基于船用柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)主動(dòng)控制分析

馬金峰

摘要：由于船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的振動(dòng)對(duì)船體機(jī)構(gòu)安全有著直接的影響，還會(huì)對(duì)相關(guān)的設(shè)備與儀表等正常運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生影響，與此同時(shí)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和危害。因此，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的控制是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于過去的被動(dòng)隔振不能對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行隔離，而且隔振裝置一旦確定后，它的特性參數(shù)也會(huì)隨之確定，例如剛度、阻尼等，導(dǎo)致不能對(duì)設(shè)備環(huán)境狀態(tài)的變化進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)主動(dòng)控制;概況及現(xiàn)狀;原因及危害

0 ?引言

柴油發(fā)電機(jī)組作為船舶的主要振動(dòng)噪聲源之一，為有效對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)降低其相應(yīng)的輻射噪聲，通常采用浮筏隔振技術(shù)措施。由于目前柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組在船舶上逐漸被廣泛應(yīng)用，柴油發(fā)電機(jī)組不光是為船舶提供船電的機(jī)組外，還被越來越多的應(yīng)用于電力推進(jìn)。由于柴油發(fā)電機(jī)組具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以利用全或者半電力推進(jìn)數(shù)千噸以上的船舶，尤其是均用艦船推進(jìn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展[1]。

1 ?發(fā)電機(jī)組的主動(dòng)控制的概述及優(yōu)缺點(diǎn)

主動(dòng)控制是指結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制要根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或者環(huán)境干擾，利用現(xiàn)代控制理論的主動(dòng)控制算法在精確的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和決策最優(yōu)控制力，最終促使作動(dòng)器在較大的外部能量輸入下達(dá)到最優(yōu)的控制力。主動(dòng)控制的主要特點(diǎn)是一種需要額外能量的新型控制技術(shù)，主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的主要區(qū)別在于是否有額外的能量消耗[2]。而主動(dòng)控制對(duì)提高建筑物具有抵抗不確定性地面運(yùn)動(dòng)，能夠減少相應(yīng)輸入的干擾力，或是在地震發(fā)生時(shí)可以通過自身對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行自行調(diào)整的特征等相應(yīng)能力，尤其是在結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的處理時(shí)，其具有的良好控制效果，與被動(dòng)控制相比，主動(dòng)控制的控制效果更為顯著。但是，由于主動(dòng)控制在實(shí)際應(yīng)用的價(jià)格較為昂貴，也會(huì)存在與其他控制理論相似的問題，導(dǎo)致控制技術(shù)的復(fù)雜、造價(jià)高、維護(hù)要求較高。

2 ?主動(dòng)振動(dòng)控制中控制器的相關(guān)研究

控制器作為主動(dòng)控制當(dāng)中的一個(gè)主要研究內(nèi)容。通過利用不同的控制技術(shù)和控制算法對(duì)控制器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。在某種程度上，根據(jù)不同的環(huán)境因素或是精度要求下決定控制對(duì)象的控制效果。從當(dāng)前主動(dòng)控制的應(yīng)用中可以看出，控制器的設(shè)計(jì)方法主要有：獨(dú)立模態(tài)空間控制、直接輸出反饋、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制以及模糊控制等。例如獨(dú)立模態(tài)空間控制是指把系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的方程從物理坐標(biāo)系線性逐漸轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)系，通過各模態(tài)耦合的物理坐標(biāo)在模態(tài)坐標(biāo)系中表示的模態(tài)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換過程，促使其能夠達(dá)到解耦的目的。在控制方程過程中，將解一個(gè)復(fù)雜的高階微分方程問題逐漸轉(zhuǎn)換成解多個(gè)低階微分方程的問題。而復(fù)雜結(jié)構(gòu)就要對(duì)模態(tài)進(jìn)行截?cái)?，?dǎo)致剩余模態(tài)的溢出。

3 ?主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)的研究概況及現(xiàn)狀

振動(dòng)主動(dòng)控制作為主動(dòng)控制技術(shù)在振動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用，主要包括開環(huán)和閉環(huán)兩類控制。開環(huán)控制又被稱為程序控制，主要是針對(duì)其中的控制率，而控制率是提前按照規(guī)定預(yù)先設(shè)計(jì)好的，但是和受控對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)沒有任何關(guān)系。閉環(huán)控制中的控制器是按受控對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)主要針對(duì)反饋信息而進(jìn)行相應(yīng)工作。當(dāng)前閉環(huán)控制屬于應(yīng)用最多且最為廣泛的控制方式。振動(dòng)閉環(huán)控制是受控對(duì)象隨著振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的外加控制，不斷滿足預(yù)定的振動(dòng)要求。總體來說，就是在受控對(duì)象上安裝相應(yīng)的傳感器，通過傳感器對(duì)振動(dòng)進(jìn)行感受，利用傳感器的信號(hào)在傳播過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛髠魉椭量刂破?，控制器按照所需發(fā)出相應(yīng)的控制律，其輸出是作動(dòng)器的主要?jiǎng)幼髦噶睿鲃?dòng)器還有附加子系統(tǒng)或者直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行施加，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)振動(dòng)控制體系。由于振動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)中還存在兩大類的問題，分別是動(dòng)力響應(yīng)的主動(dòng)控制和動(dòng)穩(wěn)定性的主動(dòng)控制。像動(dòng)力響應(yīng)的主動(dòng)控制是控制在特定外界干擾作用下受控對(duì)象的相應(yīng)，促使其可以達(dá)到預(yù)期的效果要求。使用方法通常為直接法或間接法，直接法是將受控對(duì)象的響應(yīng)力作為設(shè)計(jì)控制律的主要目標(biāo)，而間接法是利用控制模態(tài)參數(shù)（模態(tài)阻尼、振型、模態(tài)頻率等）實(shí)現(xiàn)控制的主要目的。間接法是控制受控對(duì)象所有階段模態(tài)的穩(wěn)定程度，例如可以使原來并不穩(wěn)定的模態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的模態(tài)，或者是使原來較為穩(wěn)定的模態(tài)根據(jù)要求的穩(wěn)定裕度。

