可控基礎激勵軸系推進實驗系統(tǒng)研究

耿瑞光，張洪田，2

(1.黑龍江工程學院機電工程學院，黑龍江哈爾濱150050)

(2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

船舶系統(tǒng)的振動問題本質(zhì)上涉及了結構振動、流固耦合等復雜多學科動力學問題.雖然現(xiàn)代仿真技術已經(jīng)廣泛應用于船舶系統(tǒng)的動力學特性研究［1－2］，但由于計算理論、計算方法及仿真模型簡化等方面的限制［3－4］，實驗研究仍然是船舶振動系統(tǒng)研究中不可或缺的重要手段［5］.

對船舶推進系統(tǒng)的實驗研究，可進行臺架試驗和現(xiàn)場實驗.現(xiàn)場實驗受限于物理原型的完備程度，實驗耗資巨大，而臺架試驗運用相似原理，對真實物理原型的結構進行相對簡化、尺寸縮小，從而減少試驗成本，是廣泛采用的實驗方法.因此，一種能反映環(huán)境激勵特征的實驗裝置［6］是船舶推進系統(tǒng)動力學特性實驗研究的關鍵.

1 實驗系統(tǒng)設計原型分析

靜水中的船體由于沿船長的重力和浮力不均衡，致使船體出現(xiàn)彎曲變形，同時波浪也會改變船體長度上浮力的分布情況，使得重力和浮力更趨不均勻，從而加劇船體的總縱彎曲.對于波長遠小于船長的波浪，在船長范圍內(nèi)將會有多個波峰和波谷出現(xiàn)，浮力分布不會產(chǎn)生明顯的變化;當波長遠大于船長，船舶只位于部分波浪長度上，浮力也無明顯變化;而當波長等于船長時，船體受彎矩作用將可能出現(xiàn)極限情況下的中垂、中拱現(xiàn)象，中垂時波峰位于船的兩端，而中拱時波谷在船的兩端［7］.船體總縱彎曲的極限情況如圖1.

圖1 船體縱向彎曲變形的極限情況Fig.1 Longitudinal bend deformation of ship hull

推進軸系會因船體變形及環(huán)境激勵而受到不同的載荷和擾動.船體變形會對軸系支承力產(chǎn)生影響，而環(huán)境激勵作用于軸系部件上的載荷也會使軸系產(chǎn)生動力學響應.

為使實驗系統(tǒng)能夠滿足推進軸系在船體極限情況下的實驗設計，并使實驗系統(tǒng)具有較大的結構靈活性，采用槳扇聯(lián)動的墊升船舶為實驗裝置的設計原型.墊升船舶是支承在彈性氣墊上的典型的柔性船體－軸系推進結構，一般由空氣螺旋槳、風機、減速箱、多軸段構成.

2 實驗系統(tǒng)設計

針對船舶振動系統(tǒng)，浮力及海浪的影響會使船舶形成一個海浪－船體－推進系統(tǒng)的彈性振動系統(tǒng).其中，浮力對船體的作用相當于作用于船體上的彈性支承，而海浪則為對柔性船體的變形影響，以及通過對船體剛性運動形成的對推進軸系的擾動.

因此，針對船舶振動系統(tǒng)有效的實驗裝置應該包括可控激勵、彈性支承、柔性基礎以及相應的推進軸系.柔性基礎采用框架結構的浮箱設計，可使基礎在支承推進系統(tǒng)的前提下，具有一定的柔度.軸系推進系統(tǒng)由變頻電機驅(qū)動，以模擬不同轉(zhuǎn)速工況下推進系統(tǒng)的運行特性.

為利用實驗系統(tǒng)對船舶推進系統(tǒng)進行進一步的動力學研究，還需要相應的參數(shù)檢測、采集和分析系統(tǒng).實驗系統(tǒng)總體布置如圖2.

圖2 實驗系統(tǒng)總體布置Fig.2 General arrangement of experiment system

2.1 彈性支承的設計

選擇空氣彈簧作為實驗臺架的彈性支承.采用空氣彈簧的氣浮裝置常見于汽車空氣懸架、鐵路機車或船舶的被動隔振系統(tǒng)［8－9］.

空氣彈簧是利用橡膠材料制成的封閉氣室中的壓縮空氣作為彈性介質(zhì)的非金屬彈簧.在彈簧的有效行程內(nèi)，振動載荷量增加，彈簧的高度降低，內(nèi)腔容積減小，彈簧的剛度增加，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積加大，彈簧的承載能力增加.振動載荷量減小時，彈簧的高度升高，內(nèi)腔容積增大，彈簧的剛度減小，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積減小，此時彈簧的承載能力減小.因此，空氣彈簧的高度、內(nèi)腔容積、承載能力可隨著振動載荷的遞增與減小發(fā)生平穩(wěn)的柔性傳遞.

如果在彈簧和附加空氣室之間加設節(jié)流孔，利用空氣的阻尼作用，則可在彈簧上載荷發(fā)生振動時，起到衰減振動的作用.

對于微幅振動的空氣彈簧，其垂向剛度K可表示為

式中:p0為囊內(nèi)壓力;pa為大氣壓;S為空氣彈簧有效承壓面積;x為垂向變形;V為空氣彈簧的容積.

