基于高频和低频振动的海洋工作环境的船载设备减振装置的制作方法

本发明涉及一种船舶及海洋工程平台使用的船载设备的减振装置，特别涉及一种可以同时抑制船上高频、小幅度振动和低频、大幅度摇动对船载设备影响的组合减振方式。

涉及专利分类号e04建筑物e04b一般建筑物构造；墙，例如，间壁墙；屋顶；楼板；顶棚；建筑物的隔绝或其他防护e04b1/00一般构造；不限于墙，例如，间壁墙，或楼板或顶棚或屋顶中任何一种结构e04b1/62隔绝或其他防护；用于此目的构件或使用的特殊材料e04b1/92对其他不希望出现的影响或危险的防护e04b1/98防振动或振动。

背景技术：

在船舶与海洋工程领域，船上的振动源根据特性可以分为高频、小幅度振动激励源和低频、大幅度振动激励源两类：依据中国船级社《船上振动控制指南(2012)》，对于一般船舶，螺旋桨激励和柴油机激励是船上主要激励源，其特点为高频、小幅度；

船体受到环境载荷作用会产生六自由度运动响应，从而带动船载设备做复杂运动(三向平动：纵荡、横荡和垂荡，以及三向转动：纵摇、横摇和首摇)，其特点为低频、大幅度。

通过分析可以发现高频振动产生的惯性加速度、低频横摇和纵摇产生的重力各向分量和惯性加速度均会对船载设备的工作性能有一定的削弱。

目前，船舶和海洋平台振动控制主要有被动控制、主动控制、半自动控制、混合控制等几种方式。其中，被动控制是不需要外部能源的减振控制技术，其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为目前应用开发的热点。现阶段，应用于船舶和平台上的控制措施主要为耗能吸能减振，包括弹簧阻尼器、调谐质量阻尼器(tmd)、调谐液体阻尼器(tld)等。

弹簧阻尼器是目前船舶和海洋工程领域中应用最多的减振措施，通过改变系统的刚度来控制系统固有振动与外激励之间的频率关系，并且通过添加阻尼器材起到耗能减振的作用。但是，对于海洋工作环境导致的低频大幅度振源，用弹簧阻尼减振系统不能达到隔振效果。

调谐质量阻尼器(tmd)由质量块、弹簧和阻尼器组成，加入的tmd使得原结构体系的动力特性发生变化。当原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于tmd质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也发挥耗能作用，从而使原结构的振动反应明显衰减。但是，tmd对频率非常敏感，只有频率非常接近结构受控振型的频率时，效果才会很好。此外，质量块通常成百甚至上千吨，再加上悬挂等系统，所占空间庞大，安装不方便。因此，在海洋工程领域，目前这种减振措施只能用于平台，而对作为船用设备的压缩机并不适用。

调谐液体阻尼器(tld)在船舶与海洋工程中最为典型的应用为减摇水舱概念，是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器。在结构振动的过程中，容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压构成为对结构的控制力，同时结构振动的部分能量也将由于水的粘性而耗散掉，从而达到减小结构反应的目的。tld同样对频率非常敏感。此外，液体在晃荡过程中，在一定程度上会对船舶和海洋平台的稳性产生不利影响。而且，目前这种减振措施同样只能用于降低船舶和平台的整体运动响应，对作为船用设备的压缩机并不适用。

此外，在其他领域的一些低频减振装置(例如，折叠摆、x型摆、roberts机构)，通常只是应用于一些精密仪器的隔振上，装置的承载能力弱，因此对于大吨位的船载设备的适用性存在疑问。因此，有必要基于高频和低频振动的海洋工作环境，提出船载设备的新型减振装置。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出的一种基于高频和低频振动的海洋工作环境的船载设备减振装置，包括：

形成摩擦副的固定支撑部和移动支撑部。移动支撑部通常情况下承载设备，固定支撑部作为底座承载移动支撑部。

在优选的实施方式中，所述的移动支撑部位于固定支撑部的正上方，即两支撑部的中轴线同轴，且垂直于水平方向。

所述固定支撑部和移动支撑部的摩擦接触部分分别为球面度相同的球冠或呈球冠分布；所述的固定支撑部以所述移动支撑部承载物的重心为基点摆动，移动支撑部在摩擦副的作用下，保持相对于固定支撑部的稳定。

在优选的实施方式中，摩擦接触部分可选择外形整体为球冠的方案，在其它实施方式中，摩擦接触部分可选择呈放射形式分布排列成球冠的多个接触区域方案，比如采用桁架结构的方案，在桁架的节点处设置滑动或者滚动摩擦件的方案。

采用呈球冠或者球冠的摩擦接触面的方案，能够确保固定支撑部和移动支撑部可以发生相对旋转，使得承载设备移动支撑部的运动较少受到固定支撑部的影响，从而可以大幅度地降低船体低频摇动对船载设备的影响。

此外，球形接触面采用过重心的设计原则，即所述描述的所述的固定支撑部以所述移动支撑部承载物的重心为基点摆动的方案，在船体发生水平面运动(纵荡和横荡)的时候，固定支撑部对移动支撑部的支承力始终过船载设备重心，不会使得移动支撑部承载的设备产生额外旋转力矩，从而可以从根本上解决常规球形凹槽下船体纵/横荡会使得设备产生较大相对旋转的问题。

