低速機(jī)消振裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)研究

童宗鵬，葉林昌，董佳鑫，周文建

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海201108）

隨著IMO 對(duì)于大于10 000 總噸船舶噪聲要求的提高以及對(duì)于由于主機(jī)振動(dòng)引起安全性的重視，低速機(jī)作為船舶振動(dòng)噪聲的主要源頭之一，由于重量和尺寸等問(wèn)題，目前還沒(méi)有彈性安裝的實(shí)船案例[1]，因此，低速機(jī)減振的課題顯得尤為重要。低速柴油機(jī)不平衡力可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以消除，但不平衡力矩卻無(wú)法消除，而不平衡力矩可以引起H型、X 型和V 型等多種振型的有害振動(dòng)[2]。對(duì)于低速機(jī)的減振可以通過(guò)消振裝置、柴油機(jī)頂部設(shè)置液壓阻尼緩沖器、加強(qiáng)安裝基座的結(jié)構(gòu)、阻尼處理或彈性安裝等方式，其中最有效和常用的方式是消振裝置。

目前消振裝置的研制和生產(chǎn)由以G&O 為代表的北歐企業(yè)所壟斷，主要包括蘭式補(bǔ)償器和電動(dòng)消振裝置等[3]。蘭式補(bǔ)償器通過(guò)鏈輪與主機(jī)曲軸相連，利用兩個(gè)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生與主機(jī)方向相反的振動(dòng)，抑制主機(jī)振動(dòng)，工作運(yùn)行需要消耗一定的柴油機(jī)功率，一般尺寸較大，需安裝在船體結(jié)構(gòu)上，對(duì)于安裝位置提出了較高要求。消振裝置可獨(dú)立運(yùn)行，不與柴油機(jī)發(fā)生直接或間接的傳動(dòng)連接，還可根據(jù)船體振型和實(shí)際需要，安裝在船體尾部、上層建筑或柴油機(jī)基座等位置，安裝位置相對(duì)靈活且不會(huì)對(duì)柴油機(jī)工作運(yùn)行產(chǎn)生有害影響[4]。國(guó)外的消振裝置基本是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，但未考慮國(guó)內(nèi)船舶艙室的實(shí)際布置情況，后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)等存在不便；自帶的消振裝置考慮了低速機(jī)某階固有頻率，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在其它階次頻率超標(biāo)的問(wèn)題且較難有效地控制；目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有實(shí)船應(yīng)用的消振裝置，所以有必要開(kāi)展提升消振效果、掌握消振裝置設(shè)計(jì)方法以及安裝應(yīng)用等方面的研究，以能夠?qū)崿F(xiàn)非標(biāo)定制、靈活安裝、達(dá)到國(guó)外消振裝置的減振效果為目標(biāo)，解決國(guó)內(nèi)低速機(jī)消振裝置進(jìn)口問(wèn)題，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)船應(yīng)用提供技術(shù)支撐，還可以有效降低國(guó)內(nèi)主機(jī)廠配備消振裝置進(jìn)口的成本。

本文主要研究低速機(jī)的消振裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)于該裝置應(yīng)用在船體上的局部減振不做討論。

1 消振裝置原理

柴油機(jī)的消振裝置是通過(guò)輸入一個(gè)與柴油機(jī)不平衡力矩大小相等、但作用方向相反的附加力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡力矩的抵消，從而實(shí)現(xiàn)消振的目的[5]。

消振裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和同步皮帶傳動(dòng)，帶動(dòng)偏心塊持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，用于輸出平衡力矩的偏心塊有兩組，采用對(duì)稱布置。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩組偏心塊反向運(yùn)轉(zhuǎn)，在偏心質(zhì)量的作用下產(chǎn)生離心力。在水平方向上，離心力大小相等、方向相反，相互抵消；在垂直方向上離心力方向相同，相互疊加。垂直方向產(chǎn)生正弦力，幅值為兩組偏心塊離心力的合力值，如圖1所示。

