熊本甲(舟山南洋之星船業(yè)有限公司,浙江舟山 316000)

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船舶機(jī)械振動(dòng)源激勵(lì)力的間接估算工程方法探討和分析

熊本甲
(舟山南洋之星船業(yè)有限公司,浙江舟山 316000)

【摘 要】導(dǎo)致船體的振動(dòng)主要來(lái)源于機(jī)械設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)間的力激勵(lì),引發(fā)船體的振動(dòng)和水下的聲輻射。這對(duì)于振動(dòng)源的了解和船的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和耦合方式使得這方面的研究不能如愿。為了簡(jiǎn)化在工程現(xiàn)場(chǎng)的激勵(lì)力的直接測(cè)量,本文主要介紹兩種間接的估算方法。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差一般不超過(guò)3分貝。信噪比在力的估算中占有重要的影響,往往信噪比會(huì)成為測(cè)試時(shí)最重要的誤差影響。

【關(guān)鍵詞】振動(dòng) 激勵(lì)力 間接估算

在工程中對(duì)力的估算方法需要有一定的實(shí)用性和簡(jiǎn)便性，更應(yīng)該是符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施環(huán)境并且具有一定的準(zhǔn)確性。激勵(lì)力的確定方法一般有兩種，直接法和間接法。間接法是通過(guò)測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)地特性來(lái)計(jì)算得到激勵(lì)力。直接法是在機(jī)器和船舶之間加入力的傳感器，但是一般不能實(shí)現(xiàn)。直接法相對(duì)于間接法不具有實(shí)用性，而間接法更加實(shí)用簡(jiǎn)便易操作。直接法在很大程度上誤差受安裝條件的影響比較大，這就不能說(shuō)明直接法比間接法更加準(zhǔn)確。本文主要介紹間接法。船舶機(jī)械一般有兩種安裝方式，包括有剛性安裝和彈性安裝，下面將分別對(duì)這兩中安裝的方式敘述并且進(jìn)行驗(yàn)證。

1 剛性安裝的激勵(lì)力估算

在多種估算方法中最小二乘法是最常用的也是最受歡迎的方法。要把握對(duì)力的準(zhǔn)確估算不得不注意很多的細(xì)節(jié)要點(diǎn)。

1.1 假設(shè)估算

激勵(lì)力的估算一般需要滿足下面的假設(shè)條件：

接收系統(tǒng)可以作為線性系統(tǒng)處理。

支撐結(jié)構(gòu)不影響內(nèi)部的振動(dòng)。

機(jī)器和支撐結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是點(diǎn)接觸。

此外，間接法還應(yīng)當(dāng)可以在現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單的執(zhí)行測(cè)量。不需要機(jī)器的反復(fù)安裝。

在計(jì)算之前為了獲得需要的數(shù)據(jù)就要進(jìn)行一下的測(cè)量以獲得數(shù)據(jù)。在機(jī)器設(shè)備沒(méi)有安裝之前對(duì)與基座進(jìn)行導(dǎo)納的測(cè)量。響應(yīng)測(cè)量的位置可以任意選取，但是沖擊錘的位置應(yīng)當(dāng)和安裝點(diǎn)重合。在測(cè)試的時(shí)候還需要注意，相應(yīng)位置的數(shù)目應(yīng)該大于激勵(lì)位置的數(shù)目。

加速度相應(yīng)的幅值和相對(duì)相位的測(cè)量，這些測(cè)量的測(cè)量位置必須和之前的導(dǎo)納測(cè)試位置一致，測(cè)得相應(yīng)的矢量。

將振動(dòng)響應(yīng)的幾個(gè)主要固有模態(tài)振興寫成線性組合。這樣激勵(lì)力引起的響應(yīng)有可能會(huì)是相似的。矩陣的列項(xiàng)也是線性相關(guān)的，這樣就會(huì)導(dǎo)致病態(tài)問(wèn)題的出現(xiàn)。這個(gè)病態(tài)指的是在加速度的導(dǎo)納測(cè)試的時(shí)候產(chǎn)生的小誤差會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)力的估算出現(xiàn)大的誤差。奇異值的分解技術(shù)可以用來(lái)解決病態(tài)問(wèn)題。在矩陣之中測(cè)量時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，在矩陣中小的奇異值將會(huì)在廣義的逆中變成很大的數(shù)值。通常選擇將這些與零沒(méi)有區(qū)別的值消除，用零來(lái)代替。估算激勵(lì)力的誤差的幾個(gè)參量表示：條件數(shù)，矩陣中的條件數(shù)k認(rèn)定為質(zhì)量的結(jié)果指標(biāo)。

s1、sm分別是矩陣的最大和最小的奇異值。奇異值如果被置零，表明結(jié)果誤差的高度敏感。

殘差法：

殘差同樣可以作為質(zhì)量的指標(biāo)，最小二乘法也能最小化殘差。驗(yàn)證相應(yīng)擬合值是否近似于真實(shí)的響應(yīng)值，要使二者接近就增大了置信度。分貝表示的相應(yīng)殘差公示如下：

