沈王俊

摘要：工程船舶動(dòng)力機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生主要由于動(dòng)力機(jī)械中核心動(dòng)力設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。為了減小振動(dòng)運(yùn)動(dòng)給船舶動(dòng)力機(jī)械造成的損傷，對(duì)動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析計(jì)算，從而獲得最佳的振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)優(yōu)化方法與工程船舶的振動(dòng)特征匹配度存在差異，導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)優(yōu)化效果不理想。鑒于此，本文對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：工程船;動(dòng)力機(jī)械;振動(dòng);響應(yīng)特性

引言

工程船動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)優(yōu)化問(wèn)題，提出工程船舶動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)特性分析方法。通過(guò)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算流程的描述與仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化前后響應(yīng)曲線的對(duì)比證明，完成對(duì)提出研究的設(shè)計(jì)，為工程船動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)研究與控制，提供了新的可行性數(shù)據(jù)。

1動(dòng)力機(jī)械工作狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)隔振模型構(gòu)建

首先，對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械工作狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)隔振參量進(jìn)行模型計(jì)算，具體計(jì)算步驟如下：設(shè)定船舶動(dòng)力機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)轉(zhuǎn)換量為固定量，則動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)核心發(fā)動(dòng)機(jī)的非線性隔振動(dòng)力學(xué)函數(shù)為：

1.1? 動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性分析

完成模型構(gòu)建后，根據(jù)模型反映的振動(dòng)參量，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性展開(kāi)計(jì)算。由上述模型可以看出，在動(dòng)力機(jī)械核心設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)做振動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其實(shí)質(zhì)為轉(zhuǎn)子圍繞核心點(diǎn)往復(fù)做橫向與縱向運(yùn)動(dòng)，在平面，縱向運(yùn)動(dòng)的作用角為時(shí)，轉(zhuǎn)子的抖動(dòng)幅度最大，即振動(dòng)值達(dá)到最大值

1.2? 振動(dòng)波動(dòng)下轉(zhuǎn)子齒輪咬合量修正

根據(jù)上述計(jì)算可知，在傳動(dòng)軸承的振動(dòng)作用下，動(dòng)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(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)橫向與縱向振動(dòng)位移會(huì)增大，最終導(dǎo)致動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)降低。

2仿真實(shí)驗(yàn)分析

仿真測(cè)試場(chǎng)景運(yùn)行主機(jī)1臺(tái)，測(cè)試運(yùn)行子機(jī)2臺(tái)，VDA仿真測(cè)試工具。實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)置如下：

1）? 將VDA仿真測(cè)試工具導(dǎo)入仿真測(cè)試場(chǎng)景主機(jī)，運(yùn)行VDA仿真測(cè)試工具。

2）? 由VDA仿真測(cè)試工具模擬生成200組船舶動(dòng)力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)，按照每次測(cè)試20個(gè)樣本，將200組樣本分為10個(gè)測(cè)試周期，振動(dòng)數(shù)據(jù)參量詳見(jiàn)表1。

3）? 將劃分好的測(cè)試樣本分別導(dǎo)入測(cè)試子機(jī)1和子機(jī)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(cè)試子機(jī)1和子機(jī)2。

5）? 同時(shí)運(yùn)行測(cè)試子機(jī)1和子機(jī)2，將測(cè)試結(jié)果反饋回仿真測(cè)試場(chǎng)景運(yùn)行主機(jī)。

3基于剛性安裝機(jī)械的激勵(lì)力的間接估計(jì)

3.1? 前提條件的設(shè)定

在進(jìn)行基于剛性安裝機(jī)器的激勵(lì)力間接估計(jì)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(dòng)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(kāi)后續(xù)處理;第二，支撐結(jié)構(gòu)并不會(huì)對(duì)機(jī)械內(nèi)部振動(dòng)的動(dòng)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(jī)械接觸部位認(rèn)定為點(diǎn)接觸。

