船舶主机设备振动智能控制方法.pdf

第45卷第2 1期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023船舶主机设备振动智能控制方法肖青青，朱锐（长江大学文理学院，湖北荆州4340 2 0）摘要：为了避免振动对船舶安全稳定运行的消极影响，研究船舶主机设备振动智能控制方法。采用节点导入有限元建模方法构建主机设备有限元模型，获取主机设备运行情况以及振动详细数据，引入由互相对称的2 组偏心质量块式电力作动机构形成的电力作动器，采用伺服三环控制对主机设备振动控制作动器进行环路设计，通过电机主动轮启动偏心质量块，同时调整偏心质量块的位置，实现消振力控制输出，完成主机设备振动智能控制。实验证明，该方法可以实现船舶主机设备模型的建立，可视化展现主机设备电磁性能、振动和热特性等，并有效控制船舶主机设备的振动幅度，其中控制后的船舶发电机的振动等级达到优等级。关键词：船舶主机设备；振动控制；偏心质量块；振动幅度；消振力中图分类号：TB535文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 144-0 4Intelligent control method for vibration of ship main equipment(Yangtze University College of Arts and Sciences,Jingzhou 434020,China)Abstract:Research on intelligent vibration control methods for ship main equipment to avoid the negative impact ofvibration on the safe and stable operation of ships.Using the node import finite element modeling method to construct a fi-nite element model of the ships main equipment,obtain detailed data on the operation and vibration of the ships main equip-ment,and introduce an electric actuator formed by two sets of symmetrical eccentric mass block electric actuators.A servothree loop control is used to design the vibration control actuator of the ships main equipment,and the eccentric mass blockis activated by the motor driving wheel,Simultaneously adjust the position of the eccentric mass block to achieve vibrationreduction force control output and achieve intelligent vibration control of the ships main equipment.Experiments haveshown that this method can establish a model of ship main equipment,visually display the electromagnetic performance,vi-bration,and thermal characteristics of the main equipment,and effectively control the vibration amplitude of the ship mainequipment.The vibration level of the controlled ship generator reaches the optimal level.Key words:ships main equipment;vibration control;eccentric mass block;vibration amplitude;damping force0引言船舶主机设备是船舶的核心，其正常运作对于船舶运行和安全性至关重要。而船舶主机设备振动对这些系统都会产生影响!，传统的控制方法对设备振动的中心点无法精准定位，因此，需要对船舶主机设备的振动进行有效的控制和管理，以确保船舶的安全和稳定运行。杨俊等2 提出船舶推进轴系振动控制方法，但该方收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 9基金项目：湖北省教育厅科学研究计划指导性项目(B2018416)作者简介：肖青青（19 8 4），女，硕士，讲师，研究方向为智能控制技术。文献标识码：AXIAO Qing-qing,ZHU Ruidoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.026法在不同的设备特性和环境条件下，无法进行灵活的调节和控制，减震效果一般。