CN107387653A - 船用二次力矩消振器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船用二次力矩消振器及控制方法，包括设置在柴油机上的传感器、控制装置和消振装置，所述的传感器用于检测柴油机的转速、方向和死点位置，传感器与控制装置的输入端电连接，控制装置的输出端与消振装置电连接。控制方法包括以下步骤：s1、通过传感器获得柴油机的转速、方向和死点位置数据；s2、控制装置控制消振装置以柴油机转速的二倍转动，通过死点位置数据计算得到船体振动的相位，消振装置的相位与船体振动的相位具有一个90°±10°的角度差；通过以上步骤以消振装置抵消柴油机产生的二次力矩振动。本发明安装方便，不会影响柴油机主机结构强度。可以自主控制启停，检修时不需要停止主驱动柴油机。

Description

船用二次力矩消振器及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶减振领域，特别是一种船用二次力矩消振器及控制方法。

背景技术

船舶主驱动柴油机一般为二冲程柴油机，其主要工作原理为柴油机的活塞运行到上死点附近时喷油燃烧，利用气体膨胀推动活塞下行做功。其活塞及连杆在上下往复运动中产生往复力矩，部分柴油机在二倍于主机转速的频率上往复力矩较大，会造成船体的明显振动，这种振动称为二次力矩振动。二次力矩的特征是柴油机每转动一周，产生两个周期振动波动。

造成船体的振动示意见图7、8，对于缸数为 5 缸或 6 缸的直列式柴油机，其二次力矩振动较大。二次力矩产生由于柴油机的活塞上下往复运动产生的，其往复运动产生的惯性力导致了二次力矩的产生。该二次力矩导致船体出现振动。

目前，为减轻二次力矩，在柴油机上安装由链条带动的平衡重，平衡重安装在柴油机的机架上。由于机架为焊接结构，平衡重的运行会影响机架焊缝的疲劳强度，甚至引起裂纹。

现有技术中，例如中国专利CN106678269A中记载了一种船舶柴油机推进动力模块的减振降噪装置，即采用了减振降噪的方案，思路是降低振动，属于被动消除振动的范畴。中国专利CN105889409A也采用了这种被动减振的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种船用二次力矩消振器及控制方法，能够实现主动消除船体振动，优选的方案中，能够降低消振能耗。

为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种船用二次力矩消振器，包括设置在柴油机上的传感器、控制装置和消振装置，所述的传感器用于检测柴油机的转速、方向和死点位置，传感器与控制装置的输入端电连接，控制装置的输出端与消振装置电连接。

优选的方案中，所述的传感器中，两个传感器设置在柴油机飞轮的外缘，两个传感器之间的间距为1.25倍的飞轮齿距；

在柴油机飞轮上与死点相对应的位置设有触发块，在触发块相应位置设有第三传感器。

优选的方案中，所述的传感器为光电传感器或霍尔传感器；

所述的控制装置为PLC或单片机。

优选的方案中，所述的消振装置为由驱动装置驱动旋转或上下摆动的配重块。

优选的方案中，所述的消振装置中，电机与减速箱连接，减速箱的输出轴与盘体连接，盘体上固设有配重块；

或者所述的配重块有至少两块，配重块通过红套安装在输出轴上，通过高压液压油调整两配重块间的夹角。

优选的方案中，所述的消振装置安装在舵机舱内。

一种采用上述的船用二次力矩消振器的控制方法，包括以下步骤：

s1、通过传感器获得柴油机的转速、方向和死点位置数据；

s2、控制装置控制消振装置以柴油机转速的二倍转动，通过死点位置数据计算得到船体振动的相位，消振装置的相位与船体振动的相位具有一个90°±10°的角度差；

通过以上步骤以消振装置抵消柴油机产生的二次力矩振动。

优选的方案中，柴油机在转速低于额定转速的75%~80%时，消振装置自动停止；柴油机在转速高于额定转速的75%~80%时，消振装置自动启动。

发明人发现，目前柴油机上自带的由曲轴带动的二次力矩减振器有以下问题：

1. 现有的二次力矩减振器需要在设计阶段就考虑。很多情况下，新造船在设计阶段无法确定是否需要减振设备，只能在试航时测量确定。而一旦船舶制造完成则无法更改结构。

2. 现有的二次力矩减振器对机架焊接结构疲劳强度造成影响。柴油机自带的二次力矩减振器造成的振动会影响其所在机架的焊接结构。

本发明提供的一种船用二次力矩消振器及控制方法，通过设置的消振装置，并通过传感器使消振装置与柴油机的运转同步，而相位相异，从而实现主动消除柴油机振动的效果。通过将消振装置设置在舵机舱，由于更接近船体振动臂的端点，有利于降低消振所需的能耗。本发明与现有技术中的现有的二次力矩减振器相比具有以下的有益效果：

