悬臂梁动力吸振器在舰艇变流机组上的应用研究

庞天照，何其伟，代 振

(1.海军驻葫芦岛431厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004;2.海军工程大学 动力工程学院，湖北武汉 430033)

悬臂梁动力吸振器在舰艇变流机组上的应用研究

庞天照1，何其伟2，代 振2

(1.海军驻葫芦岛431厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004;2.海军工程大学 动力工程学院，湖北武汉 430033)

为了降低舰艇变流机组传递至基础的振动，机脚位置加装了悬臂梁动力吸振器。分析了变流机组的振动特性，研究了悬臂梁动力吸振器的基本原理，并对其减振效果进行了仿真验证;在此基础上，为了确保悬臂梁动力吸振器的减振效果，提出了悬臂梁动力吸振器的调试方法以及使用、维修基本要求。

变流机组;悬臂梁动力吸振器;振动;减振效果

为了降低舰艇的水下辐射噪声，舰艇大部分机械设备都进行了振动噪声控制，不仅大量采用隔振器，大面积敷设声学覆盖层，大范围使用挠性接管，还在部分特定设备上安装动力吸振器［1］。变流机组是舰艇上常用的辅助装置，其主要功能是将直流电转换为频率为50 Hz或400 Hz的交流电。为了降低该型设备传递至基座的振动，国外舰艇不仅采用了气囊隔振装置，并在机脚加装了一种结构新颖的悬臂梁动力吸振器［2］。

由于悬臂梁动力吸振器应用较少，使用和修理人员基本上不清楚其原理和功能，在变流机组维护保养及修理过程中，经常出现任意拆卸、更换或调整悬臂梁动力吸振器的现象，严重影响了其减振效果。

针对上述问题，本文以变流机组悬臂梁动力吸振器为研究对象，分析其振动控制的基本原理以及组成参数对减振效果的影响，制定安装与调试工艺，并对其使用和维修提出明确的要求，从而为设备的维修保障提供指导。

1 基本原理

1.1 变流机组振动特性分析

变流机组主要由直流电动机和单相交流发电机组成，机组在结构上分为外壳、电枢、轴承罩、排气扇机构以及减振消音机构等。该机组额定功率20 kW，转速3 000 r/min，由于功率和转速较高，设备运行过程中不可避免的产生较大振动，同时由于电机转子与定子之间很难保证对中，机脚振动信号中基频 (50 Hz)成分和倍频成分往往较为突出，具体如图1和图2所示。

图1 50 Hz变流机组机脚振动图

图2 400 Hz变流机组机脚振动图

为了降低变流机组传递至基座的振动，首先对设备进行隔振处理。众所周知，隔振系统对中高频振动隔离效果较好，若要实现对机组基频及二倍频成分的有效隔离，必须降低隔振系统的固有频率，但这往往会导致机组振动烈度较大，影响机组运行的稳定性。动力吸振器是对隔振系统的有效补充，其安装于机械设备上，当激励频率等于动力吸振器调谐频率时，可将该频率下设备振动能量转移至动力吸振器本身，从而减小设备传递至基座的振动。由于变流机组振动成分稳定，并且幅值相对较大，因此，变流机组在采用隔振技术的基础上，还加装有悬臂梁动力吸振器对机组基频或者二倍频进行振动控制。

1.2 悬臂梁动力吸振器基本原理

变流机组悬臂梁动力吸振器主要由悬臂梁、质量元件以及紧固螺栓等组成具体结构如图3所示，其中悬臂梁中间开有滑槽，便于调节动力吸振器质量元件的位置，从而改变动力吸振器调谐频率。

图3 悬臂梁动力吸振器

图4 经典动力吸振器模型图

图4为经典动力吸振器的分析模型，表示在主系统 (机械设备)上加装有动力吸振器。在简谐激励力的作用下，系统的振动微分方程为:

则安装动力吸振器前后，主系统振动位移的放大系数为［3］:

式中:m和M分别表示动力吸振器质量元件和主系统的质量;k和K分别表示动力吸振器弹性元件以及主系统隔振器的刚度;c和C分别表示动力吸振器弹性元件以及主系统隔振器的阻尼;x和X分别表示动力吸振器质量元件和主系统的振动位移;F为主系统上激励力幅值;ω为角频率;t为时间。

可以发现，当激励力频率等于动力吸振器的调谐频率时，即:

ξ≫1动力吸振器能够有效地降低主系统的振动，从而降低主系统传递至基础的振动。

图5为悬臂梁动力吸振器的简化模型，对于悬臂梁动力吸振器而言，其本质是利用悬臂梁作为弹性元件，并取附带集中质量的悬臂梁一阶模态固有频率作为调谐频率，从而实现对变流机组基频的振动控制。