圖1

歸一化殘差計(jì)算公式：

1.2 實(shí)驗(yàn)

(1)儀器的選擇：3560D型多通道分析系統(tǒng)，9個(gè)352C33型振動(dòng)加速計(jì)，4個(gè)204C力傳感器，086C05型ICP沖擊錘。(2)實(shí)驗(yàn)方案：一臺(tái)剛性安裝的電動(dòng)機(jī)安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)又剛性安裝在很大的面上。支撐結(jié)構(gòu)的剛性一般會(huì)較小一點(diǎn)，為的是可以獲得一個(gè)較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)。力求減小誤差。下面采用兩種不同的方法來(lái)估算力。一種是前文中提到的最小二乘法，還有一種是無(wú)耦合估算法。即使，忽略各個(gè)激勵(lì)力間的耦合效應(yīng)。這種方法直接從接觸部位出的加速度導(dǎo)納的比值估算得到激勵(lì)力。在加速導(dǎo)納的測(cè)試時(shí)不用再去測(cè)量他們之間的傳遞導(dǎo)納，只要測(cè)量有驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納就可以。

1.3 結(jié)果分析

在試驗(yàn)中估算的力的結(jié)果和實(shí)測(cè)的力對(duì)比之后，他們?cè)诜岛皖l率方面很接近。這就可以說(shuō)明間接法在實(shí)際的工程應(yīng)用中完全可以達(dá)到準(zhǔn)確度的要求。在實(shí)際的工作中也完全可以被采納和應(yīng)用。

2 彈性安裝的估算

2.1 表達(dá)公式

彈性安裝指的是在機(jī)器和支撐結(jié)構(gòu)之間多安裝了一個(gè)隔振器。隔振器的目的是為了在兩端估算作用力。所以在估算之前應(yīng)當(dāng)對(duì)于隔振器的特性有了解。

2.2 實(shí)驗(yàn)

(1)設(shè)備的選擇和實(shí)驗(yàn)的方案，儀器是3560D分析系統(tǒng)，352C33加速計(jì)和204C力傳感器。

上圖1為實(shí)驗(yàn)的略圖。傳感器安裝在接觸點(diǎn)位置，加速度計(jì)布置在隔振器的上下兩端之間。

(2)分析。實(shí)驗(yàn)中的估算值和直接的測(cè)量值得到的結(jié)果吻合。直接測(cè)量得到的力的值被電噪聲掩蓋。假設(shè)沒(méi)有噪聲的干擾，直接和間接法的結(jié)果差異將會(huì)更小。從研究我們可以認(rèn)為，基于隔振器阻抗特性的間接的估算方法在工程的準(zhǔn)確度的要求上同樣可以滿足。漸漸地估算方式在實(shí)際的應(yīng)用中可以完全取代工程中的直接法。

3 結(jié)語(yǔ)

間接地估算方法不論是在支撐結(jié)構(gòu)的特性還是隔振器特性，在應(yīng)用于工程方面都可以很好地完成準(zhǔn)確性的要求。當(dāng)振動(dòng)源的強(qiáng)度確定以后，就可以直接使用間接方法代替力傳感器測(cè)量方法。機(jī)器的剛性安裝采用的是最小二乘法的方法。然而，彈性安裝的機(jī)器使用隔振器的間接估算方法更合適。信噪比在實(shí)際過(guò)程中會(huì)是實(shí)際工作的誤差重要的來(lái)源，而這也往往會(huì)對(duì)與力的測(cè)量過(guò)程有很大的影響。

參考文獻(xiàn):

[1]原春暉,朱顯明,汪浩.設(shè)備安裝對(duì)基座導(dǎo)納測(cè)量的影響研究[J].中國(guó)造船,2009,(3).

[2]原春暉,邵漢林,汪浩.加載對(duì)設(shè)備基座導(dǎo)納測(cè)量的影響研究[J].振動(dòng)與沖擊,2010,(4).

作者簡(jiǎn)介:熊本甲(1981—),男,江西南昌人,本科,工程師,研究方向:船舶機(jī)械。