則式(1)可表示為

式中:α為形狀系數(shù)，由空氣彈簧結構決定.

2.2 空氣彈簧位移控制

為達到船體靜態(tài)及動態(tài)變形情況的實驗狀態(tài)，采用空氣彈簧變形高度進行位移控制［10－11］.空氣彈簧工藝流程及控制流程包括空壓機、減壓閥、電磁閥、空氣彈簧、輔助氣缸、位移及壓力傳感器、控制電路和工控計算機.彈簧變形高度由工控機通過上位機軟件控制電磁閥開閉實現(xiàn).空氣彈簧位移控制流程如圖3.

圖3 空氣彈簧位移控制流程Fig.3 Control flow of air spring′s displacement

2.3 控制電路設計

控制電路是空氣彈簧位移控制流程中的核心系統(tǒng).控制電路包括數(shù)據(jù)采集卡、信號控制卡、位移信號采集電路、壓力信號采集電路、信號濾波電路、控制信號電路和電源等.

使用單端方式實現(xiàn)單個通道信號輸入，同時多個信號的參考地公用一個接地點.此種方式可應用在干擾不大，通道數(shù)相對較多的場合.控制電路中模擬電壓單端輸入方式如圖4，32路模擬輸入信號連接到AI0～AI31端，其公共地接到AGND端.

圖4 AD單端輸入連接方式Fig.4 Input join mode of AD endpoint

信號控制卡采用PCI2307.

圖5為位移信號采集電路.其中WS是位移傳感器，V1是12V電源，R1是精度為千分之一的精密電阻，R2，C1，C2，L1，C3 和 C4 組成濾波電路.位移傳感器工作范圍0～20 mm，通過12 V電源供電，在R1兩端輸出0～5 V的模擬電壓信號，AI0和AGND端分別與PCI8622數(shù)據(jù)采集卡AI0和AGND兩端相連，位移信號通過數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部計算以0～20 mm范圍顯示在監(jiān)控界面上.

圖5 位移信號采集電路Fig.5 Colletion circuit of displacement singals

監(jiān)控系統(tǒng)控制電磁閥的開關會造成一定的電磁干擾，信號采集時會引入這一部分誤差，影響控制精度.因此，需要對相應的信號進行濾波處理.

控制電路通過控制電磁閥的閉合來實現(xiàn)試驗臺的起伏.電磁閥采用單線控制法，即控制火線的連接和斷開來控制電磁閥的開關，電磁閥控制電路接線如圖6.其中，S是電磁閥，J是PCI2307上繼電器，監(jiān)控軟件根據(jù)目標位移與實際位移或者目標壓力與實際壓力的差值給出控制信號，通過KO0和COM0輸出到J中，以控制1和2的斷連.

2.4 控制策略

控制策略使用VB編程實現(xiàn)，控制策略通過系統(tǒng)監(jiān)控界面實現(xiàn)具體控制方案，控制策略如圖7.

圖6 電磁閥控制電路接線圖Fig.6 Conneciton of electromagnetism valve′s control circuit

圖7 控制策略Fig.7 Control strategy

3 實驗系統(tǒng)測試

3.1 基礎變形測試

對實驗系統(tǒng)進行基礎中拱變形測試.按照中拱10，20，30mm狀態(tài)，從控制界面輸入已知基礎中拱變形的變形數(shù)據(jù)，控制后的實驗系統(tǒng)基礎不同位置的變形位移實測值如圖8.由圖8可以看出，文中所建立的實驗系統(tǒng)具有良好的控制效果.

圖8 中拱軸系變形圖Fig.8 Deforming of shafting hogging

3.2 軸系振動測試

利用實驗系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測、采集和分析系統(tǒng)，進行軸系振動測試.采用加速度傳感器進行軸系振動數(shù)據(jù)采集，加速度傳感器分布于軸系各支承處，水平和垂直放置.加速度信號通過多路數(shù)據(jù)采集卡將振動信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸入工控PC，直接通過數(shù)據(jù)處理儀器進行數(shù)據(jù)分析.

基礎中拱20mm時，軸段水平振動位移如圖9.

圖9 基礎中拱時不同轉(zhuǎn)速下中間軸水平位移值Fig.9 Horizontal displacements of middle shaft when base was middle haunch-up and rotational speed was different

如需要研究滑動軸承在推進系統(tǒng)中的動力學特性，以及滑動軸承對軸系振動的影響，可將實驗系統(tǒng)中推進軸系的支承更換為滑動軸承，通過壓力傳感器測量正交的動態(tài)油膜力和軸系振動，即可開展相應實驗研究.

4 結論

以墊升船舶為設計原型的軸系推進實驗裝置，具有較好的結構靈活性.實驗裝置可采用空氣彈簧作為推進系統(tǒng)基礎的彈性支承，通過電路設計和相應的控制策略，可對彈性支承進行位移控制，實現(xiàn)裝置柔性基礎的變形和運動，從而模擬波浪對船體的激勵作用.系統(tǒng)測試證明，該實驗系統(tǒng)激勵控制效果良好，基礎變形狀態(tài)符合波浪對船舶結構的載荷影響.

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