1、安装方便。可以有效降低柴油机内部系统的复杂程度，无需在柴油机上考虑是否要安装减振器。在船舶试航阶段，根据船体振动测量结果，如果需要安装减振器，则可以随时附加安装。

2、不会影响柴油机主机结构强度。本发明的力矩减振器安装在船体的舵机舱，不会对主机焊接结构造成影响。

3、可以自主控制启停，检修时不需要停止主驱动柴油机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中传感器的布置结构示意图。

图2为本发明中消振装置的结构示意图。

图3为本发明中消振装置的另一优选结构示意图。

图4为本发明中船体振动曲线和消振装置振动曲线的示意图。

图5为本发明中消振装置的在船体布置位置的示意图。

图6为本发明中消振装置的控制框图。

图7为现有技术中二次力矩振动产生的受力分析图。

图8为现有技术中船体受到柴油机二次力矩振动的示意图。

图中：第一传感器1，第二传感器2，第三传感器3，柴油机飞轮4，舵机舱5，消振装置6，电机61，壳体63，润滑油64，盘体65，配重块66，螺栓68，控制装置7，变频器8，船体振动曲线9，消振装置振动曲线10。

具体实施方式

实施例1：

如图1~6中，一种船用二次力矩消振器，包括设置在柴油机上的传感器、控制装置7和消振装置6，所述的传感器用于检测柴油机的转速、方向和死点位置，传感器与控制装置7的输入端电连接，控制装置7的输出端与消振装置6电连接。由此结构，通过控制装置7控制消振装置6产生与柴油机相反的二次力矩振动，从而使振动之间互相抵消，起到主动消除柴油机产生的二次力矩振动的效果。本发明的结构通过采用传感器采集的方案，也便于将消振装置6与柴油机分开安装。

优选的方案如图1中，所述的传感器中，两个传感器设置在柴油机飞轮4的外缘，两个传感器之间的间距为1.25倍的飞轮齿距，安装位置如图1中的第一传感器1和第二传感器2；在飞轮齿顶接近传感器时，传感器输出高电平，两次高电平之间的间隔时间乘以飞轮的齿数就是飞轮的转速，也就是柴油机的转速。通过两传感器输出电平间的时序关系，可以判断柴油机的旋转方向。

在柴油机飞轮4上与柴油机1号缸死点位置相对应的位置设有触发块，本例中优选采用一金属块，在触发块旋转到与柴油机1号缸死点相应的位置设有第三传感器3。通过第三传感器3获取柴油机1号缸死点位置。

优选的方案中，所述的传感器为光电传感器或霍尔传感器；

所述的控制装置为PLC或单片机。其中PLC采用西门子系列，单片机优选采用浙江中控DCS过程控制卡件。

优选的方如图2、3案中，所述的消振装置为由驱动装置驱动旋转或摆动的配重块。通过配重块的转动产生消振振动以抵消船体振动。

优选的方案如图2中，所述的消振装置中，电机61与减速箱62连接，减速箱62的输出轴与盘体65连接，盘体65上固设有配重块66，盘体65的轴通过轴承支承在底座上，盘体65底座与船体之间设有弹簧或橡胶垫块，通过设置的弹簧或橡胶垫块，使盘体65的振动被限定在沿船体上下的方向上；进一步优选的，减速箱62的输出轴与盘体65的轴之间通过弹性联轴器或万向联轴器连接，以避免盘体65产生的振动使减速箱62加快磨损，在简化的结构中，减速箱也可以由普通的链传动机构、皮带传动机构或齿轮传动机构所替代，也能够由电机不经过减速器直接驱动盘体65旋转。本例中的电机61优选采用变频电机，并在电机及减速箱62的轴上设有绝对值编码器，以定位配重块66的相位。

优选的方案如图2中，所述的配重块66有至少两块，在盘体65上设有成圆形的调节滑槽67，配重块66通过螺栓68与调节滑槽67固定连接。通过调节配重块66在圆周上的相对位置，从而调节配重块66产生的振动的大小。也可选用替代方案，如配重块通过红套方式安装在轴上，通过高压液压油调整配重块之间的夹角。本例中配重块66的重量为300kg。

