船舶主推進(jìn)系統(tǒng)多功率分支局部振動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種船舶主推進(jìn)系統(tǒng)，具體涉及一種多功率分支、多工況切換復(fù)雜的船舶主推進(jìn)系統(tǒng)多功率分支局部出現(xiàn)共振時的振動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今隨著船舶大型化、節(jié)能化和使用功能日趨多樣性，主推進(jìn)系統(tǒng)也由單功率輸出逐步演變?yōu)槎鄼C(jī)并聯(lián)、多輸出軸、多工況等復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用。如圖1所示，船舶復(fù)雜主推進(jìn)系統(tǒng)由三個功率分支系統(tǒng)構(gòu)成，整個系統(tǒng)包括柴油機(jī)1、多分支齒輪箱2、防爆水栗3、軸帶發(fā)動機(jī)4、調(diào)距槳5。多分支系統(tǒng)中各分支當(dāng)量系統(tǒng)存在不同差異和相互激勵影響，這使系統(tǒng)或局部振動的風(fēng)險性相應(yīng)增大。如果在最初設(shè)計階段忽視了振動控制，那么極易造成有害振動，影響到系統(tǒng)和設(shè)備正常運(yùn)行，嚴(yán)重的將導(dǎo)致系統(tǒng)和設(shè)備疲勞破壞。
[0003]目前國內(nèi)在船舶主推進(jìn)系統(tǒng)局部振動控制領(lǐng)域的集中在理論研究，相關(guān)研究中也僅對單個設(shè)備振動進(jìn)行分析，很少從系統(tǒng)的角度考慮并解決振動。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)局部共振故障，常規(guī)振動控制有兩種方法:一種是從改變單個設(shè)備的固有頻率入手，通過改變設(shè)備慣量和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行共振區(qū)間的規(guī)避，采用的是消極避振而不是主動減振;另一種常規(guī)方法為增加減振附加裝置，該方法成本高、周期長，效果無法預(yù)知。如中國專利公開號CN101550984 B的專利文件中給出了基于機(jī)械式消振執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主動消振控制方法，需增加機(jī)械消振執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行減振。又如中國專利公開號CN 103917764 A的專利文件給出了扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力降低控制裝置及扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力降低方法，該方法需要增加扭振控制裝置通過降低增壓器掃氣壓力降低扭振應(yīng)力。常規(guī)方法或通過改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或通過加裝減振附加裝置，都需要改變原有設(shè)計。導(dǎo)致成本、解決周期及最終效果難以控制。
[0004]以往船舶主推進(jìn)系統(tǒng)振動控制方法，通常為改變系統(tǒng)某個設(shè)備的固有頻率或在某個設(shè)備加裝減振附加裝置。對于船舶建造而言，實施工程量大、工期較長、成本難以控制，若設(shè)計依據(jù)的固有頻率檢測不準(zhǔn)確，還可能導(dǎo)致減振效果難以達(dá)到預(yù)期，甚至出現(xiàn)共振區(qū)間轉(zhuǎn)移等情況。公務(wù)船主推進(jìn)系統(tǒng)局部共振問題，可以通過改變齒輪箱局部分支軸系的結(jié)構(gòu)或支撐方式，改變其固有頻率解決共振問題，但是解決工期長、成本高，在實際工程項目建造中，船廠、船東乃至設(shè)備廠均無法接受。
[0005]目前船舶主推進(jìn)系統(tǒng)使用的主流柴油機(jī)大都采用具有PID閉環(huán)邏輯控制系統(tǒng)的電子調(diào)速器，既能消除位置靜差提高系統(tǒng)的無差度，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此通過對調(diào)速器的性能分析，將調(diào)速器的P、1、D邏輯參數(shù)按轉(zhuǎn)速和功率范圍分區(qū)域，繼而在產(chǎn)生共振的區(qū)域內(nèi)改善和優(yōu)化激勵和響應(yīng)的速度、靈敏度等特性，達(dá)到抑制系統(tǒng)設(shè)備相互間激勵和響應(yīng)作用，從而克服耦合共振影響。