工程船舶动力机械振动响应特性分析

沈王俊

摘要：工程船舶动力机械在作业过程中会产生剧烈的振动运动，振动产生主要由于动力机械中核心动力设备发动机内部转子运动产生的误差间隙，在传导转换作用下导致的横向与纵向的往复运动。为了减小振动运动给船舶动力机械造成的损伤，对动力机械的振动响应特性进行分析计算，从而获得最佳的振动响应数据。但是，受到工程船舶属性的特殊性影响，常规的船舶振动响应优化方法与工程船舶的振动特征匹配度存在差异，导致振动响应优化效果不理想。鉴于此，本文对工程船舶动力机械振动响应特性进行分析，以供参考。

关键词：工程船;动力机械;振动;响应特性

引言

工程船动力机械振动响应优化问题，提出工程船舶动力机械振动响应特性分析方法。通過对振动响应计算流程的描述与仿真实验的优化前后响应曲线的对比证明，完成对提出研究的设计，为工程船动力机械振动响应研究与控制，提供了新的可行性数据。

1动力机械工作状态的发动机隔振模型构建

首先，对工程船舶动力机械工作状态下的发动机隔振参量进行模型计算，具体计算步骤如下：设定船舶动力机械在运行过程中的振动转换量为固定量，则动力机械振动核心发动机的非线性隔振动力学函数为：

1.1  动力系统转子振动特性分析

完成模型构建后，根据模型反映的振动参量，对动力系统中的转子振动特性展开计算。由上述模型可以看出，在动力机械核心设备发动机做振动运动时，其实质为转子围绕核心点往复做横向与纵向运动，在平面，纵向运动的作用角为时，转子的抖动幅度最大，即振动值达到最大值

1.2  振动波动下转子齿轮咬合量修正

根据上述计算可知，在传动轴承的振动作用下，动力设备的力的传导介质齿轮间存在咬合误差。在误差耦合作用下，动力机械的振动横向与纵向振动位移会增大，最终导致动力机械振动响应降低。

2仿真实验分析

仿真测试场景运行主机1台，测试运行子机2台，VDA仿真测试工具。实验步骤设置如下：

1）  将VDA仿真测试工具导入仿真测试场景主机，运行VDA仿真测试工具。

2）  由VDA仿真测试工具模拟生成200组船舶动力机械设备运行振动数据，按照每次测试20个样本，将200组样本分为10个测试周期，振动数据参量详见表1。

3）  将划分好的测试样本分别导入测试子机1和子机2。

4）  将传统隔振控制方法与提出的隔振控制方法分别导入测试子机1和子机2。

5）  同时运行测试子机1和子机2，将测试结果反馈回仿真测试场景运行主机。

3基于刚性安装机械的激励力的间接估计

3.1  前提条件的设定

在进行基于刚性安装机器的激励力间接估计中，必须要确保估算方法的应用满足以下前提条件：第一，振动源与接收结构构成的系统可以视为线性系统展开后续处理;第二，支撑结构并不会对机械内部振动的动力特性产生影响;第三，在所关心的频段内，可以将支撑结构与机械接触部位认定为点接触。

3.2  估算的实际过程

相关人员在展开建间接估计前，需要先完成必要数据的获取。第一，在机械的实际安装前，要完测量裸基座的加速度导纳。此时，响应测量位置可以选取任意位置，但是，相关人员要注意控制响应位置的数量，确保其高于激励位置的数量。在这样的条件下，能够获取最小二乘解。在完成加速度导纳全部测量后，要将数据构成加速度导纳矩阵（用[A]表示）。第二，在机械正常运行的条件下，要对加速度相应的相对相位以及幅度展开测量。在这一过程中，响应测量位置要与上述测量中的位置相同，并将测量的响应构成响应矢量（用{a}表示）。

4优化VMD技术在动力机械状态监测系统中的应用

4.1  船舶动力机械状态的监测方法

动力机械是船舶不可或缺的组成部分之一，这是一个技术综合体，通过应用该系统，在船舶航行时，能够保持稳定的运行，需要通过相应的方法对其运行状态进行监测。常规船舶的动力机械包括发动机和液压系统，不同的动力机械监测方法有所差别。比如，发动机常用的监测方法有瞬时转速监测技术。

4.2  监测系统的设计思路

为了实现对船舶动力机械状态进行有效监测，在监测系统加入VMD功能。在开发阶段，可以充分集合模块化的设计思路，设计船体结构、机电装置通信网络、导航系统等。动力机械可以有效将各个机电一体化系统进行结合，并将状态监测功能融合到功能块中。

对于船舶动力机械状态监测系统而言，获取相关的信息源是关键环节，这里的信息源基本上都是船舶上动力机械的运行状态参数。在对监测系统进行模块化设计时，需要将一些内容监控过程模块化。监测方法是整个监测系统的核心，由于监测方法比较多，所以要划分为不同的模块，它的结构具有可变的特点，规模大小可根据实际应用需要进行调整，灵活性更强。以油液粘度监测设备为例，它本身是一个独立的装置，但却可以加入到在线油液监测模块当中。

4.3  VMD技术在监测系统中的应用

在船舶动力机械状态监测系统的开发过程中，可将VMD技术运用到系统分析当中，以此来加快求解速度，提高分析效率。在VMD技术中，可以有效改善船舶动力机械状态监测系统的有效性，对船舶的各个工作状态做到实时高效的分析，从而反馈到控制系统中，对动力系统的工作状态具有一定的约束作用。但是，在船舶的动力机械工作环境中，还包含了比较多的内容，由于本文研究的是系统开发，故仅从物理环境的角度进行分析，不考虑其他环境因素。物理环境包括现存的系统、技术标准、现有的科技水平以及自然环境等，具体分析时，可将这些约束条件转化为变分问题，借助VMD技术进行求解，从而快速得到分析结果。而在系统监测目标的分析中，重点是目标集的建立，这是一个逐级逐项对总目标进行落实的过程，所以需要先对总目标进行分解，在分解时，可以运用VMD技术，将总目标分解为多个分目标，并进行具体化、客观化，在此基础上对目标的动态过程进行确定，据此对分目标进行协调，实现并行高效监测的目标。因船舶动力机械状态监测系统的目标因素比较多，加之各个目标之间存在着非常复杂的关联性，所以很难使系统达到最优。在构建系统时，只需要运用VMD技术寻找次优解即可，无需追求最优解，以免造成计算量增大。

5实验测试

将提出设计工程船动力机械振动响应特性分析方法导入仿真测试工具中，进行振动响应性能测试。对输出的振动响应曲线同优化前的振动响应曲线进行对比，根据对比结果得出实验结论。2条振动响应曲线所对应的数据对比，可看到提出方法在工程船动力机械振动响应速度较优化前响应速度提升明显。由此足以证明提出设计的可行性与有效性。

结束语

为了保证船舶航行性能及整个控制系统的运行安全，必须对整个动力系统进行特别的设计，才能有效提高动力传输控制的稳定性和可靠性。因此，对动力机械进行监测显得尤为必要。现有的状态监测方法种类较多，方法不同监测所得的结果有所区别。为提高监测结果的准确性，可将各种监测方法融合到一起，利用模块化的思路，开发1套功能强大的监测系统，并在系统分析时，对VMD技术进行合理运用。

参考文献：

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