童宗鵬，葉林昌，董佳鑫，周文建

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海201108）

隨著IMO 對于大于10 000 總噸船舶噪聲要求的提高以及對于由于主機(jī)振動引起安全性的重視，低速機(jī)作為船舶振動噪聲的主要源頭之一，由于重量和尺寸等問題，目前還沒有彈性安裝的實船案例[1]，因此，低速機(jī)減振的課題顯得尤為重要。低速柴油機(jī)不平衡力可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計予以消除，但不平衡力矩卻無法消除，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[2]。對于低速機(jī)的減振可以通過消振裝置、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)償器和電動消振裝置等[3]。蘭式補(bǔ)償器通過鏈輪與主機(jī)曲軸相連，利用兩個偏心輪的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生與主機(jī)方向相反的振動，抑制主機(jī)振動，工作運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，對于安裝位置提出了較高要求。消振裝置可獨立運行，不與柴油機(jī)發(fā)生直接或間接的傳動連接，還可根據(jù)船體振型和實際需要，安裝在船體尾部、上層建筑或柴油機(jī)基座等位置，安裝位置相對靈活且不會對柴油機(jī)工作運行產(chǎn)生有害影響[4]。國外的消振裝置基本是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，但未考慮國內(nèi)船舶艙室的實際布置情況，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，但在實際運行過程中存在其它階次頻率超標(biāo)的問題且較難有效地控制；目前，國內(nèi)還沒有實船應(yīng)用的消振裝置，所以有必要開展提升消振效果、掌握消振裝置設(shè)計方法以及安裝應(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)到國外消振裝置的減振效果為目標(biāo)，解決國內(nèi)低速機(jī)消振裝置進(jìn)口問題，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計和實船應(yīng)用提供技術(shù)支撐，還可以有效降低國內(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)計與應(yīng)用，對于該裝置應(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)的消振裝置是通過輸入一個與柴油機(jī)不平衡力矩大小相等、但作用方向相反的附加力矩來實現(xiàn)對不平衡力矩的抵消，從而實現(xiàn)消振的目的[5]。

消振裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動和同步皮帶傳動，帶動偏心塊持續(xù)運轉(zhuǎn)，用于輸出平衡力矩的偏心塊有兩組，采用對稱布置。運轉(zhuǎn)時，兩組偏心塊反向運轉(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)二次振動頻率相同，再通過加減速使得輸出力的相位與二次振動的相位保持相反實現(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

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)目標(biāo)輸入開展信號探測分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器方案設(shè)計，并對各方案進(jìn)行對比分析，確定優(yōu)化方案，進(jìn)而開展各部分的詳細(xì)設(shè)計，對樣機(jī)加工組裝，開展臺架試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對消振裝置各部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，總體設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)消振裝置總體設(shè)計流程圖

2.2 探測系統(tǒng)

探測系統(tǒng)將采集的脈沖信號進(jìn)行處理和分析，得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動相位等參數(shù)，一般在主機(jī)齒盤上方分布有三個探頭，一個用來拾取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和相位信號，兩個用來拾取轉(zhuǎn)向信號，圖3給出了分布示意圖。

圖3 主機(jī)探測系統(tǒng)示意圖

圖中帶齒輪的圓盤為柴油機(jī)輸出端齒盤，通過標(biāo)號3 位置可以測得柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號，結(jié)合時域計算可以拾取柴油機(jī)相位信號。標(biāo)號1 和標(biāo)號2 指的是探測系統(tǒng)的另外兩個探頭，可以拾取柴油機(jī)運轉(zhuǎn)時的脈沖上下沿信號。通過脈沖上下沿出現(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、報警和緊急停機(jī)單元等部分組成。同步單元利用合理的計算程序和邏輯控制程序?qū)Σ杉妮斎胄盘柦?jīng)過計算分析并輸出有效的輸出控制信號。執(zhí)行器單元可以完成反饋信號輸出到同步單元并且接收由同步單元分析計算后發(fā)出的控制信號，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)測的界面，監(jiān)測到控制參數(shù)異常將啟動報警裝置。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)速控制信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時分析柴油機(jī)和執(zhí)行器相位差信號并實時調(diào)節(jié)電機(jī)。采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、相位信號經(jīng)過處理器后和消振裝置反饋的信號進(jìn)行比較和計算分析，發(fā)出信號至消振裝置，通過調(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