谢溪凌等3 提出船舶动力与传动装置振动控制方法，但该方法对低频率振动有控制效果，对中频和高频的振动达不到控制效果。随着人工智能技术的高速发展，智能控制对设备能够进行更加精准地控制，在船舶主机设备振动控制领域，可以利用智能技术对设备的振动进行监测、分析和控制。为此，本文研究船舶主机设备振动智能控制方法，可以更精准，更快速地实现设备振动检测。第45卷1船舶主机设备振动控制方法针对现有船舶主机设备振动控制方法，在实际应用中出现的问题，提出一种新型的振动控制方法。为确保应用新方法不影响船舶正常运行，需要安装硬件设备，作为实施此方法的基础4。图1为新振动控制方法的硬件要求。为了确保新振动控制方法不影响船舶的正常运行，必须满足新振动控制方法的硬件要求。采用有限元分析法得到主机设备振动的详细数据，分析产生振动的主机设备具体位置，并结合振动作动器对产生振动的主机设备进行有效的振动控制处理。控制器振动作动器激光传感器驱动电源压力电源图1新振动控制方法的硬件要求Fig.1 Hardware requirements for the new vibration control method1.1基于有限元构建船舶主机设备模型根据主机设备结构，构建基于有限元的主机设备模型，通过节点导入有限元建模方法，把CAD软件内的主机设备节点坐标数据先部署再提取。主机设备有限元建模操作步骤见图2。有限元建模选用Ansys软件包参数化设计语言5。APDL参数化编程与有限元批处理分析技术是有限元计算中最先进的技术之一，与Ansys软件具有良好的修改局部结构护点云图简化模型选择单元绘制/修改三维网格布局图Fig.2Detailedoperation steps肖青青，等：船舶主机设备振动智能控制方法Hip(w)用公式表达为：激振器Hip(e)=21a;(ai)式中：入为船舶结构振动的复模态频率；为复振型；i为i、li与船舶结构的复模态质量。1.2电力作动器控制策略的设计应用电力作动器完成主机设备振动智能控制时，通过互相对称的2 组偏心质量块式电力作动机构形成用于控制主机设备振动的振电力作动器。采用伺服三环控制对主机设备振动控制作动器进行环路设计，电流环调节器是ACR，A SR为转速环调节器，APR为位置环调节器，PI对转速环进行掌控，比例调节器控制位置环。基于电力作动器的主机设备振动输出力控制策略见图3。当需要控制输出的消振力时，通过电机主动轮启动偏心质量块，同时调整偏心质量块的位置来实现。应力集中图4为单组偏心质量块组件结构受力分析图。图中，偏心质量块旋转角速度用w表示，第组偏建立/修改有限元模型确定简化模型和设计尺寸添加载荷网格提取全部/部分节点数据检查有畸形网络修改几何参数应用分布不均匀图2 建模操作步骤图145兼容性和包容性。通过使用APDL参数化编程，可以实现复杂有限元计算流程，提高分析效率。常用的有限元模型结构基本都是三维结构，绘制或修改三维网格布局要求在三维环境下。应用AutoCAD软件在三维空间中实行船舶主机设备振动筛筛体网格布局，构建的主机设备有限元模型是一种简化模型，网格布局要求参考主机设备的工程图纸和简化要求，根据辅助线来完成精确的节点定位。在绘制好的单个三维网格布局图的每个交点处设立节点，区分构造复杂的不同图层。筛体由方梁、侧板和筋板等组成，建立节点后需要把其他无用层进行隐藏处理，保留需要的节点层。通过有限元模型来分析主机设备振动5，由振动模态得知船舶结构大部分为多自由度的振动系统，主机设备安装基座p点到船体外板1点的传递函数pidli(1)a心质量块原始相位用i表示，;代表实际相位，2 组偏计算结果心质量块输出的垂直消振力分别为F1和F2，第组2个偏心质量块受离心力的影响分别用Fi1和Fi2表示（i=1,2）。如果2 组电力作动器机构内偏心质量块产生同样的旋转频率，用公式表示为：Fi=Fi1+F12=2mwrcos(wt+1),F2=F21+F22=2mwrcos(wt+2)。公式中偏心质量块的重量半径用m表示，偏心质中li(2)(3)146Fig.3 Power actuator control strategy diagram从动轮1和偏心质量块A舰船科学技术力，以其船舶为实验对象，该船主机设备参数如表1振动主动控制作动器所示。用电力作动器对实验对象的主机设备进行消振质量块质量块MotonMoton2变器1变器2PWM控制PWM控制质量块位置检测电流检测电ACR流测IdelASRdAPR图3电力作动器控制策略图偏心质量块主动轮轮第45卷控制实验，采用轴系振动控制、传动装置振动控制和本文方法进行实验对比。电力作动器基本指标如表2 所示。表1船舶主机设备参数表Tab.1 Parameters of the ship main equipment质量块位置检测ACRdc21dc2ASRAPR从动轮2 和不同主机设备齿轮箱dodi2不同类型型号减速比型号发电机额定功率/kW额定转速/rmin-!功率/kW制冷设备制冷量功率/马力电动机速度/kn续航/km不同参数HCD402A9.0:2LNFXJ-8919018004792.7160,18040.842.59852ot+Fi图4单组偏心质量块组件结构受力分析图Fig.4Force analysis of single eccentric mass blockcomponent structure量块的旋转半径用r表示。通过对式（2）和式（3）合成获得合成垂直消振力，用公式表达为：F=4mw?rcos(01+02cOS2通过式（4）可知，控制2 组偏心质量块的相位差与相位和，就是控制船舶主机设备垂直消振力的力幅与相位。