主動(dòng)控制型船舶管路減振器的設(shè)計(jì)與研究

劉亞龍 ，段 鑫 ，樊祥釗 ，胡 義 ，劉佳佳

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430070；2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢430074）

在船舶設(shè)備中，船舶管系是船舶上用于連接各種機(jī)械設(shè)備的管道，用來傳送水、油、氣等有關(guān)工質(zhì)。船舶管系類似人體血管，在船舶系統(tǒng)中占有重要地位，船舶管路對(duì)于船舶的安全性具有重大影響。然而，管路振動(dòng)現(xiàn)象極為普遍，管路振動(dòng)極易引起管路的振動(dòng)磨損與振動(dòng)疲勞，若不加以控制，較大幅度的振動(dòng)會(huì)使管道連接部位、管道附件連接部位等管道附件發(fā)生破裂、脫落等危及安全工作的事故[1]。因此對(duì)于船舶管系的管理中對(duì)于管道振動(dòng)控制的研究顯得極為重要。

1 振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)概述

自20世紀(jì)80年代起我國就開始了對(duì)于振動(dòng)控制的研究，但是當(dāng)時(shí)國內(nèi)主要采用被動(dòng)控制技術(shù)，即利用隔振器減小振動(dòng)傳遞。在當(dāng)時(shí)，與國外相比較，金屬彈簧阻尼比較低，橡膠隔振器動(dòng)態(tài)系數(shù)較高，溫度適用范圍較窄，變阻尼變剛度隔振器還很少使用。1994年文獻(xiàn)[2]就指出，隔振器的發(fā)展趨勢(shì)為品種規(guī)格要多，適用溫度范圍廣，抗油污抗酸堿力強(qiáng)，應(yīng)與振動(dòng)設(shè)備配套應(yīng)，阻尼彈簧減振器向大阻尼方向發(fā)展，橡膠隔振器向低動(dòng)態(tài)系數(shù)方向發(fā)展，擴(kuò)大變剛度變阻尼減振器應(yīng)用范圍。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，振動(dòng)控制理論從被動(dòng)控制開始往主動(dòng)控制方向發(fā)展[3]。這2種控制技術(shù)類型的特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 控制類型的對(duì)比Tab.1 Comparison of control types

其中，振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)由控制對(duì)象、傳感器、控制器、執(zhí)行器以及物理減振單元（彈簧系統(tǒng)與阻尼系統(tǒng)）組成，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行器作為除物理減振單元以外對(duì)控制對(duì)象直接作用的單元，是主動(dòng)控制系統(tǒng)中主要的可控部分、控制力輸出的單元；控制器為整個(gè)系統(tǒng)的采集信號(hào)處理中心，決定控制算法，影響控制效果。因此執(zhí)行器和控制器是主動(dòng)控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵的2個(gè)部分。

圖1 振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Actively vibration controlled model structure

文中重點(diǎn)從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)兩方面對(duì)該種主動(dòng)控制型管道減振器進(jìn)行理論分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

執(zhí)行器方面 將物理減振單元橡膠柱改為中空結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可控的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的工作介質(zhì)體積改變；增設(shè)傳感器，油泵，儲(chǔ)油箱，其中儲(chǔ)油箱可以同時(shí)為多個(gè)該類型的減振器提供工作介質(zhì)。與傳統(tǒng)的橡膠減振器執(zhí)行器相比，該減振器可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理減振單元進(jìn)行控制，解決了由于減振器禁錮力不當(dāng)引起的減振效果不佳及管道壽命降低的問題。

控制器方面 采用了PID控制技術(shù)，其算法簡(jiǎn)單，可靠性高，在振動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟[2]。

2 振動(dòng)技術(shù)理論分析

該設(shè)備的主動(dòng)減振分析計(jì)算模型如圖2所示，將振動(dòng)源視為質(zhì)量為m的質(zhì)量塊，減振器由剛度為k的彈簧、黏性阻尼為c的阻尼器構(gòu)成。則系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：k為系統(tǒng)剛度；c為黏性阻尼；X（t）為位移響應(yīng)；F（t）為激勵(lì)力。

