主动控制型船舶管路减振器的设计与研究

2018-06-29刘亚龙樊祥钊刘佳佳

自动化与仪表 2018年6期

刘亚龙，段鑫，樊祥钊，胡义，刘佳佳

（1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430070；2.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074）

在船舶设备中，船舶管系是船舶上用于连接各种机械设备的管道，用来传送水、油、气等有关工质。船舶管系类似人体血管，在船舶系统中占有重要地位，船舶管路对于船舶的安全性具有重大影响。然而，管路振动现象极为普遍，管路振动极易引起管路的振动磨损与振动疲劳，若不加以控制，较大幅度的振动会使管道连接部位、管道附件连接部位等管道附件发生破裂、脱落等危及安全工作的事故[1]。因此对于船舶管系的管理中对于管道振动控制的研究显得极为重要。

1 振动主动控制系统概述

自20世纪80年代起我国就开始了对于振动控制的研究，但是当时国内主要采用被动控制技术，即利用隔振器减小振动传递。在当时，与国外相比较，金属弹簧阻尼比较低，橡胶隔振器动态系数较高，温度适用范围较窄，变阻尼变刚度隔振器还很少使用。1994年文献[2]就指出，隔振器的发展趋势为品种规格要多，适用温度范围广，抗油污抗酸碱力强，应与振动设备配套应，阻尼弹簧减振器向大阻尼方向发展，橡胶隔振器向低动态系数方向发展，扩大变刚度变阻尼减振器应用范围。

随着自动控制技术和计算机技术的飞跃发展，振动控制理论从被动控制开始往主动控制方向发展[3]。这2种控制技术类型的特点对比见表1。

表1 控制类型的对比Tab.1 Comparison of control types

其中，振动主动控制系统由控制对象、传感器、控制器、执行器以及物理减振单元（弹簧系统与阻尼系统）组成，模型结构如图1所示。执行器作为除物理减振单元以外对控制对象直接作用的单元，是主动控制系统中主要的可控部分、控制力输出的单元；控制器为整个系统的采集信号处理中心，决定控制算法，影响控制效果。因此执行器和控制器是主动控制系统的最关键的2个部分。

图1 振动主动控制系统的模型结构Fig.1 Actively vibration controlled model structure

文中重点从执行机构、控制技术两方面对该种主动控制型管道减振器进行理论分析与结构优化。

执行器方面将物理减振单元橡胶柱改为中空结构，实现可控的中空结构内的工作介质体积改变；增设传感器，油泵，储油箱，其中储油箱可以同时为多个该类型的减振器提供工作介质。与传统的橡胶减振器执行器相比，该减振器可实现对物理减振单元进行控制，解决了由于减振器禁锢力不当引起的减振效果不佳及管道寿命降低的问题。

控制器方面采用了PID控制技术，其算法简单，可靠性高，在振动控制领域应用较为成熟[2]。

2 振动技术理论分析

该设备的主动减振分析计算模型如图2所示，将振动源视为质量为m的质量块，减振器由刚度为k的弹簧、黏性阻尼为c的阻尼器构成。则系统运动方程为

式中：k为系统刚度；c为黏性阻尼；X（t）为位移响应；F（t）为激励力。

图2 主动减振计算模型Fig.2 Active vibration reduction calculation model

每种减振器都有有效减振区。为扩大该区域，需对减振器的刚度主要是橡胶元件的刚度进行合理的选择。如果刚度太大，会使有效减振区发生明显的缩小；如果刚度太小，则会产生过量压缩，易使设备失效。将文中所提结构的橡胶柱设计为中空结构，通过改变橡胶柱腔内介质体积使橡胶柱膨胀或者收缩，进而引起橡胶单元与管道的贴合力发生改变。如果贴合力太大，其作用与刚度较大时作用类似，使有效减振区缩小；反之，贴合力不够，吸振效率下降，更进一步如果间隙太大，减振器根本无法实现正常工作，造成资源浪费。

