0 引言

船舶系統(tǒng)在航行過程中隨時會遇上風(fēng)浪平敏，風(fēng)浪將不可避免的對整個傳播系統(tǒng)造成振動。而振動是造成船舶電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞的災(zāi)害之一。船舶在航行中強(qiáng)烈的振動會使得電氣設(shè)備發(fā)生短路故障或基礎(chǔ)松動破壞桩撮，而且會造成整個電力設(shè)施的癱瘓或崩潰。電力系統(tǒng)的破壞還將導(dǎo)致眾多其他的災(zāi)難：船員正常的生產(chǎn)筛毡、生活無法開展仆腐，如遇突發(fā)事件（火災(zāi)、缺水）等敢铲，將造成不可預(yù)計的嚴(yán)重后果鉴凸。

根據(jù)國內(nèi)外電氣系統(tǒng)在船舶應(yīng)用中因?yàn)檎駝邮闆r來看，電氣系統(tǒng)失效危害集中在以下方面：(1)變壓器的破壞：由于強(qiáng)力的振動垮软，使得固定在傳播上的螺栓因?yàn)榧袅Χl(fā)生折斷或者在振動中沒有良好的防松裝置等方式的失效驴涡，造成變壓器的損毀；(2)蓄電池的破壞：蓄電池在船舶中扮演很重要的角色伊屈，一旦其發(fā)生破壞很多備用裝置無法啟動觅符，將造成整個船只的混亂诉拔，后果不堪設(shè)想；(3)互感器的破壞：電壓互感器深吠、電流互感在強(qiáng)力的振動中會從沒有固定好的支架上跌落增厢，這將導(dǎo)致瓷件的破碎或者線路折斷等故障的發(fā)生。此外吴攒，由于地震使電流互感器處于開路狀態(tài)张抄，這就可能產(chǎn)生高電壓短路造成設(shè)備或線路被燒毀等次生災(zāi)害。

因此洼怔，為了避免上述各類危害在船舶運(yùn)行中發(fā)生署惯，開展關(guān)于振動對于船舶電力系統(tǒng)的破壞的研究就十分有必要，本文基于振動實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析各類振動對于電力系統(tǒng)的影響镣隶，找出對船舶電力系統(tǒng)振動較小的固定方式方法极谊。同時也為后續(xù)進(jìn)一步研究提供必要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 振動實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了對整個船舶電力系統(tǒng)的模擬分析安岂，需要對各電氣設(shè)施的各個部分進(jìn)行模態(tài)分析轻猖，這有利于了解它們的動力各項特征，為后續(xù)的振動實(shí)驗(yàn)提供必要的理論依據(jù)域那。本實(shí)驗(yàn)中主要是經(jīng)過振動實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的測定咙边，因此將采用時程分析法進(jìn)行分析。該方法是把動力以時間函數(shù)的方式導(dǎo)入微分方程中次员，并通過積分的方法得到各時刻的響應(yīng)及其變化情況败许。

結(jié)合船舶電力系統(tǒng)以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用積分法中的HHT法對配電系統(tǒng)的振動反應(yīng)進(jìn)行分析淑蔚￠苌洌基于HHT法是將系數(shù)α引入并修改相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力方程，如公式（1-1）崔捌，對該公式使用Newmark方法進(jìn)行計算求解洪防。

上式中α=0-0.3區(qū)間。

使用泰勒公式展開榄陆，則

對于上式進(jìn)行積分則可以得到：

將（1-4）分別帶入（1-1）和（1-2）則可得：

上述所有計算公式中都是基于在單位時間步長（Δt）內(nèi)的剛度沛摩、阻尼、振動剧债，輸入加速度窃征，它們均不發(fā)生變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

在船舶電力系統(tǒng)中紫鳄，一般均有單獨(dú)的配電房間芳潦。本實(shí)驗(yàn)為了模擬出船舶在實(shí)際航行中的狀況，分別作了以下假設(shè)：配電房材料采用混凝土結(jié)構(gòu)來保持其堅固性灸蛤，而電力設(shè)備均采用鋼材鹃漩。兩種材料的主要參數(shù)對比表如表1所示蕾奴。

表1 兩種材料主要參數(shù)對比

1.3 振動類型的定義

為了模擬各種波動下對于電力系統(tǒng)的影響，分別選擇了不同的場地類型的振動波來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)制圈，這也會使得所獲得的電力系統(tǒng)的分析結(jié)果更具有普遍意義们童。各種類型的振動輸入如表2所示。

