以振动抑制为目标的轴系结构优化设计外文翻译资料

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到目前为止，在文献中提及的对推进轴系纵向振动衰减的控制原型设备包括谐振变换器，半主动调谐气动振动吸收器，磁悬浮推力轴承气动伺服控制器，电磁质量阻尼，等等。为了验证这些控制装置的理论分析和有效性的准确性，前人已设计了各种试验台的推进轴系，并将其作为基准来模拟全规模的船用螺旋桨轴系。通过比较有无这些设备的实验结果，通常在时域和频域两方面，控制策略的成功与否可以被判断。因此实验竖井钻机的发展也备受关注。摘要

本文描述了一个实验室规模的实验竖井钻机模拟螺旋桨引起的纵向振动的推进轴系。研究集中于试验台的总体设计过程，纵向振动试验方法和推力轴承纵向刚度的估算。采用单输入、多输出的测试方法，得到了实验轴的纵向振动特性。给出了测量结果和波形的惯性作用。此外，还推导了轴的纵向振动的无量纲频率方程和推力轴承的纵向刚度的证明方法。

关键词：试验台；推进轴系；纵向振动；模态试验

1 简介

船用螺旋桨轴系是发动机转矩和推进器推力的中转器。由于船尾的不对称或控制面的凸起的，船尾附近的不均匀流场不可避免地存在，是螺旋桨推进器轴向振动的主要原因。推力轴作用的小变化导致推进轴系通过倾斜垫和推力环之间的润滑油膜的水动力刚度纵向振动产生的船体振动。因此，推进轴系的纵向振动是一个船体振动和低频率的声辐射的次重要刺激源[。近年来，该领域的研究备受关注，并提出了一些切实可行的措施，包括被动和半主动主动技术。这些详细的研究，目的是减少纵向振动传递或振荡性传递到船体，其中一个选择是减少叶片通过频率下的水动力刚度。

本文介绍了一种用于推进轴系的实验台。作为轴的纵向振动特性、非量纲频率方程的推导和推力轴承的纵向刚性的估计的初步的试验研究。由于轴的非线性因素被忽视，实验结果和理论分析之间有几个错误。

2 典型轴系实验平台的比较

一般而言，船舶推进轴系由发动机、传动轴、联轴器、螺旋桨、轴颈轴承、止推轴承等辅助装置组成。但对于实验室规模的实验装置，没必要连接所有的那些部分。事实上，由于各自的研究点不同，研究员开发的实验平台本身就有一些结构差异。

两个典型的实验室规模的钻机如图1。他们能够在海事管理上代表螺旋桨轴系的单位，虽然有一个是简单的，但其他的是比较复杂的，它一般由螺旋桨、传动轴、轴承、联轴器、电动机组成。这些标准组件很容易被购买和组装。为了产生螺旋桨激振，附加水箱需提供水下工作条件。由于实验室空间的限制，水箱的体积是有限的，甚至很小的，由此它可能引起2个相关的问题，通常发生在高转速，螺旋桨负载不稳定和旋转速度波动。然而，如果发动机功率低或螺旋桨直径小，这些问题可能不突出。一些措施能够减轻这些负面影响，如安装导流装置和循环，但试验装置的复杂性会增加，可靠性将下降。

(a)第一实验台 (b)第二实验台

图1 典型的实验室规模的钻井平台

一种有效的替代方法是利用机械装置来代替螺旋桨轴振动激励源，例如液压执行器和气动执行器和，如图2所示。在论述螺旋桨推力能够分解为稳态推力脉动推力，其中前者是航行的驱动力而后者是推进轴系的纵向振动的激励源。因此，稳态推力可以通过将机械式执行器连接到电源的方法来应用，而振动筛提供推力叶率振动模拟振荡分量。显然，在有限的水箱中，螺旋桨旋转不会引起上述的问题。

图2 推进器

另一个明显的区别是推力轴承的框架形式。由于优越的润滑和推力的传输性能，米歇尔推力轴承在海洋中广泛采用，其中包括轴套、倾斜垫和相应的块。倾斜的设计允许轴套和轴垫之间建立流体动力润滑。由于成本考虑，对于实验室中概述的大多数研究人员，没有必要开发这样的推力轴承。一般情况下，推力轴承的形式依赖于实验台的功能。如果是由电机驱动的轴，润滑推力轴承是必不可少的，这意味着所采用的装置功能的推力传输是比较类似的推力轴承在海事中。然而，厚钢板甚至可以用来代替推力轴承[3-4]。作为一个振动信号发生器、测试设备和建立几个综合测试系统需要测量形成轴的纵向振动，包括轴转速、轴向响应和轴向推力。为了满足这些测试，实验台上添加了一些特定的组件。例如，一个应变式负荷传感器夹在推力轴承和轴力传递到测试块的块之间，圆肩固定轴的轴向运动可以用测振仪测量，等等。

通过对文献中提及的螺旋桨轴系进行对比试验，综合得到了两点：

1. 假设在实验装置的布置中，电动机不是一个组件，该轴可以简化为一个拉杆结构。推力轴承的形式也可以尽可能简单地建立，螺旋桨推力可以被替换为一个机械致动器和一个振动筛提供稳定的状态推力和振荡推力的组合。这种钻机的最具吸引力的优点是它的简单性和经济性，但它不利于整体评估控制装置的有效性，特别是旋转操作条件；
2. 该轴能够以任何速度驱动马达旋转。与之相对应的是，推力轴承的形式比较复杂，需要润滑剂和其它辅助系统。对于螺旋桨推力的具体化，一种选择是螺旋桨与水箱和其他上述力总成。