通過內(nèi)部的兩組偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反向振動，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、軸承等運動件整體封裝在殼體內(nèi)，驅(qū)動電機(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)行器配備絕對值編碼器的伺服電機(jī)可以將轉(zhuǎn)速和相位信號反饋給控制系統(tǒng)；執(zhí)行器上加裝一個探頭以保證轉(zhuǎn)速和相位信號的實時反饋。電機(jī)與兩組偏心塊的傳動靠同步皮帶+齒輪嚙合實現(xiàn)。第一組偏心塊與電機(jī)之間采用同步皮帶傳動，第二組偏心塊與第一組偏心塊之間采用齒輪嚙合傳動。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，可同時輸出垂向力和橫向力，兩組偏心輪傳動軸兩端均采用調(diào)心軸承，在兩組偏心輪上端有換向齒輪箱，通過換向齒輪箱內(nèi)的齒輪嚙合實現(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

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

除了探測系統(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)計等。

3 案例介紹

以6S35MEB9 低速機(jī)為消振對象，開展低階振動線譜控制，主要針對振型為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，轉(zhuǎn)速越高，輸出力越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，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，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，輸出的偏心量減小至約為零，圖10給出的兩個偏心塊夾角為0°。

消振裝置的執(zhí)行器主要由殼體、偏心塊、傳動裝置組成，監(jiān)測系統(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)獨立驅(qū)動，控制器采用D410同步單元，同步齒形皮帶設(shè)計轉(zhuǎn)速3 300 r/min，兩級減速，減速比4.2（1.5×2.8），傳動系統(tǒng)采用一對相同的斜齒輪嚙合傳動實現(xiàn)兩組偏心輪同步反轉(zhuǎn)，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)當(dāng)前設(shè)計參數(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 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

傳動齒輪箱采用分體式構(gòu)造，包括上、下箱體，內(nèi)部安裝的兩根傳動軸平行布置，每根軸中間位置安裝一個傳動斜齒輪，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，采用油封完成動密封，必要時也可以在蓋板上加裝靜密封元件，圖11給出了傳動齒輪箱示意圖。

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)部共有四個偏心輪，每兩個偏心輪為一組，在每根軸上分別各有一組偏心輪，通過調(diào)整一對偏心輪的角度實現(xiàn)調(diào)偏心量輸出的目的。

圖11 傳動齒輪箱示意圖

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件外購件（含電機(jī)、皮帶、密封件以及緊固連接件等），實物外形圖如圖13所示。

圖13 消振裝置實物圖

4 消振裝置配機(jī)試驗

測點布置：主測點布置在消振裝置安裝過渡板上，另在柴油機(jī)自由端、機(jī)體頂層支撐架中部、柴油機(jī)飛輪端各布置一個監(jiān)測點，測點如下表2，布置圖見圖14。

表2 測點位置說明

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。安裝過渡板通過34個M10的螺釘與柴油機(jī)支撐架連接，消振裝置通過8個M24螺釘與安裝過渡板相連。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個齒，傳感器通過安裝過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)旁的一個平臺上，該平臺不與柴油機(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 測試系統(tǒng)，測試現(xiàn)場圖如圖15所示。

圖15 配機(jī)試驗振動測試現(xiàn)場

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°，直至累計增加36 次，如圖16所示，找到最佳相位點（255°）后消振裝置運行1 小時，監(jiān)測點1處的振動效果未發(fā)生改變。

表3測試結(jié)果表明測量值與理論計算值相差較小，且略大于計算值，符合試驗預(yù)期。

表4為消振裝置開啟前后不同測點位置的振動響應(yīng)加速度，同時給出了實測結(jié)果與柴油機(jī)開啟數(shù)據(jù)的比較。

表4測試結(jié)果表明該型號柴油機(jī)通過在3 層支撐平臺安裝消振裝置，其在安裝位置的水平方向振動減小5.8 dB，其他測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 消振裝置開啟前后測點的加速度振動響應(yīng)/(mm·s-2)

5 結(jié)語

本文主要研究了低速機(jī)消振裝置的探測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行器以及潤滑等附屬系統(tǒng)的設(shè)計，并針對某低速機(jī)進(jìn)行消振裝置的設(shè)計、加工、裝配和調(diào)試。在實驗室進(jìn)行配機(jī)試驗，通過現(xiàn)場調(diào)試平衡塊角度、轉(zhuǎn)速探測、跟蹤及控制策略實現(xiàn)消振效果，測試結(jié)果表明對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)計要求，該裝置運行平穩(wěn)，可根據(jù)機(jī)組的實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、探測系統(tǒng)及控制策略的可靠性、執(zhí)行器的匹配性設(shè)計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)計提供技術(shù)參考，為我國消振裝置的國產(chǎn)化應(yīng)用提供經(jīng)驗。