图5 悬臂梁动力吸振器简化模型图

则悬臂梁动力吸振器的调谐频率为［4］:

式中:E为梁的弹性模量;I为梁的截面惯性矩;ρl为梁的线密度;l为悬臂梁的总长度;l0为质量块质心到梁支座的长度。

通过式 (4)可以发现，当悬臂梁动力吸振器质量元件确定时，可以通过悬臂梁上滑槽移动质量元件在悬臂梁上的位置，改变动力吸振器的调谐频率;当该调谐频率等于变流机组基频时，便可对机组的基频振动起到良好的减振效果。

1.3 仿真分析

为了验证悬臂梁动力吸振器对变流机组的减振效果，分别计算其安装悬臂梁动力吸振器前后系统的频率响应。假定机组质量为100 kg，隔振器刚度为4 836 MPa，系统的固有频率为35 Hz;悬臂梁动力吸振器的质量元件共5 kg，调谐频率为50 Hz。

图6 悬臂梁动力吸振器减振效果图

图6为变流机组安装动力吸振器前后加速度响应对比。可以看出，当未安装动力吸振器时，变流机组隔振系统对其50 Hz处的基频振动基本没有隔振效果;当安装动力吸振器后，50 Hz处的基频振动降低了25 dB左右。因此，通过安装悬臂梁动力吸振器，并确保其调谐频率等于变流机组基频时，可以有效降低机组的振动。

2 悬臂梁动力吸振器调试方法

为了保证悬臂梁动力吸振器的减振效果，必须确保动力吸振器的调谐频率等于变流机组基频，其调试可采用锤击法［5］进行模态测试完成，具体流程如图7所示。值得说明的是，该调试过程是一个往复过程，直至达到调试目标时方可结束。

图7 悬臂梁动力吸振器调试方法流程图

其中，当调谐频率大于变流机组基频时，需要增加质量元件质量或者稍向悬臂梁外部移动质量元件;当调谐频率小于变流机组基频时，需要减小质量元件质量或者稍向悬臂梁内部移动质量元件。

3 悬臂梁动力吸振器使用与维修基本要求

为了保证悬臂梁动力吸振器的减振效果，悬臂梁动力吸振器在使用过程中，严禁采取以下行为:①改变悬臂梁动力吸振器质量元件的位置;②悬臂梁及质量元件喷涂油漆;③踩踏悬臂梁及质量元件。

在维修过程中，若需要对悬臂梁动力吸振器拆解，具体要求如下:①对单个动力吸振器及安装位置进行标记，确保后续安装时能够恢复原位;②记录当前悬臂梁动力吸振器调谐频率，并按照结构件组装相反顺序进行拆除;③悬臂梁动力吸振器回装时，必须严格参照调试方法，确保调谐频率的准确性。

4 结束语

为了实现舰艇变流机组的振动控制，在采用隔振技术的基础上，加装了悬臂梁动力吸振器。论文分析了变流机组的振动特性，研究了悬臂梁动力吸振器的基本原理，并对其减振效果进行了仿真验证;为了确保悬臂梁动力吸振器的减振效果，提出了悬臂梁动力吸振器的调试方法以及使用、维修基本要求，对变流机组振动性能的保持具有实际工程价值。

［1］朱石坚，何琳.船舶机械振动控制［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［2］李晓勇，浣石，蒋国平，等.连续悬臂梁动力吸振器的模型研究 ［J］.水电能源科学，2011，29(2):129-132.

［3］张阿舟，诸德超，姚起航，等.实用振动工程—振动控制与设计［M］.北京:航空工业出版社，1997.

［4］Wang P W，Cheng C C.A design methodology for multiple tonal beam-type vibration absorber［J］.Noise＆ Vibration Worldwide，2007，11(1):11-17.

［5］师汉民.机械振动系统—分析、测试、建模、对策［M］.武汉:华中科技大学出版社，2004.

To reduce the vibration transferred from convertor on the vessel to the base，the cantilever beamtype dynamic vibration absorber was used.The vibration characteristics of the convertor was analyzed，the basic theory of the cantilever beam-type dynamic vibration absorber was studied，and the effect of the vibration reduction was verified by the simulation.Furthermore，the method of the debugging，the use and maintenances for the cantilever beam-type dynamic vibration absorber were proposed.

convertor;cantilever beam-type dynamic vibration absorber;vibration;effect of vibration reduction

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.012

宠天照 (1983-)，男，湖南韶山人，助理工程师，硕士，研究方向为机械制造与自动控制。

2015-04-15