3.2? 估算的實(shí)際過(guò)程

相關(guān)人員在展開(kāi)建間接估計(jì)前，需要先完成必要數(shù)據(jù)的獲取。第一，在機(jī)械的實(shí)際安裝前，要完測(cè)量裸基座的加速度導(dǎo)納。此時(shí)，響應(yīng)測(cè)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(lì)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(cè)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(jī)械正常運(yùn)行的條件下，要對(duì)加速度相應(yīng)的相對(duì)相位以及幅度展開(kāi)測(cè)量。在這一過(guò)程中，響應(yīng)測(cè)量位置要與上述測(cè)量中的位置相同，并將測(cè)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(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1? 船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法

動(dòng)力機(jī)械是船舶不可或缺的組成部分之一，這是一個(gè)技術(shù)綜合體，通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，在船舶航行時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行，需要通過(guò)相應(yīng)的方法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常規(guī)船舶的動(dòng)力機(jī)械包括發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)，不同的動(dòng)力機(jī)械監(jiān)測(cè)方法有所差別。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)常用的監(jiān)測(cè)方法有瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)技術(shù)。

4.2? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加入VMD功能。在開(kāi)發(fā)階段，可以充分集合模塊化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)、機(jī)電裝置通信網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。動(dòng)力機(jī)械可以有效將各個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，并將狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能融合到功能塊中。

對(duì)于船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)力機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。在對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，需要將一些內(nèi)容監(jiān)控過(guò)程模塊化。監(jiān)測(cè)方法是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，由于監(jiān)測(cè)方法比較多，所以要?jiǎng)澐譃椴煌哪K，它的結(jié)構(gòu)具有可變的特點(diǎn)，規(guī)模大小可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，靈活性更強(qiáng)。以油液粘度監(jiān)測(cè)設(shè)備為例，它本身是一個(gè)獨(dú)立的裝置，但卻可以加入到在線油液監(jiān)測(cè)模塊當(dāng)中。

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

在船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可將VMD技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)分析當(dāng)中，以此來(lái)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(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，對(duì)船舶的各個(gè)工作狀態(tài)做到實(shí)時(shí)高效的分析，從而反饋到控制系統(tǒng)中，對(duì)動(dòng)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(dòng)力機(jī)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(kāi)發(fā)，故僅從物理環(huán)境的角度進(jìn)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(shí)，可將這些約束條件轉(zhuǎn)化為變分問(wèn)題，借助VMD技術(shù)進(jìn)行求解，從而快速得到分析結(jié)果。而在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的分析中，重點(diǎn)是目標(biāo)集的建立，這是一個(gè)逐級(jí)逐項(xiàng)對(duì)總目標(biāo)進(jìn)行落實(shí)的過(guò)程，所以需要先對(duì)總目標(biāo)進(jìn)行分解，在分解時(shí)，可以運(yùn)用VMD技術(shù)，將總目標(biāo)分解為多個(gè)分目標(biāo)，并進(jìn)行具體化、客觀化，在此基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行確定，據(jù)此對(duì)分目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)并行高效監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。因船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)因素比較多，加之各個(gè)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(shí)，只需要運(yùn)用VMD技術(shù)尋找次優(yōu)解即可，無(wú)需追求最優(yōu)解，以免造成計(jì)算量增大。

5實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將提出設(shè)計(jì)工程船動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)特性分析方法導(dǎo)入仿真測(cè)試工具中，進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)性能測(cè)試。對(duì)輸出的振動(dòng)響應(yīng)曲線同優(yōu)化前的振動(dòng)響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。2條振動(dòng)響應(yīng)曲線所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，可看到提出方法在工程船動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)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(jì)的可行性與有效性。

結(jié)束語(yǔ)

為了保證船舶航行性能及整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全，必須對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，才能有效提高動(dòng)力傳輸控制的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對(duì)動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為必要。現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法種類較多，方法不同監(jiān)測(cè)所得的結(jié)果有所區(qū)別。為提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可將各種監(jiān)測(cè)方法融合到一起，利用模塊化的思路，開(kāi)發(fā)1套功能強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在系統(tǒng)分析時(shí)，對(duì)VMD技術(shù)進(jìn)行合理運(yùn)用。

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