因此，为保证减振器的工作区间合理地处于有效减振区，所设计的设备在工作过程中，当压力传感器检测的压力值低于设定值允许范围时，弧形橡胶柱与夹持的管道接触不充分，管道容易发生振动，控制器控制电控阀门打开，储存在储油箱内的高压液压油在压力作用下自动流入2个弧形橡胶柱内。2个弧形橡胶柱膨胀夹紧管道，当压力传感器检测压力值高于设定值允许范围时，说明紧固效果已经实现；如果管道长时间处于应力过大的状态，势必对管道寿命产生影响，此时控制器控制电磁阀门打开，抽油泵抽取出2个弧形橡胶柱内的液压油，使管道与弧形橡胶柱之间应力降低到设定范围内，既保证紧固能力与减振效果，又可使管道承受的应力在合理范围，提高管道寿命。

3 新型减振器设计

3.1 新型管道减振器总体设计

该管道减振器结构将传统的管箍橡胶减振器中的橡胶单元改为中空结构，可以实现物理减振单元的控制，为输送的工作介质提供储存空间。橡胶具有塑性变形的特性，当有一定压力的介质输入中空结构内，中空部分的体积发生改变，橡胶柱宏观上发生膨胀，从而实现橡胶柱对管道的贴合力变化。

具体结构如下：传统管箍安装座的顶部开凹槽，在凹槽的底部内壁上焊接截面为半环形结构的下管夹。下管夹一端通过铰链连接上管夹，且下管夹顶部外壁和上管夹底部的外壁固定上弹性夹持器。弹性夹持器包括第1夹片和通过中空转轴与第1夹片转动连接的第2夹片，且中空转轴内套设有扭转弹簧，第1夹片和第2夹片之间构成半圆柱状的夹持腔。压力传感器布置在弧形橡胶柱与上管夹和下管夹之间，用于检测橡胶住对管箍产生的压力信息，如图3所示。

图3 主动控制型管路减振器Fig.3 Active control pipeline vibration reduction equipment

3.2 减振器液压油路设计

3.2.1 油路阀门

该设备中空部分填充的介质为液压油，在设计中，重点在于液压油路的设计。文中利用电磁阀的启闭及油泵的正反转，实现对橡胶单元中空部分进行输油、抽油的控制。其中电磁阀作为启闭油路的关键部件，结构如图4所示。

图4 电磁阀结构Fig.4 Solenoid valve structure

电磁阀的电磁线圈如果没有电流，则无磁场存在，此时电枢不受磁力，受压力弹簧的弹力作用；活塞中心杆与电枢连接在一起，中心杆向下推，活塞压于锥座，堵住进出口之间的通路（如图4a所示）。当电磁线圈通有电流时，产生磁场，使活塞中心杆克服弹簧压力向上移动，随之活塞上行，开启进出口通道（如图4b所示）。

3.2.2 油泵及液压原理

油泵采用齿轮泵，其工作介质为液压油，设备内的摩擦情况对油质影响极低，油质较稳定。采用液压齿轮泵无需考虑污染敏感度，同时价格低廉，易损件少，工作可靠，可以控制油液流动方向，实现输油/抽油的模式切换。

该设备的液压原理如图5所示，当检测到橡胶柱与管道贴合力过小时，控制器发出信号使电磁阀3线圈通电，阀工作在下位，使进出口处于联通状态，同时控制器根据压力传感器采集到的压力差，发出控制指令使齿轮泵4正转，将液压油从储油箱5通过已经开启的电磁阀3和三通阀2泵入减振器1内的橡胶中空空间，橡胶柱膨胀后与管道的贴合力增加至要求范围。当贴合力过大时，电磁阀3处联通位，油泵反转，将液压油从减振器1抽回储油箱5。如果未检测出异常时，电磁阀3线圈不通电，阀在弹簧作用下工作在上位，即进出口处于切断状态。