表2 振動實(shí)驗(yàn)的振動波列表

1.4 質(zhì)量比定義

為了顯示單位電氣質(zhì)量在所放置質(zhì)量中的振動效果鲸鹦，定義質(zhì)量比概念如下：

上式中β為電氣設(shè)備總質(zhì)量與配電房的整體的質(zhì)量之比慧库，me和ms分別是電氣設(shè)備總質(zhì)量和配電房質(zhì)量。

2 振動結(jié)果分析

2.1 不同質(zhì)量比和場地類型位移影響分析

表3為設(shè)備處于不同質(zhì)量比在不同工況水平下的最大位移分析馋嗜。

表3 設(shè)備處于不同質(zhì)量比的不同工況下最大位移分析

從表3可以看出：①隨著設(shè)備質(zhì)量比的增大齐板，設(shè)備的振動輸出效果則表現(xiàn)得越發(fā)強(qiáng)烈，這個趨勢可以從圖1看出葛菇。②從圖2可以看出在不同的類型場地上即使同樣的設(shè)備質(zhì)量比也會出現(xiàn)不同的位移分布狀態(tài)甘磨，由圖可以看出I類的場地總體來說是位移最小的，而IV類場地則出現(xiàn)最大的位移幅度眯停，II济舆、III類介于兩則之間。因此在電力設(shè)備的布置當(dāng)中如果能夠選擇I類場地則能夠有效降低其位移量莺债，在實(shí)際運(yùn)用中盡力避免IV場地的布置滋觉。

圖1 I類場地不同設(shè)備質(zhì)量比位移圖

圖2 不同類場地位移分布圖

圖3 質(zhì)量比為0.3下的A、B點(diǎn)在不同阻尼比條件下的加速度對比

圖4 質(zhì)量比為0.2下的A讼石、B點(diǎn)在不同阻尼比條件下的加速度對比

2.2 電氣系統(tǒng)在振動中的加速度譜分析

圖3和圖4分別為不同質(zhì)量比的電氣設(shè)備經(jīng)受振動波峰值加速度為400cm/s²作用下苇赊，電氣設(shè)備上所取A點(diǎn)及該點(diǎn)所在配電房地板B點(diǎn)取其阻尼分別為0%，1%以及1.5%條件下的加速度頻譜對比圖骚目。

通過對比上述兩圖中可以得到以下結(jié)果：

(1)通過觀察圖3和圖4可以看到不管是何種質(zhì)量比的設(shè)備阴些，A點(diǎn)的頻譜都比B點(diǎn)的頻譜頻帶更加狹窄历劣，A點(diǎn)頻譜的振動的峰值都比B點(diǎn)要高冷沿，且更為集中，說明該部分集中了主要的能量根丈。而實(shí)驗(yàn)A點(diǎn)為電氣設(shè)備上的點(diǎn)病唁，這說明其具有更高的能量，也就將獲得更大的加速度抹寿，這在振動中也就更具破壞力券听；而B點(diǎn)為配電房所在地板上的點(diǎn)，其在收到?jīng)_擊時所受到的沖擊則相對A點(diǎn)來說小了很多馆寇。

(2)觀察圖3和圖4的不同阻尼比下的頻譜曲線可以看出骨唇，各個頻譜的形狀接近，但是隨著阻尼的變化出現(xiàn)一定的差異等缀。從其形狀接近知道本次實(shí)驗(yàn)基本接近于真實(shí)的沖擊振動試驗(yàn)枷莉，而不同阻尼比則反映了不同的阻力對于設(shè)備抗振動性能有直接聯(lián)系：阻尼比大的其振動峰值較小娇昙，阻尼比小的其頻譜峰值較大。因此笤妙，在設(shè)計過程中要增加設(shè)備的阻尼比冒掌。

(3)圖3所示為設(shè)備質(zhì)量比β=0.3時的頻譜，從圖上可以看出A點(diǎn)的頻譜峰值出現(xiàn)在的周期約為對應(yīng)的周期為0.45s蹲盘，而B點(diǎn)頻譜峰值出現(xiàn)在的周期約為對應(yīng)的周期為0.82s股毫。這就反映出電氣設(shè)備的頻譜峰值同配電房對應(yīng)的峰值是錯開的，在該工況下電氣設(shè)備的振動周期能夠有效地避開了配電房的振動周期召衔，二者不會發(fā)生共振現(xiàn)象铃诬，這就能夠減少電氣設(shè)備的振動。反觀圖4所示設(shè)備質(zhì)量比β=0.2時的頻譜薄嫡，A點(diǎn)和B點(diǎn)的頻譜峰值出現(xiàn)在的周期均在0.5s附近氧急，在該狀態(tài)下就有可能形成電氣設(shè)備同配電房形成共振現(xiàn)象，這將會明顯放大電氣設(shè)備的振動頻譜毫深，造成設(shè)備的強(qiáng)力振動吩坝。

