馬天帥，劉 赟 ，王 燁

（1. 海軍裝備采購中心，北京 100071；2. 上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引言

隨著推進電機、變頻調(diào)速技術及船舶綜合電力系統(tǒng)設計技術的發(fā)展，電力推進系統(tǒng)在各類船舶中得到廣泛應用[1]。舵槳電機系統(tǒng)的承載結(jié)構(gòu)屬于級-級傳遞形式，一般由電機、電機基座、舵槳基座、傳動軸系、螺旋槳等部件組成，在運行過程中會產(chǎn)生復雜的振動激勵，主要包括：電機槽頻激勵、電機軸頻、極頻激勵和螺旋槳激勵等[2]。這些激勵使得舵槳電機系統(tǒng)在運行過程中易出現(xiàn)振動故障，而作業(yè)過程中若無有的效故障定性和處理方法，便會經(jīng)常出現(xiàn)誤判導致重復檢修[3]。

某打撈船在航行過程中發(fā)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)中的立式電機振動過大，脫開電機與舵槳的連接后，振動情況稍有好轉(zhuǎn)；復裝后在電機4角安裝了彈性吊架，電機振動無明顯改善。為了改變結(jié)構(gòu)的共振頻率，在舵槳座空檔里增加配重，復測顯示減振效果不明顯。

為了找出振動故障的根本原因，本文對舵漿電機系統(tǒng)進行振動測量，經(jīng)過振動位移傳遞分析發(fā)現(xiàn)電機-基座系統(tǒng)存在一對重根模態(tài)。對振動傳遞路徑做靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)電機振動的能量主要來源于自身的電磁振動。電機振動過大的主要原因在于電機-基座結(jié)構(gòu)在17 Hz附近存在重根模態(tài)，且與電機的電磁振動頻率發(fā)生共振。對基座開展優(yōu)化設計以改變電機-基座系統(tǒng)的共振頻率，使得振動故障得到有效解決。

1 故障診斷及分析

1.1 模型的數(shù)理表述

當電機運轉(zhuǎn)時，在其自身慣性力和外部激勵的共同作用下，外部激勵的某階激勵頻率與電機的某階固有頻率接近或相等且激勵力足夠大時，電機易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而嚴重地影響電機的工作穩(wěn)定性[4]。以往舵槳推進系統(tǒng)中電機或舵槳的基座設計很難全部避開復雜的振動激勵，結(jié)構(gòu)中存在的重根模態(tài)對振動特性的影響也容易被忽視[5]。

立式電機的基座是圓柱結(jié)構(gòu)（見圖1），可以簡化為1個長L、壁厚h的圓柱殼體，單位面積質(zhì)量，抗彎剛度E為材料的彈性模量，μ為泊松系數(shù)。在不考慮軸向拉力的情況下，圓柱殼體的徑向自由振動微分方程為

式中：W(x,t)為振動的任意瞬時，從平衡位置量起的殼體徑向位移；k為等效剛度，k＝Eh/R2；R為殼體的平均半徑，m。

方程（1）的通解表示為

為相應于第j個主振型的殼體的位移，將式（3）帶入方程（1），可得式（4）、式（5）

式中：ωj為殼體徑向振動的第j階固有頻率，Hz。

由式（5）可得殼體固有頻率表達式

對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，可能存在模態(tài)頻率相同或接近、模態(tài)振型也相同的現(xiàn)象，但振型之間存在一定的角度差[6]。基于本文的研究對象，基座船長方向與船寬方向的開孔大小不一致，電機附屬的冷卻水箱對整體造成偏心位移。這些特征在一定程度上破壞了結(jié)構(gòu)的軸對稱性，初步分析系統(tǒng)可能存在略有頻差的重根模態(tài)頻率[7]。

圖1 振動測試測點示意圖

1.2 實時振動測量

為了找出振動故障的根本原因，進一步降低電機振動并驗證電機基座結(jié)構(gòu)是否存在重根模態(tài)。利用力錘（B&K2302）、加速度傳感器（B&K4326）、數(shù)據(jù)采集前端（B&K3160）、振動測量及后處理軟件（PLUSE20），分別測試了電機頂部到舵槳座、電機基座、電機機體的振動傳遞函數(shù)（見圖2）。