這種方法，首先從系統(tǒng)角度出發(fā)進(jìn)行分析，其次不改變系統(tǒng)中所有設(shè)備的結(jié)構(gòu)，即節(jié)省了時間又最大限度地控制了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于常規(guī)方法的局限性，本發(fā)明的目的旨在為探索新的簡單快捷、經(jīng)濟(jì)有效的船舶主推進(jìn)系統(tǒng)局部振動控制方法，而提供一種船舶主推進(jìn)系統(tǒng)多功率分支局部振動控制方法，該方法著重從系統(tǒng)角度考慮，不僅僅局限在對單個設(shè)備的處理，而是結(jié)合分析系統(tǒng)激振源和響應(yīng)特性，給出解決系統(tǒng)局部共振的方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種船舶主推進(jìn)系統(tǒng)多功率分支局部振動控制方法，具體步驟為:
(1)扭轉(zhuǎn)振動計算:根據(jù)系統(tǒng)各個設(shè)備的物理參數(shù)建立扭振當(dāng)量模型;對不同運(yùn)行工況的扭振情況進(jìn)行計算，確定常用工況是否有扭振固有頻率，校核高彈性聯(lián)軸器的阻尼和剛度特性對系統(tǒng)扭振的抑制效果；
(2)回旋振動計算:使用專業(yè)計算軟件進(jìn)行回旋振動計算，確定系統(tǒng)常用工況下是否存在回旋振動固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速；
(3)軸系校中計算:對軸系進(jìn)行冷、熱態(tài)校中計算校核各軸承負(fù)荷是否滿足規(guī)范要求；
(4)調(diào)距槳激振力校核:運(yùn)用流體力學(xué)計算軟件，對調(diào)距槳激振力和空泡脈動壓力進(jìn)行計算，校核螺旋槳激勵力大??；
(5)系統(tǒng)自由振動計算:對系統(tǒng)建模，通過自由振動一霍爾茲表分析，根據(jù)自由振動階型圖，在系統(tǒng)使用工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)查找低階振動頻率；
(6)系統(tǒng)各分支最終到整個系統(tǒng)有限元分析，確定各局部分支結(jié)構(gòu)及整個系統(tǒng)的固有頻率；
(7 )通過步驟(1)_步驟(6 )初步確定系統(tǒng)功率分支產(chǎn)生耦合共振的固有頻率。
[0008](8)力錘測試驗證步驟(7)的分析:現(xiàn)場采用力錘測試產(chǎn)生共振的分支固有頻率，以驗證計算結(jié)果；
(9)通過步驟(7)-(8)的計算分析和力錘試驗，最終確定激勵源和局部分支的共振響應(yīng)頻率。
[0009](10)初步評估常規(guī)改變系統(tǒng)固有頻率的振動控制方法可行性:
1)改變有限元計算中高彈性聯(lián)軸器的剛度參數(shù)，進(jìn)行理論計算，確定更換高彈性聯(lián)軸器是否有效；
2)若更換高彈性聯(lián)軸器效果不明顯，則改變振動局部分支的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行有限元計算，找出結(jié)構(gòu)改動最小的方案；
3)評估改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案是否可以承受；
(11)從系統(tǒng)角度出發(fā)，設(shè)計評估通過改變船舶主推進(jìn)系統(tǒng)激勵源的振動控制方法:
1)通常激勵源中的軸系激振力和齒輪箱嚙合激振力已由軸系和齒輪的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定；
2)激勵源中的柴油機(jī)激振力控制；
3)抑制系統(tǒng)設(shè)備相互間激勵和響應(yīng)，通過改變柴油機(jī)調(diào)速器PID控制參數(shù)，消除位置靜差提高系統(tǒng)的無差度，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；
(12)調(diào)整柴油機(jī)調(diào)速器PID控制參數(shù)，具體調(diào)整過程分以下幾步:
1)按調(diào)速器特性，將柴油機(jī)整個轉(zhuǎn)速和功率的工作范圍進(jìn)行劃分，建立需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速和功率范圍；
2)根據(jù)情況對P、1、D值參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并試車運(yùn)行，直至系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不出現(xiàn)共振現(xiàn)象。
[0010](13)通過船舶航行試驗驗證系統(tǒng)振動控制效果。
[0011]所述扭振計算包括:
