懸臂梁動(dòng)力吸振器在艦艇變流機(jī)組上的應(yīng)用研究

龐天照，何其偉，代 振

(1.海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

懸臂梁動(dòng)力吸振器在艦艇變流機(jī)組上的應(yīng)用研究

龐天照1，何其偉2，代 振2

(1.海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

為了降低艦艇變流機(jī)組傳遞至基礎(chǔ)的振動(dòng)，機(jī)腳位置加裝了懸臂梁動(dòng)力吸振器。分析了變流機(jī)組的振動(dòng)特性，研究了懸臂梁動(dòng)力吸振器的基本原理，并對(duì)其減振效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上，為了確保懸臂梁動(dòng)力吸振器的減振效果，提出了懸臂梁動(dòng)力吸振器的調(diào)試方法以及使用、維修基本要求。

變流機(jī)組;懸臂梁動(dòng)力吸振器;振動(dòng);減振效果

為了降低艦艇的水下輻射噪聲，艦艇大部分機(jī)械設(shè)備都進(jìn)行了振動(dòng)噪聲控制，不僅大量采用隔振器，大面積敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，大范圍使用撓性接管，還在部分特定設(shè)備上安裝動(dòng)力吸振器［1］。變流機(jī)組是艦艇上常用的輔助裝置，其主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率為50 Hz或400 Hz的交流電。為了降低該型設(shè)備傳遞至基座的振動(dòng)，國(guó)外艦艇不僅采用了氣囊隔振裝置，并在機(jī)腳加裝了一種結(jié)構(gòu)新穎的懸臂梁動(dòng)力吸振器［2］。

由于懸臂梁動(dòng)力吸振器應(yīng)用較少，使用和修理人員基本上不清楚其原理和功能，在變流機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)及修理過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)任意拆卸、更換或調(diào)整懸臂梁動(dòng)力吸振器的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其減振效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以變流機(jī)組懸臂梁動(dòng)力吸振器為研究對(duì)象，分析其振動(dòng)控制的基本原理以及組成參數(shù)對(duì)減振效果的影響，制定安裝與調(diào)試工藝，并對(duì)其使用和維修提出明確的要求，從而為設(shè)備的維修保障提供指導(dǎo)。

1 基本原理

1.1 變流機(jī)組振動(dòng)特性分析

變流機(jī)組主要由直流電動(dòng)機(jī)和單相交流發(fā)電機(jī)組成，機(jī)組在結(jié)構(gòu)上分為外殼、電樞、軸承罩、排氣扇機(jī)構(gòu)以及減振消音機(jī)構(gòu)等。該機(jī)組額定功率20 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，由于功率和轉(zhuǎn)速較高，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生較大振動(dòng)，同時(shí)由于電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間很難保證對(duì)中，機(jī)腳振動(dòng)信號(hào)中基頻 (50 Hz)成分和倍頻成分往往較為突出，具體如圖1和圖2所示。

圖1 50 Hz變流機(jī)組機(jī)腳振動(dòng)圖

圖2 400 Hz變流機(jī)組機(jī)腳振動(dòng)圖

為了降低變流機(jī)組傳遞至基座的振動(dòng)，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行隔振處理。眾所周知，隔振系統(tǒng)對(duì)中高頻振動(dòng)隔離效果較好，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組基頻及二倍頻成分的有效隔離，必須降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，但這往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)烈度較大，影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。動(dòng)力吸振器是對(duì)隔振系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，其安裝于機(jī)械設(shè)備上，當(dāng)激勵(lì)頻率等于動(dòng)力吸振器調(diào)諧頻率時(shí)，可將該頻率下設(shè)備振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至動(dòng)力吸振器本身，從而減小設(shè)備傳遞至基座的振動(dòng)。由于變流機(jī)組振動(dòng)成分穩(wěn)定，并且幅值相對(duì)較大，因此，變流機(jī)組在采用隔振技術(shù)的基礎(chǔ)上，還加裝有懸臂梁動(dòng)力吸振器對(duì)機(jī)組基頻或者二倍頻進(jìn)行振動(dòng)控制。