圖2 振動傳遞函數(shù)曲線

力錘敲擊電機頂部時，電機機體、電機基座振動傳遞函數(shù)均出現(xiàn)17 Hz的共振峰，但共振峰未在舵槳座的振動傳遞函數(shù)曲線中出現(xiàn)。進一步可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在船寬和船長方向17 Hz附近（船寬方向為16.5 Hz，船長方向為17.5 Hz）均存在共振峰。

1.3 振動位移傳遞分析

由于測試條件有限，并未直接開展模態(tài)測試，而是至上而下依次測量了4點（圖3中的A點、B點、C點、D點）的振動速度（見圖3），并據(jù)此轉(zhuǎn)化為振型圖。

圖3 振動-位移圖示意圖

根據(jù)船長方向的振動位移傳遞值分析，振動速度至電機頂部往船體基座方向逐漸減小，且模態(tài)振型節(jié)點出現(xiàn)在電機基座的位置。系統(tǒng)在船寬方向的振型與船長方向相同，振型間存在 90°的角度偏差，通過以上2點可推斷電機-基座系統(tǒng)在17 Hz附近存在一對重根模態(tài)。而舵槳系統(tǒng)運行時的振動測試結(jié)果表明，電機在 245 r/min～2 73 r/min時振動最大，對應頻率范圍為16.3 Hz～18.2 Hz，這與結(jié)構(gòu)的共振頻率吻合。由此可知，較大的電機振動是由運行時產(chǎn)生的激勵與電機-基座系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振導致的。

2 傳遞路徑靈敏度分析

2.1 傳遞路徑分析

結(jié)構(gòu)共振問題導致振動故障一般需滿足2個條件[8]：1）結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率與激勵頻率相吻合；2）激勵源在該頻率下能夠提供足夠的能量輸入。

在明確了故障原因的基礎上，還需找出激勵源，由此開始逐步排查電機與外部的連接關系（見圖 4）。

電機通過傳動軸系與螺旋槳連接；電機基座通過螺栓與舵槳座連接；舵槳座使用螺栓與船體連接。

圖4 連接關系

電機與冷卻水箱剛性連接，冷卻水箱與外部冷卻水管剛性連接；電機與電箱剛性連接，電箱與傳輸電纜剛性連接；電機頂部使用彈性吊架與船體強結(jié)構(gòu)連接，其中吊架為發(fā)生故障后安裝，非主要傳遞路徑。

2.2 靈敏度分析

采用振動實時測量技術，將傳感器布置在電機頂部，使用力錘依次敲擊圖4連接路徑中的冷卻管系、船體強結(jié)構(gòu)、花鋼板、舵槳座和螺旋槳傳遞軸等位置，對各條傳遞路徑作靈敏度分析[9]。測試中發(fā)現(xiàn)各條傳遞路徑的振動曲線均出現(xiàn)了17 Hz的峰值，其中敲擊舵槳座、船體強結(jié)構(gòu)時未出現(xiàn)明顯峰值，敲擊花鋼板、電纜、冷卻水管時振動異常明顯（見圖5）。

花鋼板-電纜-電機是 1條重要的傳遞路徑，花鋼板的能量可能來自于周圍管系、電氣設備，但此路的能量對于電機而言不是持續(xù)性輸入。

圖5 靈敏度分析

脫開舵槳與電機的連接，單獨運轉(zhuǎn)電機時振動情況稍有好轉(zhuǎn)，說明舵槳的激勵對電機振動有能量貢獻，但不是決定性的。電機轉(zhuǎn)速在900 r/min時，電磁振動頻率為 45.6 Hz，對應舵槳轉(zhuǎn)速為316 r/min；電機轉(zhuǎn)速為700 r/min時，對應舵槳轉(zhuǎn)速為245 r/min，電磁振動頻率為35 Hz。17.5 Hz是其半頻與共振頻率的吻合處，說明電機自身存在該頻率的激勵。綜上可知，電機振動的能量主要來源于自身的電磁振動。由此可以判定，電機振動過大的主要原因在于電機-基座結(jié)構(gòu)在17 Hz附近存在重根模態(tài)，且與電機的電磁振動頻率發(fā)生共振。為了從根本上解決故障，后續(xù)措施應圍繞改變結(jié)構(gòu)模態(tài)展開。