3 实验室级别的模型开发

实验室规模的推进轴系试验台的开发遵从与船舶推进轴系相同的设计过程，包括需求分析、布置设计、定位和振动计算。为了体现螺旋桨推力并满足后续的控制装置，对竖井钻机总体设计描述如下：

1. 实验台包括船舶推进轴系中的大部分组件，如电动机、推力轴承及辅助润滑系统。轴可以顺时针旋转，或逆时针方向旋转；
2. 引起的轴向激振力的是静、动力装置的组合而不是用水箱的螺旋桨；
3. 至少有一个纵向共振频率在5-100Hz的范围内；
4. 基座支撑的主要组件是独立的，这样以尽量减少由电机及其他易激振动发电机产生的结构性声音激励。

实验台的总体布局如图3。该钻机由励磁发电机单元、驱动装置、轴单元和支撑装置组成，由液压稳负荷系统和动力加载系统组合而成，由液压缸连接油泵和电磁执行器，由信号发生器和功率放大器产生振荡推力。由于轴有旋转，我们遇到一个困难，即稳定的推力和振荡推力如何可以顺利地结合在旋转轴上，诱导旋转轴发生纵向振动。问题后来通过将液压缸和轴之间插入一个负载装置而解决。通过分离旋转轴和动力发电机，组合推力将通过安装在负载设备室的两推力滚子轴承施加在轴端的内圆肩。

图3 试验台的总体布置

固定在支撑上的试验台的完整组件顺序如下：力信号发生器→功率放大器→电磁致动器→液压缸→负载装置→螺旋桨轴→轴承→钳耦合→推力轴→推力轴承→弹性联轴器→中间轴→变速箱→电动机。为满足定位要求，轴颈轴承的位置是可移动的。推力轴承的设计过程包括推力盘类型和数量、油膜最小厚度和润滑油流量等。参照试验台，选用锥形平面推力轴承，以满足控制装置的安装。在推力轴和中间轴之间加入一个弹性联轴器，以从变速器中分离振动并补偿对准。此外，该耦合是方便的被分离的两个部分，为随后的实验研究。整个实验台的设计严格按照相关标准，参数列表如表1

表1 实验台参数

此外，辅助液压，润滑剂和操作系统是实验台保持正常运行所需要的。显而易见，负载单元和润滑油单元都是由液压系统驱动的，因此这两个单元的独立性是必不可少的，以避免相互干扰，可以很容易地实现利用独立的管道。此外，所有操作的实验台都集成在一个面板中，为了更方便地操作。图4显示了实验台的一张照片。由于轴必须与外部振动隔离，整个轴组件是由独立的钢基础支撑的，并在一个钢筋混凝土块体上安装在一个充满沙子的槽中，并通过槽填充。通过一系列的运行测试和设备调试，实验台工作稳定，无任何异常噪声、油泄漏和热，可用于进行特性测试。

图4 实验台

实验台的优点总结如下：

1. 螺旋桨推力通过液压缸和电磁作动器的组合很好地模拟出来，一方面，没有负面的影响，如负载不稳定和旋转的螺旋桨在有限的水箱旋转引起的速度波动，另一方面，静态和动态的推力可以不断修改以包含各种测试组合；
2. 电磁作动器不仅是一种振荡推力发生器，还代表了推进器推力的变化，而且是一个激励装置，并能实施负载系统和测试系统的集成；
3. 液压负荷装置和液压润滑装置是独立的，所有的操作都是一体的，以提高实际的可靠性和可操作性。

4实验研究

4.1模态试验

能大致表达轴系结构的非参量模型的频率响应函数是能够由实验模态分析获得的。其中，动态特性的固有频率，阻尼比和振型是使用合适的参数识别的方法确定的。而船舶轴系纵向振动分析较为复杂的一个原因是，推力轴承的纵向刚度和参与质量系数很难确定。众所周知，推力轴承的纵向刚度是由推力环、油膜、推力盘、轴承扣、轴承基座等组成的零件的当量。不幸的是，有许多像轴承间隙，轴承预紧力这样的非线性因素导致了从理论上分析推力轴承纵向刚度的困难，而进一步导致了推进轴系纵向振动分析的困难。事实上，通过实验方法来准确地得到推力轴承的纵向刚度是目前唯一比较好的方法。除此之外，对轴系进行实验研究的另一个目的是得到轴系的纵向机械特性，这样可以反过来验证理论模型的正确性。

轴系的模态试验是在轴没有旋转且弹性联轴器预先分离的情况下进行的。鉴于激励器的安装位置，使用单输入、多输出的测试方法是比较方便的。因为我们只需要纵向的实验参数，所以压电加速度传感器都安装在螺旋桨轴和推力轴的纵向方向。图5是压电加速度传感器的安装示意图，其中显示的测点5和测点6分别安装于盘式刚性联轴器和弹性联轴器上。

图5 加速度计装配示意图

图6 不同测量点的惯性作用瀑布图

振动激励源是可设置的，因此它可以在轴系的轴向给出一个确定的激励信号，而导致其在轴向产生振动。为了达到实验目的，我们估计了一个大致的敏感频率范围在5Hz到100Hz之间。通过对实验数据进行处理，对应于不同测点的惯性的作用在图六中以瀑布图的形式给出。观测结果如图6所示，相对于测点6 ，测点5 与测点1 有相对一致的惯性作用，这表明轴的纵向振动特性的一

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