1)調(diào)距槳、防爆水栗、軸帶發(fā)電機(jī)同時工作，全負(fù)荷工況，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)正常工作或一缸熄火時，軸系扭振特性；
2)調(diào)距槳、防爆水栗、軸帶發(fā)電機(jī)同時工作，零螺距工況，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)正常工作和/或一缸熄火時，軸系扭振特性；
3)調(diào)距槳、軸帶發(fā)電機(jī)同時工作，全負(fù)荷工況，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)正常工作和/或一缸熄火時，軸系扭振特性；
4)調(diào)距槳、軸帶發(fā)電機(jī)同時工作，零螺距工況，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)正常工作和/或一缸熄火時，軸系扭振特性；
5)僅防爆水栗和軸帶發(fā)電機(jī)同時工作，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)正常工作或一缸熄火時，軸系扭振特性；
6)柴油機(jī)怠速，在可用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸系扭振特性；
7)分析:
a、各主要使用工況中轉(zhuǎn)速禁區(qū)狀況；
b、各軸段扭振應(yīng)力；
c、齒輪各嚙合點的振動扭矩；
d、高彈性聯(lián)軸器振動扭矩及功率損失。
[0012]所述系統(tǒng)各分支最終到整個系統(tǒng)有限元分析，確定各局部分支結(jié)構(gòu)及整個系統(tǒng)的固有頻率;具體步驟如下:
1)建立已產(chǎn)生共振分支結(jié)構(gòu)三維模型；
2)網(wǎng)格化處理；
3)靜/動力分析；
4)各個傳動分支模型階振圖分析；
5)列出各個傳動分支模型階振表，確定是否有固有頻率與激勵頻率相重疊，若有重疊則應(yīng)關(guān)注由此產(chǎn)生的共振；
6)若局部分支結(jié)構(gòu)無法找出共振頻率，則須繼續(xù)擴(kuò)大建模有限元分析的范圍，直至最終找到共振頻率為止。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明立足于船舶多分支復(fù)雜主推進(jìn)系統(tǒng)局部共振的難題，通過優(yōu)化調(diào)速器PID控制參數(shù)，達(dá)到抑制系統(tǒng)設(shè)備相互間激勵和響應(yīng)作用，是該領(lǐng)域解決共振問題的新方法；相比于現(xiàn)有通過改變某個設(shè)備的固有頻率消極避振，本方法簡單快捷、可靠性更高，成本更低，開拓了解決多分支復(fù)雜主推進(jìn)系統(tǒng)局部耦合共振問題的思路。
[0014]本發(fā)明成果應(yīng)用的案例:實船僅耗時一天對柴油機(jī)調(diào)速器的PID進(jìn)行調(diào)整后即消除了共振故障，在隨后的試航過程中，推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)受了高負(fù)荷和各運(yùn)行工況的考核，整個系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)正常，得到了用戶的認(rèn)可，按期正式交付使用方。
[0015]本發(fā)明已經(jīng)成功運(yùn)用于4艘國家級公務(wù)船中，用戶反映設(shè)備故障率大大降低，系統(tǒng)可靠性顯著提高，滿足了各種海況環(huán)境和執(zhí)法任務(wù)的使用要求。為國家海洋維權(quán)貢獻(xiàn)了力量，取得了豐碩的社會和經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)了本發(fā)明良好的使用效果。
【附圖說明】
[0016]圖1為船舶復(fù)雜主推進(jìn)系統(tǒng)示意圖；
圖2為本發(fā)明的主推進(jìn)系統(tǒng)局部振動控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖2所示，本發(fā)明的船舶主推進(jìn)系統(tǒng)多功率分支局部振動控制方法，著重從系統(tǒng)角度考慮，結(jié)合分析系統(tǒng)激振源和響應(yīng)特性，給出解決系統(tǒng)局部共振的方法，其主要步驟如下:
(1)扭轉(zhuǎn)振動計算:根據(jù)系統(tǒng)各個設(shè)備的物理參數(shù)建立扭振當(dāng)量模型;對不同運(yùn)行工況的扭振情況進(jìn)行計算，確定常用工況是否有扭振固有頻率，校核高彈性聯(lián)軸器的阻尼和剛度特性對系統(tǒng)扭振的抑制效果。
[0018]扭振計算工況如下:
1)調(diào)距