3 船舶電力系統(tǒng)振動破壞仿真分析

3.1 仿真過程

為了對船舶電力系統(tǒng)的抗振性能進(jìn)行分析，建立了仿真模型如圖5所示径以。使用仿真對系統(tǒng)進(jìn)行模擬并進(jìn)行計算分析姐硬，這樣能夠在設(shè)計過程中就對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提高效率夺疹。本次模擬實(shí)驗(yàn)以船舶正在運(yùn)行時遭遇大的波浪形成強(qiáng)震動柄豹，使用上述的IV類場地1型工況，為Tri型振動波应康。整個過程如下：首先是發(fā)電機(jī)組正常啟動并組網(wǎng)運(yùn)行橱狗，之后液壓油泵啟動，經(jīng)過0.1s后兩翼推進(jìn)器啟動運(yùn)行坝贿，0.2s時液壓泵的電路發(fā)生接地故障夭私，0.4s時由于電路中的短路電流過大發(fā)動機(jī)組自動跳閘保護(hù)。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

3.2 結(jié)果分析

(1)兩翼推進(jìn)器啟動時電流和轉(zhuǎn)速的變化爬搓。該失效狀態(tài)如下所述：0.1s時由于兩翼推進(jìn)器的啟動添镜，因此起動電流將會變得更大。0.2s時側(cè)推器的起動電流將減小唠鹅。受到振動發(fā)生接地故障0.4s時發(fā)電機(jī)跳閘保護(hù)窿锉，則起動電流為0，轉(zhuǎn)速開始下降膝舅，參數(shù)變化如圖6所示嗡载。

圖6 液壓泵以及兩翼推動器短路后電流及轉(zhuǎn)速圖

圖7 短路后發(fā)電機(jī)組電流、電壓及電網(wǎng)電壓

(2)發(fā)電機(jī)組電流、電壓和電網(wǎng)相電壓變化洼滚。該失效狀態(tài)如下所述：液壓泵(220kW)起動時怯伊，由于初始外界負(fù)載比較小，發(fā)電機(jī)輸出電流也相對較小判沟。0.1s時兩翼推進(jìn)器(2300kW)起動耿芹，由于該項負(fù)載很大，發(fā)電機(jī)輸出將出現(xiàn)電流高峰值挪哄。之后遭遇振動吧秕，0.2s時發(fā)生三相接地故障，使發(fā)電機(jī)的電流達(dá)到極限值迹炼，0.4s時發(fā)電機(jī)組跳閘保護(hù)砸彬，輸出電流為零。對于電壓來說斯入，包含外加載荷狀態(tài)下電壓不可避免要出現(xiàn)下降蓉凰，在接地故障發(fā)生時輸出電壓下降到極限值，在開關(guān)跳閘保護(hù)后電網(wǎng)的電壓為零万僚，電網(wǎng)失壓酬绞，參數(shù)變化如圖7的電流以及電壓所示。

4 結(jié)論

船舶系統(tǒng)在行駛過程中會出現(xiàn)很多的顛簸或祖，因此其內(nèi)部系統(tǒng)的抗振動能力至關(guān)重要祖务。對于其電力系統(tǒng)的抗振動能力需要進(jìn)行測試，并找出最優(yōu)的抗振動方法凰彼。文章通過使用多種模擬船舶電氣柜或配電房彭撑，采用不同的質(zhì)量比對不同的振動輸入進(jìn)行測試，并對結(jié)果進(jìn)行了分析葛昏，獲得了以下結(jié)論：(1)在同一工況下設(shè)備質(zhì)量比對電氣設(shè)備的振動有直接的影響蜈藏；質(zhì)量比越大則設(shè)備的振動越強(qiáng)烈；(2)場地類型對振動位移有影響绝鸡，在實(shí)際運(yùn)用中盡力避免IV場地的布置迂雪；(3)不同阻尼比下的頻譜曲線能夠反映真實(shí)的沖擊振動，阻尼比小的其頻譜峰值較大女责。因此漆枚，在設(shè)計過程中要增加設(shè)備的阻尼比创译；(4)設(shè)備質(zhì)量比不同將會形成不同的電力系統(tǒng)和配電柜的頻譜抵知，在實(shí)際運(yùn)行過程中要盡力避免二者頻譜的重疊，盡力減少電力系統(tǒng)和配電柜的共振软族，以期減輕對電力系統(tǒng)的振動刷喜，保護(hù)船舶電力設(shè)備；(5)通過對振動破壞下系統(tǒng)短路進(jìn)行模擬分析，指出振動破壞對于電力系統(tǒng)的影響掖疮。

（互聯(lián)網(wǎng) 作者：莊一凡 ）

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