1.2 懸臂梁動(dòng)力吸振器基本原理

變流機(jī)組懸臂梁動(dòng)力吸振器主要由懸臂梁、質(zhì)量元件以及緊固螺栓等組成具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中懸臂梁中間開有滑槽，便于調(diào)節(jié)動(dòng)力吸振器質(zhì)量元件的位置，從而改變動(dòng)力吸振器調(diào)諧頻率。

圖3 懸臂梁動(dòng)力吸振器

圖4 經(jīng)典動(dòng)力吸振器模型圖

圖4為經(jīng)典動(dòng)力吸振器的分析模型，表示在主系統(tǒng) (機(jī)械設(shè)備)上加裝有動(dòng)力吸振器。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)力的作用下，系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程為:

則安裝動(dòng)力吸振器前后，主系統(tǒng)振動(dòng)位移的放大系數(shù)為［3］:

式中:m和M分別表示動(dòng)力吸振器質(zhì)量元件和主系統(tǒng)的質(zhì)量;k和K分別表示動(dòng)力吸振器彈性元件以及主系統(tǒng)隔振器的剛度;c和C分別表示動(dòng)力吸振器彈性元件以及主系統(tǒng)隔振器的阻尼;x和X分別表示動(dòng)力吸振器質(zhì)量元件和主系統(tǒng)的振動(dòng)位移;F為主系統(tǒng)上激勵(lì)力幅值;ω為角頻率;t為時(shí)間。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)力頻率等于動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率時(shí)，即:

ξ?1動(dòng)力吸振器能夠有效地降低主系統(tǒng)的振動(dòng)，從而降低主系統(tǒng)傳遞至基礎(chǔ)的振動(dòng)。

圖5為懸臂梁動(dòng)力吸振器的簡(jiǎn)化模型，對(duì)于懸臂梁動(dòng)力吸振器而言，其本質(zhì)是利用懸臂梁作為彈性元件，并取附帶集中質(zhì)量的懸臂梁一階模態(tài)固有頻率作為調(diào)諧頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變流機(jī)組基頻的振動(dòng)控制。

圖5 懸臂梁動(dòng)力吸振器簡(jiǎn)化模型圖

則懸臂梁動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率為［4］:

式中:E為梁的彈性模量;I為梁的截面慣性矩;ρl為梁的線密度;l為懸臂梁的總長(zhǎng)度;l0為質(zhì)量塊質(zhì)心到梁支座的長(zhǎng)度。

通過(guò)式 (4)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸臂梁動(dòng)力吸振器質(zhì)量元件確定時(shí)，可以通過(guò)懸臂梁上滑槽移動(dòng)質(zhì)量元件在懸臂梁上的位置，改變動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率;當(dāng)該調(diào)諧頻率等于變流機(jī)組基頻時(shí)，便可對(duì)機(jī)組的基頻振動(dòng)起到良好的減振效果。

1.3 仿真分析

為了驗(yàn)證懸臂梁動(dòng)力吸振器對(duì)變流機(jī)組的減振效果，分別計(jì)算其安裝懸臂梁動(dòng)力吸振器前后系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。假定機(jī)組質(zhì)量為100 kg，隔振器剛度為4 836 MPa，系統(tǒng)的固有頻率為35 Hz;懸臂梁動(dòng)力吸振器的質(zhì)量元件共5 kg，調(diào)諧頻率為50 Hz。