圖2 主動(dòng)減振計(jì)算模型Fig.2 Active vibration reduction calculation model

每種減振器都有有效減振區(qū)。為擴(kuò)大該區(qū)域，需對(duì)減振器的剛度主要是橡膠元件的剛度進(jìn)行合理的選擇。如果剛度太大，會(huì)使有效減振區(qū)發(fā)生明顯的縮小；如果剛度太小，則會(huì)產(chǎn)生過量壓縮，易使設(shè)備失效。將文中所提結(jié)構(gòu)的橡膠柱設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，通過改變橡膠柱腔內(nèi)介質(zhì)體積使橡膠柱膨脹或者收縮，進(jìn)而引起橡膠單元與管道的貼合力發(fā)生改變。如果貼合力太大，其作用與剛度較大時(shí)作用類似，使有效減振區(qū)縮??；反之，貼合力不夠，吸振效率下降，更進(jìn)一步如果間隙太大，減振器根本無法實(shí)現(xiàn)正常工作，造成資源浪費(fèi)。

因此，為保證減振器的工作區(qū)間合理地處于有效減振區(qū)，所設(shè)計(jì)的設(shè)備在工作過程中，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)的壓力值低于設(shè)定值允許范圍時(shí)，弧形橡膠柱與夾持的管道接觸不充分，管道容易發(fā)生振動(dòng)，控制器控制電控閥門打開，儲(chǔ)存在儲(chǔ)油箱內(nèi)的高壓液壓油在壓力作用下自動(dòng)流入2個(gè)弧形橡膠柱內(nèi)。2個(gè)弧形橡膠柱膨脹夾緊管道，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)壓力值高于設(shè)定值允許范圍時(shí)，說明緊固效果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；如果管道長時(shí)間處于應(yīng)力過大的狀態(tài)，勢(shì)必對(duì)管道壽命產(chǎn)生影響，此時(shí)控制器控制電磁閥門打開，抽油泵抽取出2個(gè)弧形橡膠柱內(nèi)的液壓油，使管道與弧形橡膠柱之間應(yīng)力降低到設(shè)定范圍內(nèi)，既保證緊固能力與減振效果，又可使管道承受的應(yīng)力在合理范圍，提高管道壽命。

3 新型減振器設(shè)計(jì)

3.1 新型管道減振器總體設(shè)計(jì)

該管道減振器結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的管箍橡膠減振器中的橡膠單元改為中空結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)物理減振單元的控制，為輸送的工作介質(zhì)提供儲(chǔ)存空間。橡膠具有塑性變形的特性，當(dāng)有一定壓力的介質(zhì)輸入中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，中空部分的體積發(fā)生改變，橡膠柱宏觀上發(fā)生膨脹，從而實(shí)現(xiàn)橡膠柱對(duì)管道的貼合力變化。

具體結(jié)構(gòu)如下：傳統(tǒng)管箍安裝座的頂部開凹槽，在凹槽的底部內(nèi)壁上焊接截面為半環(huán)形結(jié)構(gòu)的下管夾。下管夾一端通過鉸鏈連接上管夾，且下管夾頂部外壁和上管夾底部的外壁固定上彈性夾持器。彈性夾持器包括第1夾片和通過中空轉(zhuǎn)軸與第1夾片轉(zhuǎn)動(dòng)連接的第2夾片，且中空轉(zhuǎn)軸內(nèi)套設(shè)有扭轉(zhuǎn)彈簧，第1夾片和第2夾片之間構(gòu)成半圓柱狀的夾持腔。壓力傳感器布置在弧形橡膠柱與上管夾和下管夾之間，用于檢測(cè)橡膠住對(duì)管箍產(chǎn)生的壓力信息，如圖3所示。

圖3 主動(dòng)控制型管路減振器Fig.3 Active control pipeline vibration reduction equipment

3.2 減振器液壓油路設(shè)計(jì)

3.2.1 油路閥門

該設(shè)備中空部分填充的介質(zhì)為液壓油，在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)在于液壓油路的設(shè)計(jì)。文中利用電磁閥的啟閉及油泵的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠單元中空部分進(jìn)行輸油、抽油的控制。其中電磁閥作為啟閉油路的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電磁閥結(jié)構(gòu)Fig.4 Solenoid valve structure

電磁閥的電磁線圈如果沒有電流，則無磁場(chǎng)存在，此時(shí)電樞不受磁力，受壓力彈簧的彈力作用；活塞中心桿與電樞連接在一起，中心桿向下推，活塞壓于錐座，堵住進(jìn)出口之間的通路（如圖4a所示）。當(dāng)電磁線圈通有電流時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，使活塞中心桿克服彈簧壓力向上移動(dòng)，隨之活塞上行，開啟進(jìn)出口通道（如圖4b所示）。

