型和階梯軸模型更接近實(shí)際模型。對(duì)自由振動(dòng)的計(jì)算分析方法有Holzer法、傳遞矩陣發(fā)、解析法；用于強(qiáng)迫振動(dòng)的計(jì)算方法有能量發(fā)、放大系數(shù)法、傳遞矩陣法、解析法、有限元法等。通過(guò)對(duì)船舶軸系進(jìn)行扭振計(jì)算分析，得到抓喲簡(jiǎn)諧系數(shù)、氣缸的不均衡負(fù)荷，以及分支軸系系統(tǒng)尤其是雙機(jī)并車(chē)軸系、非線性問(wèn)題、縱扭耦合計(jì)算等軸系扭振計(jì)算中的問(wèn)題進(jìn)行理論分析，研究各種因素對(duì)扭振計(jì)算的影響，結(jié)合扭振計(jì)算設(shè)計(jì)出實(shí)際中處理軸系振動(dòng)發(fā)方法和考量，從而得到相對(duì)較為有效的扭振控制方法?；谝陨蠈?duì)軸系振動(dòng)的計(jì)算分析方法，我們對(duì)軸系的振動(dòng)控制技術(shù)主要包括兩方面：軸系的避振以及軸系的減振。1.避振技術(shù)如果根據(jù)扭振計(jì)算以及實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，船舶軸系確實(shí)存在著較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，就必須采取適當(dāng)?shù)拇胧员銓⑴まD(zhuǎn)振動(dòng)予以回避或者將其消減。軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)避振預(yù)防措施有很多種綜合歸納為一下兩種方法。1）頻率調(diào)整法；2）減小振能法。由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性可知，當(dāng)激勵(lì)扭振作用頻率與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的某一固有頻率相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生極其劇烈的動(dòng)態(tài)放大現(xiàn)象，即共振現(xiàn)象，因此要避免這一現(xiàn)象產(chǎn)生的可能，即避開(kāi)動(dòng)態(tài)放大最嚴(yán)重的工況，使振動(dòng)系統(tǒng)頻率避開(kāi)軸系固有頻率。采取的主要措施有：調(diào)整慣量法、調(diào)整柔度法等。通過(guò)調(diào)整，使系統(tǒng)本身的自振頻率躲過(guò)激振頻率，使振動(dòng)應(yīng)力降至瞬時(shí)許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，這樣就避免了因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大而對(duì)軸系造成損害，這種方法不僅簡(jiǎn)單可行，而且當(dāng)達(dá)到調(diào)整要求后，它的工作將是有效可靠的，但是頻率調(diào)整法有個(gè)缺點(diǎn)就是調(diào)整頻率的幅度較小，以至于在實(shí)際應(yīng)用中收到限制。減小振能法是通過(guò)減小激勵(lì)扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，激勵(lì)扭矩是導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)力源，由于激勵(lì)扭矩輸入系統(tǒng)的能量是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)得以維持的源泉，如果能夠減小輸入系統(tǒng)的振動(dòng)能量，也就能直接減小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的量級(jí)。方法之一是改變內(nèi)燃機(jī)發(fā)火順序，當(dāng)在軸系轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是副臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，有可能用此方法來(lái)小賤危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，減小危險(xiǎn)程度。方法二是改變曲柄的布置，在多缸內(nèi)燃機(jī)中故意選用非等間隔發(fā)火，適當(dāng)選擇曲柄轉(zhuǎn)交以改變曲柄布置，可以使任何主、副臨界轉(zhuǎn)速中的默寫(xiě)簡(jiǎn)諧振動(dòng)相互抵消而避開(kāi)危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。方法三就是選擇最佳的曲柄與功率輸出裝置相對(duì)的位置，使二者的干擾扭矩相互抵消，可消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。2.減振器減振技術(shù)在船舶推進(jìn)軸系裝在減振器上課以大大降低振動(dòng)幅值，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也可以在他們達(dá)到底座之前消除，現(xiàn)在主要的減振器主要有：動(dòng)力型減振器、主動(dòng)隔振減振器、阻尼型減振器、以及動(dòng)力阻尼型減振器。主動(dòng)式動(dòng)力減振器是通過(guò)改變減振器的頻率來(lái)抑制軸系的振動(dòng)，通常是以干擾力頻率為目標(biāo)主動(dòng)改變減振器參數(shù)，如動(dòng)力減振器中的彈簧剛度系數(shù)或減振器的減振塊質(zhì)量等，都使得減振器始終處于反共振狀態(tài)，從而達(dá)到減振器本身的固有頻率跟蹤激振頻率的目的。主動(dòng)隔振他擦用附加子系統(tǒng)將振源的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)隔開(kāi)，以減小結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)的振動(dòng)。由于氣缸壓力振動(dòng)是一種寬頻帶振源，故目前所研究的主動(dòng)隔振都是基于雙層隔振基礎(chǔ)之上的。阻振是利用附加子系統(tǒng)消耗振動(dòng)能量來(lái)達(dá)到減振的效果。根據(jù)振動(dòng)控制的基本理論，提高系統(tǒng)的阻尼，對(duì)降低系統(tǒng)的共振響應(yīng)及縮短自由振動(dòng)衰減的時(shí)間具有顯著的效果。但采用傳統(tǒng)的控制方法所能控制的阻尼量比較小，而采用主動(dòng)控制方法。主動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)阻尼力做的控制力的反饋系統(tǒng)，一般情況下，阻尼控制矢量是位移響應(yīng)及其導(dǎo)數(shù)函數(shù)。在主動(dòng)阻尼控制系統(tǒng)中，根據(jù)一定的控制規(guī)律，主動(dòng)調(diào)整阻尼器的參數(shù)，或者通過(guò)控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的阻尼量，吸收震動(dòng)能量便可達(dá)到抑制振動(dòng)