3 優(yōu)化與驗證

3.1 優(yōu)化迭代

基座作為艦船裝置系統(tǒng)與船體間必備的連接結(jié)構(gòu)，主要功能是承載設備重量和過渡工藝連接。通常使用鋼質(zhì)基座，質(zhì)量較大，阻尼系數(shù)較小，振動抑制能力較差[10]。在SolidWorks中對基座結(jié)構(gòu)的局部特征進行修改，并在Patran中對修改后的模型進行模態(tài)分析，使電機-基座系統(tǒng)的一對重根模態(tài)頻率避開17 Hz和34 Hz。經(jīng)過多次優(yōu)化迭代后，發(fā)現(xiàn)面板和底板的內(nèi)徑縮小、外徑擴大，面板、側(cè)板、底板以及內(nèi)部輻射筋板的厚度增加，面板下方焊接環(huán)型筋板的模型綜合效果最佳（見圖 6）。

在Patran中模型參數(shù)設置如下：基座材質(zhì)為碳鋼，彈性模量2×1011Pa，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3。用帶有轉(zhuǎn)動慣量信息的質(zhì)量點模擬電機，對基座的裙邊施加三向約束，并選擇 Block Lanzos方法提取原始模型和優(yōu)化模型的前2階彈性體固有頻率和模態(tài)振型（見圖7）。

基座結(jié)構(gòu)加強后，系統(tǒng)的一對重根模態(tài)（一階模態(tài)和二階模態(tài)）整體提高了11.8 Hz，避開了激勵頻率的2倍頻。此外，可以發(fā)現(xiàn)模態(tài)振型整體偏轉(zhuǎn)了90°。

圖6 結(jié)構(gòu)加強后的底座實物圖

圖7 優(yōu)化后基座模態(tài)振型圖

3.2 復測驗證

待基座更換完備后，再次進行振動測試，得到210 r/min、250 r/min以及270 r/min時電機頂部振動的速度（見圖8），高轉(zhuǎn)速下的電機振動速度約為8 mm/s，處于正常水平。

圖8 改進后振動速度頻譜曲線

電機的最大振動頻率與電機轉(zhuǎn)速息息相關，為電機轉(zhuǎn)頻的4倍。由此可以判斷，此時的振動屬于強迫振動，是由電機自身的機械振動導致的。電機基座優(yōu)化后，電機頂部的振動速度從22 mm/s降低至8 mm/s，說明共振問題已得到解決。

4 結(jié)論

將有限元法與振動實測技術相結(jié)合，有效解決舵槳電機的振動故障，研究表明：

1）測試條件有限的情況下，可使用振動位移傳遞值分析技術推導出結(jié)構(gòu)的基礎模態(tài)振型，協(xié)助故障問題的解決。

2）進行舵槳系統(tǒng)振動故障分析時，可將復雜的系統(tǒng)拆分成幾個子系統(tǒng)，分別考慮各由子系統(tǒng)是否與激勵源間存在共振現(xiàn)象。通過傳遞路徑靈敏度分析，可以找出能量的激勵來源。

3）在電機基座的設計優(yōu)化過程中，需要對結(jié)構(gòu)強度和系統(tǒng)模態(tài)進行驗證校核，避免與激勵源產(chǎn)生共振。對于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)而言，尤其需要注意結(jié)構(gòu)是否存在重根模態(tài)，且在各主振方向上都需避開共振頻帶。

4）對立式電機、全回轉(zhuǎn)舵槳推進器等結(jié)構(gòu)的設計與安裝以及類似振動故障問題的解決，具有一定指導意義。