设计2 台独立的方波电机，控制2 台电机的转动速度就可以掌控偏心质量块的相位1和2。通过掌控1和2 实现控制输出消振力力幅，0 1=0 2 时，2 组偏心质量块输出组件力F1和F2处在同一个相位，最大消振力的输出幅值是4mwr；0 1=-2 时，2 组不同相位的偏心质量块输出组件力FI和F2，0 代表FI和F2输出的消振力，完成船舶主机设备振动控制。2结果与分析为了验证本文方法对船舶主机设备振动的控制能表2 电力作动器基本指标Tab.2Basic indicators of electric actuatorsFa参数额定工作频率输出消振力振幅精度频率精度相位稳定精度(01-022.1有限元建模效果(4)2数值22.561.56通过有限元建立主机设备模型，如图5所示。通过本文方法建立的有限元模型可以可视化展现的主机电磁性能、振动和热特性等，更准确地模拟主机的工作过程，可以更好模拟设备振动情况。2.2振动控制效果分析对本文方法控制振动后的船舶齿轮箱的稳定性进行实验分析，前15min没有加入控制，后15min加入控制，实验结果如图6 所示。通过图6 可知，在控制齿轮箱振动前的幅值波动幅度大且不稳定，在第15min时，加入本文方法控制后的齿轮箱幅值波动慢慢稳定，相位也是同样情况。实验证明，采用本文方法可有效控制齿轮箱的震动，保证其稳定运行。图7 为船舶主机振动控制前后的对比结果。可以看出，振动控制前主机转数波动大，振动控制后机转第45卷Fig.5Finite Element Model of Ship Engine1320-40240601608P/-80100-120-1400 51015202530 35T/min图6 振动控制效果图Fig.6Vibration control effect diagram100090红色橙色9008007006005004003002000100200300400500频率/Hz(a)振动控制前10009008007006005004003002000图7 振动控制前后对比图Fig.7 Comparison before and after vibration control肖青青，等：船舶主机设备振动智能控制方法图5船舶发电机有限元模型图船舶的正常运行。80参考文献：01刘佳仑，谢玲利，李诗杰，等.面向船舶智能航行测试的变稳80幅值相位-16058388554453933309087红色橙色100200300400500频率/Hz(b)振动控制后147.数波动小，显著降低了红色及橙色分布面积。实验证明，本文方法可以有效控制船舶主机振动，控制振动的效果好。3结语为了解决船舶主机设备振动问题，对主机设备振动进行实验分析。结果表明，采用本文方法后的主机设备振动显著降低，对主机设备振动的智能控制效果好，能够获取更精准的振动位置及振动数据，不影响船控制系统设计1.中国舰船研究,2 0 2 3,18(3):38-47+7 4.LIU Jia-lun,XIE Ling-li,LI Shi-jie,et al.Design of variablestability ship control system for ship intelligent navigation test.Chinese Journal of Ship Research,2023,18(3):38-47+74.2杨俊，王刚伟，田佳彬,等.船舶推进轴系振动控制研究.振动与冲击,2 0 2 0,39(10):2 4-31+9 1.YANG Jun,WANG Gang-wei,TIAN Jia-bin,et al.Study onvibration control of marine shafJ.Journal of Vibration andShock,2020,39(10):24-31+91.3】谢溪凌，董广明，林枫，等.船舶动力与传动装置振动控制技术发展研究.中国工程科学,2 0 2 2,2 4(6)：19 3-2 0 2.XIE Xiling,DONG Guangming,LIN Feng,et al.Developmentof Vibration Control Technologies for Marine Power and Gear-ing SystemsJJ.Strategic Study of CAE,2022,24(6):193-202.4魏国东，朱石坚，俞翔.舰船装备维修性设计要求生成方法研究.计算机仿真,2 0 2 1,38(11):18-2 1.815886385548393330WEI guo-dong Zhu SHI-jian,YU xiang,Study on the methodof denerating maintenance requirements for ship equipment.Computer simulation Computer Simulation,2021,38(11):18-21.5赵杰，赵丁辉，熊伟，等.不同扶正方案下的破损舱段强度有限元分析1.船舶力学,2 0 2 0,2 4(5):6 18-6 2 5.ZHAO Jie,ZHAO ding-hui,XIONG wei,et al.Finite elementstrength analysis of damaged hull cabin under different salvageschemesJ.Journal of Ship Mechanics,2020,24(5):618-625.