由于近年來振動(dòng)主動(dòng)控制的研究讓越來越多從事力學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制以及材料等相關(guān)的科學(xué)研究人員對(duì)此進(jìn)行展開有關(guān)研究工作，研究的核心問題是加強(qiáng)提高結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼與相對(duì)減小對(duì)于外界的干擾響應(yīng)。通過利用材料的壓電、形狀機(jī)翼等獨(dú)有特性的靈巧靈巧原件的應(yīng)用和出現(xiàn)，也為新型的作動(dòng)器創(chuàng)新了新的途徑。此外主動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了，主動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是把結(jié)構(gòu)當(dāng)中受力元件和作動(dòng)器的元件進(jìn)行融合，將兩者合二為一，不僅能夠促使結(jié)構(gòu)更加的緊湊，還會(huì)使其重量有所減輕。近年來，不但智能結(jié)構(gòu)逐漸被廣泛應(yīng)用，就連神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都在震動(dòng)主動(dòng)控制當(dāng)中被大量采用。由于利用大量的簡單非線性單元寬泛鏈接成為較為復(fù)雜的非線性網(wǎng)絡(luò)，這是人們?yōu)榱藢?duì)人腦進(jìn)行功能模擬所提出來的。然而利用圣經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、智能性以及魯棒性等都有良好的成效。對(duì)于當(dāng)前來說，研究最多的是具有反向傳播模型或是Hopfield模型的多層網(wǎng)絡(luò)都是屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

振動(dòng)主動(dòng)控制的核心問題主要是研究控制器設(shè)計(jì)。 經(jīng)常用到的控制器設(shè)計(jì)方法包括有基于現(xiàn)代控制理論的極點(diǎn)配置法，直接輸出反饋、自適應(yīng)控制、魯棒控制、自學(xué)習(xí)控制等。由于振動(dòng)問題的不同特點(diǎn)，相關(guān)力學(xué)研究者提出了區(qū)別于傳統(tǒng)控制理論的模態(tài)空間控制理論，其中在目前振動(dòng)控制領(lǐng)域里被廣泛應(yīng)用的一個(gè)主流方法是獨(dú)立模態(tài)控制法。在控制器設(shè)計(jì)相關(guān)的過程中，有關(guān)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問題又受到研究者的重視。例如，模型降階的問題。首先模型降階的主要目的是將高階模型轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A模型，對(duì)設(shè)計(jì)的計(jì)算量相應(yīng)減少一些，使控制器的結(jié)構(gòu)也簡單化，并且有利于實(shí)現(xiàn)控制算法。然而最為簡單的降階方法就是模態(tài)截?cái)?，其主要特點(diǎn)是只保留控制頻段以內(nèi)的低階模態(tài)，直接忽視對(duì)于高階模態(tài)所造成的影響。

4 ?柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題的產(chǎn)生原因及危害

由于機(jī)械在振動(dòng)過程中通常會(huì)造成軸承的嚴(yán)重磨損、機(jī)件裂紋現(xiàn)象的形成、緊固件松弛、結(jié)構(gòu)和機(jī)械的不同程度破壞、機(jī)械設(shè)備進(jìn)行頻繁的維修等情況，從而還會(huì)產(chǎn)生高額的費(fèi)用、絕緣材料磨損導(dǎo)致的短路現(xiàn)象以及焊點(diǎn)破裂發(fā)生的電路故障等。工作人員在振動(dòng)環(huán)境中長時(shí)間的進(jìn)行相應(yīng)工作，往往會(huì)出現(xiàn)身體不適或者感到疼痛，導(dǎo)致工作效率逐漸下降[3]。然而，造成振動(dòng)問題的主要產(chǎn)生原因是：

一是由于修理、安裝時(shí)存在精度差，導(dǎo)致修理過程中在更換運(yùn)動(dòng)件時(shí)忽視了質(zhì)量及間隙的因素，促使電機(jī)與柴油機(jī)中線進(jìn)行調(diào)整時(shí)不符合有關(guān)規(guī)范或是在調(diào)整中線過程時(shí)墊片的不合理使用;