优选的方案如图2中，所述的减速箱62置于壳体63内，壳体63内设有的润滑油64。由此结构，实现减速箱62的强制润滑，以延长使用寿命。

另一可选的方案如图3中，所述的消振装置中，摆动梁601的中部与底座602铰接，摆动梁601的一端设有第一可调配重块603，摆动梁601的另一端通过拉杆605与曲柄606偏心铰接，曲柄606与驱动装置连接，并由驱动装置驱动旋转。本例中的驱动装置优选采用变频电机，变频电机通过减速器或直接传动驱动曲柄606旋转。曲柄606的旋转带动拉杆605往复运动，拉杆605则带动摆动梁601摆动，从而使摆动梁601端头的第一可调配重块603产生上下方向的二次力矩振动。优选的方案中，第一可调配重块603可以调节在摆动梁601上的位置，以调节摆动产生的力矩。进一步优选的方案中，在摆动梁601的另一端设有第二可调配重块604，以平衡配重。在变频电机的轴、减速器的轴或者设置在摆动梁601的传感器也可以获得振动曲线的相位数据。以控制变频电机的转动相位。本方案由于采用了上下摆动的结构，与二次力矩振动匹配度更高，能够降低配重块的质量，本例中所采用的第一可调配重块603重量为130kg。第二可调配重块604重量为10~35 kg。

优选的方案如图5中，所述的消振装置6安装在舵机舱5内。由此结构，可以远离主驱动柴油机，避免互相干扰，并能够采用更小的力矩来减轻振动。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1、6所示，一种采用上述的船用二次力矩消振器的控制方法，包括以下步骤：

s1、通过传感器获得柴油机的转速、方向和柴油机1 号缸上死点位置数据；第一传感器1、第二传感器2和第三传感器3输出的高电平信号输送至控制装置7的控制卡中。电机的相位也通过绝对值编码器将数据传输至控制装置7中。

s2、控制装置7控制消振装置6以柴油机转速的二倍转动，船体振动的相位与柴油机的 1 号缸上死点的角度位置有一定的偏移角度，通过1 号缸上死点位置数据结合偏移角度计算得到船体振动的相位，消振装置6的相位与船体振动的相位具有一个90°±10°的角度差；控制装置7调节电机转速和角度，使得电机带动的盘体65的配重块66；

具体控制方法为，随着传感器信号的输入，控制装置控制消振装置6的转速或摆动速度，并与计算后得到的设定值逐渐同步，消振装置6的相位与船体振动的相位相差90°，由于控制误差的存在，采用PID或其他优选控制方法对电机进行控制补偿，从而实现对配重块速度和位置的精确控制。参见图4，控制的目的使船体振动曲线9与消振装置振动曲线10之间的相位差T尽可能的小。

通过以上步骤以消振装置6抵消柴油机产生的二次力矩振动。

优选的方案中，柴油机在转速低于额定转速的75%~80%时，消振装置6自动停止；柴油机在转速高于额定转速的75%~80%时，消振装置6自动启动。柴油机的转速改变时，减振器能够快速响应。柴油机转速在小范围内波动时，减振器不随之波动。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种船用二次力矩消振器，其特征是：包括设置在柴油机上的传感器、控制装置（7）和消振装置（6），所述的传感器用于检测柴油机的转速、方向和死点位置，传感器与控制装置（7）的输入端电连接，控制装置（7）的输出端与消振装置（6）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的传感器中，两个传感器设置在柴油机飞轮（4）的外缘，两个传感器之间的间距为1.25倍的飞轮齿距；

在柴油机飞轮（4）上与死点相对应的位置设有触发块，在触发块相应位置设有第三传感器（3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的传感器为光电传感器或霍尔传感器；

所述的控制装置为PLC或单片机。

4.根据权利要求1所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的消振装置为由驱动装置驱动旋转或上下摆动的配重块。

5.根据权利要求4所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的消振装置中，电机（61）与减速箱（62）连接，减速箱（62）的输出轴与盘体（65）连接，盘体（65）上固设有配重块（66）；

或者所述的配重块（66）有至少两块，配重块通过红套安装在输出轴上，通过高压液压油调整两配重块间的夹角。

6.根据权利要求5所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的减速箱（62）置于壳体（63）内，壳体（63）内设有的润滑油（64）供轴承润滑。

7.根据权利要求1所述的一种船用二次力矩消振器，其特征是：所述的消振装置（6）安装在舵机舱（5）内。

8.一种采用权利要求1~8任一项所述的船用二次力矩消振器的控制方法，其特征是包括以下步骤：

s1、通过传感器获得柴油机的转速、方向和死点位置数据；

s2、控制装置（7）控制消振装置（6）以柴油机转速的二倍转动，通过死点位置数据计算得到船体振动的相位，消振装置（6）的相位与船体振动的相位具有一个90°±10°的角度差；

通过以上步骤以消振装置（6）抵消柴油机产生的二次力矩振动。

9.根据权利要求9所述的一种船用二次力矩消振器的控制方法，其特征是：柴油机在转速低于额定转速的75%~80%时，消振装置（6）自动停止；柴油机在转速高于额定转速的75%~80%时，消振装置（6）自动启动。