圖6 懸臂梁動(dòng)力吸振器減振效果圖

圖6為變流機(jī)組安裝動(dòng)力吸振器前后加速度響應(yīng)對(duì)比?？梢钥闯觯?dāng)未安裝動(dòng)力吸振器時(shí)，變流機(jī)組隔振系統(tǒng)對(duì)其50 Hz處的基頻振動(dòng)基本沒有隔振效果;當(dāng)安裝動(dòng)力吸振器后，50 Hz處的基頻振動(dòng)降低了25 dB左右。因此，通過(guò)安裝懸臂梁動(dòng)力吸振器，并確保其調(diào)諧頻率等于變流機(jī)組基頻時(shí)，可以有效降低機(jī)組的振動(dòng)。

2 懸臂梁動(dòng)力吸振器調(diào)試方法

為了保證懸臂梁動(dòng)力吸振器的減振效果，必須確保動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率等于變流機(jī)組基頻，其調(diào)試可采用錘擊法［5］進(jìn)行模態(tài)測(cè)試完成，具體流程如圖7所示。值得說(shuō)明的是，該調(diào)試過(guò)程是一個(gè)往復(fù)過(guò)程，直至達(dá)到調(diào)試目標(biāo)時(shí)方可結(jié)束。

圖7 懸臂梁動(dòng)力吸振器調(diào)試方法流程圖

其中，當(dāng)調(diào)諧頻率大于變流機(jī)組基頻時(shí)，需要增加質(zhì)量元件質(zhì)量或者稍向懸臂梁外部移動(dòng)質(zhì)量元件;當(dāng)調(diào)諧頻率小于變流機(jī)組基頻時(shí)，需要減小質(zhì)量元件質(zhì)量或者稍向懸臂梁內(nèi)部移動(dòng)質(zhì)量元件。

3 懸臂梁動(dòng)力吸振器使用與維修基本要求

為了保證懸臂梁動(dòng)力吸振器的減振效果，懸臂梁動(dòng)力吸振器在使用過(guò)程中，嚴(yán)禁采取以下行為:①改變懸臂梁動(dòng)力吸振器質(zhì)量元件的位置;②懸臂梁及質(zhì)量元件噴涂油漆;③踩踏懸臂梁及質(zhì)量元件。

在維修過(guò)程中，若需要對(duì)懸臂梁動(dòng)力吸振器拆解，具體要求如下:①對(duì)單個(gè)動(dòng)力吸振器及安裝位置進(jìn)行標(biāo)記，確保后續(xù)安裝時(shí)能夠恢復(fù)原位;②記錄當(dāng)前懸臂梁動(dòng)力吸振器調(diào)諧頻率，并按照結(jié)構(gòu)件組裝相反順序進(jìn)行拆除;③懸臂梁動(dòng)力吸振器回裝時(shí)，必須嚴(yán)格參照調(diào)試方法，確保調(diào)諧頻率的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)艦艇變流機(jī)組的振動(dòng)控制，在采用隔振技術(shù)的基礎(chǔ)上，加裝了懸臂梁動(dòng)力吸振器。論文分析了變流機(jī)組的振動(dòng)特性，研究了懸臂梁動(dòng)力吸振器的基本原理，并對(duì)其減振效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證;為了確保懸臂梁動(dòng)力吸振器的減振效果，提出了懸臂梁動(dòng)力吸振器的調(diào)試方法以及使用、維修基本要求，對(duì)變流機(jī)組振動(dòng)性能的保持具有實(shí)際工程價(jià)值。

［1］朱石堅(jiān)，何琳.船舶機(jī)械振動(dòng)控制［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

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To reduce the vibration transferred from convertor on the vessel to the base，the cantilever beamtype dynamic vibration absorber was used.The vibration characteristics of the convertor was analyzed，the basic theory of the cantilever beam-type dynamic vibration absorber was studied，and the effect of the vibration reduction was verified by the simulation.Furthermore，the method of the debugging，the use and maintenances for the cantilever beam-type dynamic vibration absorber were proposed.

convertor;cantilever beam-type dynamic vibration absorber;vibration;effect of vibration reduction

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.012

寵天照 (1983-)，男，湖南韶山人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)控制。

2015-04-15