二是對(duì)于連接剛度不足的機(jī)組基座過于單薄，造成支撐強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致基座和機(jī)座間的墊片連接不牢固，螺絲容易松動(dòng)，機(jī)座結(jié)構(gòu)缺少相應(yīng)的剛度;

三是由于聯(lián)軸節(jié)存在缺陷齒輪式聯(lián)軸器不停的進(jìn)行運(yùn)行，造成齒輪的齒厚和齒隙因磨損不均，使齒面出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，或者彈性柱銷聯(lián)軸器長期進(jìn)行運(yùn)行，彈性膠失去自身彈性逐漸老化、變形以及磨損脫落，連接膠座孔也出現(xiàn)不同程度的磨損變形，連接螺絲發(fā)生折斷。而剛性聯(lián)軸器平面跳動(dòng)過大，使端面和軸中心沒能達(dá)成垂直;

四是由于機(jī)械自身具有缺陷存在，在長時(shí)間的運(yùn)行使用過程，對(duì)相應(yīng)機(jī)械缺乏定期保養(yǎng)，運(yùn)動(dòng)副的間隙較大，造成運(yùn)動(dòng)件的過度損壞，形成不平衡的質(zhì)量，在運(yùn)行運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生不平衡力。

5 ?發(fā)電機(jī)組隔振原理及方法

隔振原理是把相應(yīng)的機(jī)械或者儀器安裝在彈性裝置的適當(dāng)位置上來實(shí)現(xiàn)隔離振動(dòng)的主要措施。柴油機(jī)主要用于船上的發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)的隔振方法主要有積極隔振方法和消極隔振方法。積極隔振是為了減少周圍儀器、機(jī)器等設(shè)備基礎(chǔ)的振動(dòng)，往往是在設(shè)備和基礎(chǔ)間通過加墊彈簧、軟木、橡膠或者減振元件等方式，避免振動(dòng)造成配件間的過大摩擦。使它與支承隔離開，有利于減小對(duì)支承上的不平衡力，而這種隔離機(jī)械時(shí)產(chǎn)生的干擾動(dòng)力逐漸減少對(duì)于基礎(chǔ)的影響隔振方式被稱之為積極隔振或者主動(dòng)隔振。例如發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、鍛錘機(jī)械等的隔振。而消極隔振是對(duì)于振源來自支承振動(dòng)的情況，將需要進(jìn)行隔振的物體與振源保持相對(duì)較遠(yuǎn)的距離，進(jìn)行隔離分開，為使降低外界振動(dòng)傳到系統(tǒng)當(dāng)中，將系統(tǒng)安裝在一個(gè)隔振臺(tái)座上，促使其和地基之間隔開一定的距離，有效防止或者減少周圍振動(dòng)對(duì)于機(jī)械的影響，而且必須將支承和機(jī)械隔離，這種振動(dòng)方式被稱為動(dòng)隔振或者消極隔振[4]。例如精密儀器的安裝、車輛的乘坐、環(huán)境運(yùn)輸?shù)陌b等振動(dòng)，由于消極隔振等于隔振后機(jī)器設(shè)備的振幅除以支承運(yùn)動(dòng)的振幅，因此，隔振系數(shù)越小代表隔振效果越好。

而隔振方法在選擇和設(shè)計(jì)的過程中，首先要確定好系統(tǒng)固有的頻率之后，再根據(jù)隔振系統(tǒng)的相應(yīng)重量和壓縮量所需的計(jì)算隔振器的數(shù)量與剛度，通過這一系列的準(zhǔn)備工作后進(jìn)行選擇最為合適的隔振器裝置?？傮w來說，為了可以達(dá)到隔振的主要目的，隔振的材料或者隔振器還要符合相應(yīng)的要求。例如，第一選取承載力較大，強(qiáng)度相對(duì)高，阻尼適當(dāng);第二選取彈性性能良好且剛度較低的;第三選取耐久性良好、性能比較穩(wěn)定，對(duì)外界的溫度、濕度等干擾因素影響較小的，不會(huì)隨著外界因素的改變而使自身性能發(fā)生較大的改變;第四選取容易且方便的材料;第五選取抗酸、油、堿等侵蝕能力較強(qiáng)的;第六選取有利于更換、加工制作以及維修的。由于隔振器材和隔振器的種類較為繁多，每種類型的隔振器也都有其自身的性能特點(diǎn)，所以要根據(jù)不同需求進(jìn)行合理的選取相應(yīng)隔振器。

6 ?結(jié)束語

綜上所述，柴油發(fā)電機(jī)組作為獨(dú)立并且非連續(xù)運(yùn)行發(fā)電的設(shè)備。因此，要做好日常相應(yīng)的保養(yǎng)工作，同時(shí)也對(duì)常見的故障問題原因及相應(yīng)的解決方案進(jìn)行掌握，確保柴油發(fā)電機(jī)組可以在任意工況發(fā)揮顯著的作用。

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