3.2.2 油泵及液壓原理

油泵采用齒輪泵，其工作介質(zhì)為液壓油，設(shè)備內(nèi)的摩擦情況對(duì)油質(zhì)影響極低，油質(zhì)較穩(wěn)定。采用液壓齒輪泵無需考慮污染敏感度，同時(shí)價(jià)格低廉，易損件少，工作可靠，可以控制油液流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)輸油/抽油的模式切換。

該設(shè)備的液壓原理如圖5所示，當(dāng)檢測(cè)到橡膠柱與管道貼合力過小時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)使電磁閥3線圈通電，閥工作在下位，使進(jìn)出口處于聯(lián)通狀態(tài)，同時(shí)控制器根據(jù)壓力傳感器采集到的壓力差，發(fā)出控制指令使齒輪泵4正轉(zhuǎn)，將液壓油從儲(chǔ)油箱5通過已經(jīng)開啟的電磁閥3和三通閥2泵入減振器1內(nèi)的橡膠中空空間，橡膠柱膨脹后與管道的貼合力增加至要求范圍。當(dāng)貼合力過大時(shí)，電磁閥3處聯(lián)通位，油泵反轉(zhuǎn)，將液壓油從減振器1抽回儲(chǔ)油箱5。如果未檢測(cè)出異常時(shí)，電磁閥3線圈不通電，閥在彈簧作用下工作在上位，即進(jìn)出口處于切斷狀態(tài)。

圖5 液壓原理Fig.5 Hydraulic schematic

3.3 減振器控制技術(shù)原理

該減振器控制技術(shù)為目前較成熟的PID控制技術(shù)。PID控制是一種線性控制，算法簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性好，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。

電磁閥的控制為開關(guān)量，其動(dòng)作為導(dǎo)通與關(guān)閉。油泵的控制為PID控制，通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵流量的調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速的大小通過光電編碼器將轉(zhuǎn)速反饋，轉(zhuǎn)速設(shè)定值由控制器根據(jù)管道壓力解算。油泵與電磁閥控制原理如圖6所示。

圖6 控制原理Fig.6 Control schematic

控制器其采用德國Beckhoff的C6640系列，DI，DO，AI，AO 分 別 為 KL1004，KL2004，KL3004，KL4004?？刂破鞯倪壿嬙砣鐖D7所示。

圖7 硬件邏輯原理Fig.7 Hardware logic schematic

程序開發(fā)采用TwinCAT軟件，軟件調(diào)試完畢導(dǎo)入倍福PC。軟件設(shè)計(jì)需求為：對(duì)采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行解算，并將解算結(jié)果與邊界值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)控制油泵與電磁閥。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程Fig.8 Main program flow chart

4 管道振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)采用武漢理工大學(xué)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖9所示；其長度為4 m，通徑20 cm，壁厚0.5 cm，水頭1 m。

圖9 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Vibration test rig

經(jīng)過在管道振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）管道采集壓力大于預(yù)設(shè)值時(shí)，應(yīng)急處理系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間控制在2～5 s內(nèi)，考慮到信號(hào)采集、傳輸與處理的延時(shí)、故障診斷的復(fù)雜性，這樣的響應(yīng)速度是可以接受的，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）當(dāng)采取調(diào)整措施，管道壓力可調(diào)整至安全范圍，系統(tǒng)調(diào)整精度控制在2.5%以內(nèi)，滿足了控制系統(tǒng)的應(yīng)急要求。

5 結(jié)語

通過該減振器的研究分析，驗(yàn)證該型管道減振器對(duì)于管道振動(dòng)的抑制有很好的作用。該管道減振器發(fā)揮了主動(dòng)控制與被動(dòng)控制方式的優(yōu)勢(shì)，可以更好地對(duì)船舶管道振動(dòng)實(shí)施合理有效的控制。

[1] 趙國遷，張洪田．柴油機(jī)管道系統(tǒng)全主動(dòng)吸振技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]．噪聲與振動(dòng)控制，2007，27（5）：46-49．

[2] 章奎生，戰(zhàn)嘉愷，呂玉恒．修定寺建筑考古又三題我國噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．上海環(huán)境科學(xué)，1994，13（10）：39-40．

[3] 楊東利，魏燕定，李國平，等．主動(dòng)振動(dòng)控制中控制技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)：工程應(yīng)用專輯，2001，14（1）：77-79．■