1、研究目的及意义

船舶推进轴系是船舶动力装置重要组成部分,它包括从主机输出端推力轴承到螺旋桨之间的传动轴及轴上的附件。船舶推进轴系主要功能是,将船舶主机发出的功率传递到螺旋桨,从而使螺旋桨产生转动,同时又将螺旋桨旋转时产生的推力传给船体,推动船舶前行^[1]。

船舶推进轴系运转时,受到船体变形、润滑油膜、推进电机、螺旋桨水动力等各种动态因素影响,将不可避免产生振动。如螺旋桨在船尾不均匀流场中的旋转,产生变动弯曲力矩和不均匀的推力,而构成船舶舵机部的扰动源,进而引起船体的局部振动更严重的甚至会导致总振动。如果运动机械扰动频率与系统自振频率相一致时,运转设备将发生共振。如果发生破坏性共振可以直接引起运动部件甚至整机的严重损坏。即使没有发生共振,一旦超过允许标准的振动,动力机械本身就会影响机械的寿命及工作可靠性。如果传到船体,就会引起环境振动,使船体结构附加应力增加,影响船体结构强度,同时还会影响周围电子电器设备工作精度。环境振动过于严重,使得工作人员工作条件恶化,振动较轻时则增加人的疲劳,情况非常严重时还会影响人的精神健康。

对一些深潜器而言,强烈的机械振动经过船体传至水中,在舰船的周围形成一个强大噪声源,使得其隐蔽性下降,对于某些军用舰艇而言这些振动在作战时常常成为敌人通讯器材的搜索对象,导致敌人武器的攻击,后果不堪设想。因此,对船舶电力推进情形下轴系的振动以及运动状态展开研究,为船舶轴系的优化设计、轴系的安装提供依据。所以展开这一方面的研究还是具有十分重大的意义。

轴系振动控制的目的是减小轴系纵向振动向船体的传递，避免引发船体结构产生噪声，但具有一定的难度：一方面要绝对保证推进轴系的基本功能；另一方面要保障推进轴系的抗冲击性能。现有推进轴系设计以功能为主，结构修改的余地较小，难以通过优化设计进行减隔振，研究的重点仍是在轴系上安装一些振动控制装置。被动控制装置虽然简单可靠，但不能随外界激励而自适应变化，难以应用于宽带扰动的抑制，且其控制效果也极其有限。主动控制技术由于具有适应性强、控制效果好等潜在的优越性，成为轴系振动控制一条重要的新途径。

国外在主动控制技术方面研究较早，针对舰船推进轴系振动主动控制技术，TRINDADE^[2–3]，DALEY^[4]，CARESTA^[5]等开展了大量的理论和试验研究工作，取得了许多有益的成果；而我国在推进轴系振动主动控制方面的研究还处于起步阶段。为此，本文总结国内外舰船推进轴系振动控制方案及建模方法，概述轴系振动主动控制策略及自适应算法，给出轴系振动主动控制试验的示例验证情况，并结合现有研究成果对推进轴系振动主动控制技术后续重点研究方向提出一些建议。

1.1国外研究现状

推进轴系纵向振动控制问题研究在国外起步较早，现在大量相关的研究工作仍在进行。20世纪40年代，根据大量舰船航行试验，美国海军明确主推进轴系纵向振动是造成主推进轴系过早失效的主要原因，并经过系统的理论分析和试验研究提出了一些主推进轴系纵向减振的措施^[6]。20世纪60年代，GOODWIN^[7]率先将共振转换器应用到舰船轴系纵向振动控制中，并研究了共振转换器对轴系振动的影响。Michell轴承公司在上述研究的基础上，研制了轴系共振调节器，加装在推力轴承内部，后来成为英国和美国海军舰船的标准配置。1989年，美国LEWIS等^[8–9]提出了一种轴系纵向振动主动控制方法，即在原有推力轴承基础上并联1个辅助磁推力轴承，通过闭环反馈控制对磁推力轴承进行实时调节，有效衰减了螺旋桨动态力向艇体的传递，但导致轴系振动有所增大，其减振效果有限。1990年BAZ等^[10]研究了基于气动伺服控制的轴系纵向振动主动控制技术，实验结果表明气动伺服作动器在低频段的控制效果明显。2002年PAN等^[11]在简单的桨轴系统试验平台上，研究了通过主动作动器控制推力轴承油膜刚度可以减小螺旋桨引起的结构振动，但轴承刚度具有时变特性，控制较为复杂。JOHNSON^[12]设计出一种与推进轴系并联的电磁式主动控制装置，采用惯性质量块作为作动元件，低频减振效果显著，且对推进轴系影响较小。

2000年以后，澳大利亚新南威尔士大学DYLEJKO等^[13–14]和MERZ等^[15–16]在GOODWIN的基础上研究了在桨轴系统－艇体耦合振动中共振转换器参数优化设计的问题，如图2所示。前者分析了不同参数对艇体共振和声辐射的影响规律，获得了共振转换器的设计参数。后者研究了共振转换器与分布式主动吸振器组成的主被动混合控制系统对轴系振动与艇体声辐射的影响。通过对含有共振转换器的主被动控制系统的减振效果进行对比分析，结果表明艇体100Hz频率以内的辐射噪声得到了明显抑制。

2008年，在欧洲海事技术大会上，英国宇航公司提供了螺旋桨轴系艇体振动主动控制技术的宣传海报，该控制方案为主动控制装置作用于推力轴承基座上。由此可见，螺旋桨－轴系－艇体耦合纵向振动主动控制技术在国外已经受到重视，而且很可能已经应用于实艇。