借助同步控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使消振裝置輸出力的頻率與柴油機(jī)二次振動(dòng)頻率相同，再通過(guò)加減速使得輸出力的相位與二次振動(dòng)的相位保持相反實(shí)現(xiàn)消振功能[6]。

圖1 消振裝置輸出力原理圖

2 低速機(jī)消振裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)目標(biāo)輸入開(kāi)展信號(hào)探測(cè)分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器方案設(shè)計(jì)，并對(duì)各方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定優(yōu)化方案，進(jìn)而開(kāi)展各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)樣機(jī)加工組裝，開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)消振裝置各部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，總體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)消振裝置總體設(shè)計(jì)流程圖

2.2 探測(cè)系統(tǒng)

探測(cè)系統(tǒng)將采集的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理和分析，得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)相位等參數(shù)，一般在主機(jī)齒盤(pán)上方分布有三個(gè)探頭，一個(gè)用來(lái)拾取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和相位信號(hào)，兩個(gè)用來(lái)拾取轉(zhuǎn)向信號(hào)，圖3給出了分布示意圖。

圖3 主機(jī)探測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖中帶齒輪的圓盤(pán)為柴油機(jī)輸出端齒盤(pán)，通過(guò)標(biāo)號(hào)3 位置可以測(cè)得柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，結(jié)合時(shí)域計(jì)算可以拾取柴油機(jī)相位信號(hào)。標(biāo)號(hào)1 和標(biāo)號(hào)2 指的是探測(cè)系統(tǒng)的另外兩個(gè)探頭，可以拾取柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖上下沿信號(hào)。通過(guò)脈沖上下沿出現(xiàn)的規(guī)律，可以判定柴油機(jī)轉(zhuǎn)向。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由同步單元、執(zhí)行器單元、人機(jī)交互界面、報(bào)警和緊急停機(jī)單元等部分組成。同步單元利用合理的計(jì)算程序和邏輯控制程序?qū)Σ杉妮斎胄盘?hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析并輸出有效的輸出控制信號(hào)。執(zhí)行器單元可以完成反饋信號(hào)輸出到同步單元并且接收由同步單元分析計(jì)算后發(fā)出的控制信號(hào)，用以控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和相位。人機(jī)交互界面提供控制參數(shù)輸入、調(diào)試和控制參數(shù)監(jiān)測(cè)的界面，監(jiān)測(cè)到控制參數(shù)異常將啟動(dòng)報(bào)警裝置。緊急停車用于極端工況和異常工況下的快速停車。

控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)分析柴油機(jī)和執(zhí)行器相位差信號(hào)并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)。采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、相位信號(hào)經(jīng)過(guò)處理器后和消振裝置反饋的信號(hào)進(jìn)行比較和計(jì)算分析，發(fā)出信號(hào)至消振裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得柴油機(jī)和執(zhí)行器激振力相位差保持在180°左右。

2.4 執(zhí)行器

通過(guò)內(nèi)部的兩組偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反向振動(dòng)，其出力大小與偏心塊偏心量成正比，與轉(zhuǎn)速成二次方關(guān)系。偏心塊、齒輪、軸承等運(yùn)動(dòng)件整體封裝在殼體內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在殼體上專用基座上，輔助裝置懸掛并固定于外殼上。執(zhí)行器配備絕對(duì)值編碼器的伺服電機(jī)可以將轉(zhuǎn)速和相位信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)；執(zhí)行器上加裝一個(gè)探頭以保證轉(zhuǎn)速和相位信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋。電機(jī)與兩組偏心塊的傳動(dòng)靠同步皮帶+齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)。第一組偏心塊與電機(jī)之間采用同步皮帶傳動(dòng)，第二組偏心塊與第一組偏心塊之間采用齒輪嚙合傳動(dòng)。兩組偏心塊間裝有軸承的中間隔板，用于支撐偏心塊結(jié)構(gòu)。

軸線采用橫向布置，合理調(diào)整偏心塊初始安裝角度，可同時(shí)輸出垂向力和橫向力，兩組偏心輪傳動(dòng)軸兩端均采用調(diào)心軸承，在兩組偏心輪上端有換向齒輪箱，通過(guò)換向齒輪箱內(nèi)的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)兩組偏心輪的反向旋轉(zhuǎn)，圖4給出了執(zhí)行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 執(zhí)行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行情況下，軸承、齒輪等運(yùn)動(dòng)件需要提供良好的潤(rùn)滑和散熱條件，軸承潤(rùn)滑和散熱一般在執(zhí)行器上附加一套閉式潤(rùn)滑系統(tǒng)，主要由齒輪泵、濾器、流量計(jì)、溢流閥、換向閥、管路等組成。

除了探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)外，還有其他附屬結(jié)構(gòu)如外殼主要有殼體、缺口蓋板和外部蓋板組成，電機(jī)的安裝支座和皮帶的選型設(shè)計(jì)等。

3 案例介紹

以6S35MEB9 低速機(jī)為消振對(duì)象，開(kāi)展低階振動(dòng)線譜控制，主要針對(duì)振型為H型，最大輸出力矩為241 kNm，控制頻率為柴油機(jī)的6階基頻。配機(jī)工況為轉(zhuǎn)速75 r/min，功率550 kW。輸出力的大小與轉(zhuǎn)速和偏心塊夾角有關(guān)，當(dāng)偏心塊夾角一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，輸出力越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，偏心塊夾角越小，輸出力越大。圖5給出了輸出力在偏心塊夾角0°情況下，隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。從圖中看到，轉(zhuǎn)速達(dá)到720 r/min時(shí)，消振裝置輸出力達(dá)到了250 kN。

圖5 消振裝置的輸出力曲線

在額定轉(zhuǎn)速下，偏心量隨偏心塊夾角變化，從表1中可以看到偏心量在偏心塊夾角為0°情況下最大，隨著夾角增大，偏心量減小，理論上夾角達(dá)到180°時(shí)，輸出的偏心量減小至約為零，圖10給出的兩個(gè)偏心塊夾角為0°。

消振裝置的執(zhí)行器主要由殼體、偏心塊、傳動(dòng)裝置組成，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由控制柜、傳感器等組成。

表1 偏心量與偏心塊夾角的關(guān)系

殼體由外殼結(jié)構(gòu)（主體結(jié)構(gòu)如圖6所示）、缺口撐板（承載和支撐如圖7所示）、外部益板（封裝和固定動(dòng)密封裝置如圖8所示）。

圖6 外殼結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 外側(cè)支撐板示意圖

圖8 外部蓋板示意圖

采用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，控制器采用D410同步單元，同步齒形皮帶設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速3 300 r/min，兩級(jí)減速，減速比4.2（1.5×2.8），傳動(dòng)系統(tǒng)采用一對(duì)相同的斜齒輪嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩組偏心輪同步反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)估算得出消振裝置在800 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的峰值扭矩曲線。所選電機(jī)最大穩(wěn)定輸出扭矩如圖10虛線所示，電機(jī)最大輸出扭矩在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均大于該機(jī)型峰值扭矩曲線。

圖10 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

傳動(dòng)齒輪箱采用分體式構(gòu)造，包括上、下箱體，內(nèi)部安裝的兩根傳動(dòng)軸平行布置，每根軸中間位置安裝一個(gè)傳動(dòng)斜齒輪，斜齒輪徑向固定采用鍵連接，軸向固定采用階梯軸。傳動(dòng)軸兩端分別安裝圓柱滾子軸承，軸承放置于換向齒輪箱的軸承座上。軸承外側(cè)采用蓋板軸向定位，采用油封完成動(dòng)密封，必要時(shí)也可以在蓋板上加裝靜密封元件，圖11給出了傳動(dòng)齒輪箱示意圖。

偏心輪組由兩塊尺寸相同的偏心塊和一根軸組成，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，內(nèi)部共有四個(gè)偏心輪，每?jī)蓚€(gè)偏心輪為一組，在每根軸上分別各有一組偏心輪，通過(guò)調(diào)整一對(duì)偏心輪的角度實(shí)現(xiàn)調(diào)偏心量輸出的目的。

圖11 傳動(dòng)齒輪箱示意圖

圖12 主軸承及偏心輪示意圖

消振裝置機(jī)械部分共有86 件機(jī)加工零件，848件外購(gòu)件（含電機(jī)、皮帶、密封件以及緊固連接件等），實(shí)物外形圖如圖13所示。

圖13 消振裝置實(shí)物圖

4 消振裝置配機(jī)試驗(yàn)

測(cè)點(diǎn)布置：主測(cè)點(diǎn)布置在消振裝置安裝過(guò)渡板上，另在柴油機(jī)自由端、機(jī)體頂層支撐架中部、柴油機(jī)飛輪端各布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)如下表2，布置圖見(jiàn)圖14。

表2 測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明

圖14 消振裝置安裝位置示意圖

消振裝置安裝在柴油機(jī)三層的支撐架上，該支撐架與柴油機(jī)機(jī)體通過(guò)螺栓連接，由于安裝空間有限，消振裝置安裝在柴油機(jī)第一氣缸的旁邊。安裝過(guò)渡板通過(guò)34個(gè)M10的螺釘與柴油機(jī)支撐架連接，消振裝置通過(guò)8個(gè)M24螺釘與安裝過(guò)渡板相連。用于采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和相位的傳感器安裝在柴油機(jī)的飛輪端，共有104個(gè)齒，傳感器通過(guò)安裝過(guò)渡板安裝在齒面上端，傳感器底端距齒面0.75 mm。

消振裝置電控箱放置在柴油機(jī)旁的一個(gè)平臺(tái)上，該平臺(tái)不與柴油機(jī)機(jī)體相連，并按照技術(shù)要求完成電氣接線連接。采用B&K Pulse 測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖15所示。

圖15 配機(jī)試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

改變消振裝置與柴油機(jī)的相位差，調(diào)節(jié)消振裝置的輸出力與柴油機(jī)不平衡力矩的相位差，每次相位差增加10°，直至累計(jì)增加36 次，如圖16所示，找到最佳相位點(diǎn)（255°）后消振裝置運(yùn)行1 小時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的振動(dòng)效果未發(fā)生改變。

表3測(cè)試結(jié)果表明測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較小，且略大于計(jì)算值，符合試驗(yàn)預(yù)期。

表4為消振裝置開(kāi)啟前后不同測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)響應(yīng)加速度，同時(shí)給出了實(shí)測(cè)結(jié)果與柴油機(jī)開(kāi)啟數(shù)據(jù)的比較。

表4測(cè)試結(jié)果表明該型號(hào)柴油機(jī)通過(guò)在3 層支撐平臺(tái)安裝消振裝置，其在安裝位置的水平方向振動(dòng)減小5.8 dB，其他測(cè)試位置消振效果更優(yōu)。

圖16 加速度、相位差變化曲線

表3 消振裝置效果理論速度值/(mm·s-1)

表4 消振裝置開(kāi)啟前后測(cè)點(diǎn)的加速度振動(dòng)響應(yīng)/(mm·s-2)

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了低速機(jī)消振裝置的探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行器以及潤(rùn)滑等附屬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并針對(duì)某低速機(jī)進(jìn)行消振裝置的設(shè)計(jì)、加工、裝配和調(diào)試。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試平衡塊角度、轉(zhuǎn)速探測(cè)、跟蹤及控制策略實(shí)現(xiàn)消振效果，測(cè)試結(jié)果表明對(duì)于安裝消振裝置位置的關(guān)心頻率減振效果可以達(dá)到5.8 dB，其他位置消振效果更優(yōu)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，該裝置運(yùn)行平穩(wěn)，可根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況選擇安裝位置，安裝靈活。掌握了消振裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探測(cè)系統(tǒng)及控制策略的可靠性、執(zhí)行器的匹配性設(shè)計(jì)以及安裝位置選取等應(yīng)用技術(shù)，為后續(xù)消振裝置的上船應(yīng)用以及更大功率低速機(jī)消振裝置設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，為我國(guó)消振裝置的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。