作为可选的实施方式，在摩擦界面可加入润滑剂，进一步的减少摩擦阻力。

在极端海况下，虽然采用球冠型底的移动支撑部能够相对于固定支撑部作出相对旋转，但是由于船舶横摇、纵摇等产生摆动较为剧烈(频率和幅度等参参数)，故作为优选的实施方式，所述摩擦副为滚动摩擦，能够进一步减少移动支撑部和固定支撑部之间的摩擦，减少移动支撑部和其承载设备的运动幅度。

更进一步的，作为优选的实施方式，所述的固定支撑部和移动支撑部之间具有多个规律分布的滚珠，以实现滚动摩擦。

更进一步的，为了保证安装时滚珠位置稳定、防止实际运行中滚珠相对位置变化甚至发生滚珠漏出，在滚珠和移动支撑部的下底面(也可在固定支撑部的上底面，即球冠型凹槽的地面)之间设置保持架或球形凹槽。

对于保持架或者球形凹槽方案，可以采用类似万向球结的形式。同时，可与前述的方案配合，即整个所述的移动支撑部采用桁架结构固定多个呈放射性的支撑杆，杆的前端设置所述的滚珠，使得滚珠全部分布在一个虚拟的球冠表面。

作为最优选的实施方式，所述的固定支撑部与船舶或海洋平台的甲板连接，上部设有容纳所述移动支撑部的球冠型凹槽，所述的移动支撑部下端为与所述球冠型凹槽对应的球缺体，在球缺体球冠表面设置多个容纳所述滚珠的凹槽。

考虑到，在极端的百年一遇海况下，船舶(海洋平台)在船头穿越巨浪时，纵摇的幅度可能超过40°在这种极端情况下，移动支撑体相对所述固定支撑体的位置可能导致其所承载的设备的重心位于固定支撑体所能提供支撑力的范围之外(即移动支撑体的运动范围超过预定幅度)，故作为优选的实施方式，所述的球缺体高度小于所述球冠型凹槽的深度。

更进一步的，所述的球冠型凹槽设有限制所述球缺体相对运动的阻挡部，以进一步限制移动支撑部的相对运动幅度。

作为优选的实施方式，阻挡部可配合所述球冠型凹槽的形状，在槽上端的边沿设置突出的阻挡边(沿)的形式；也可考虑在球冠型凹槽的内部设置类似的阻挡边(沿)。

为了能够减少船舶或者海洋平台上高频、小幅度振动以及自激振动对船载设备的影响，作为优选的实施方式，在固定支撑部的底部设有减震组件，过滤高频和小幅震动对船舶设备的影响。

更近一步的，固定支撑部和船体上甲板之间的弹簧减振器基于“三点稳定”原则进行布置，此外在弹簧减振器与底座连接位置设置滑道，保证一个减振器固定，另外两个可以发生相对平动和转动。可以在保证三点形成稳定面的同时，减小三个弹簧减振器相互之间的相对变形，从而最大程度地降低稳定面的曲度。综上所述，本发明减振装置可以实现降低船体上甲板弯曲和扭转变形对船载设备的影响。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明减振装置的三维示意图；

图2为减振装置的二维剖面正视图；

图3为减振装置弹簧减振器的二维布置图；

图4为船体横摇10度条件下减振装置滑动和滚动接触导致的船载设备旋转角度变化的关系示意图，其中图(a)为不同摩擦系数的滑动接触引起的设备旋转角度的时程曲线图；图(b)为滚动接触引起的设备旋转角度的时程曲线图；

图5为减振装置的滚动接触结构示意图；

图中，1、船载设备(此处以船载压缩机作为示例)，2、固定支撑部，3、移动支撑部，4、接触面，5、限位器，6、弹簧减振器，7、滚动接触结构，8、移动支撑部下底面，9、支架下底面的半球形凹槽，10、滚珠元件。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图5所示：

基于高频和低频振动的海洋工作环境的船载设备减振装置，主要包括作为底座的固定支撑部2，改支撑部在本实施例中主体为长方体，在长方体上端设有球冠型的凹槽，即图2所示接触面4的形状为球冠，即为球面的一部分。

在图1和2所示方案中，固定支撑部2为一整体，在实际使用过程中，也可设置对应的桁架架构承托球冠型的凹槽形式接触面4，在保证强度的同时，减轻重量。

设置在所述球冠型凹槽中的移动支撑部3，如图2所示，整体为球缺体，在图2中的侧投影为倒置的球冠，移动支撑部和固定支撑部的球冠的球面度相同，使得移动支撑部和固定支撑部的表面均能够贴合，形成所述的接触面4。

在本实施例中描述的方案的移动支撑部3，需要根据其承载的设备设定自身的尺寸，以实现所所述的固定支撑部以所述移动支撑部承载物的重心为基点摆动的方案，即过重心原理。

一般的，需要首先确定移动支撑部上部的最小尺寸。

然后，根据船载设备的重心位置，结合确定的移动支撑部上部的最小尺寸位置，确定固定支撑部的半径。

根据船载设备的重心位置和球冠半径，构造出所述摩擦副球冠结构形状和具体尺寸。

在此基础上，结合船舶总布置，设计“基础底座”外部尺寸。

最终使得固定支撑部能够实现“过重心”原则，使得固定支撑部能够在高海况下，以承载设备重心为基准点产生摆动。

同样的，所述的移动支撑部3可采用整体型材成型，比如大型铸件/锻件一体成型，也可考虑采用类似前述的桁架结构拼接出整体结构，减轻重量。移动支撑部3的顶部设置相应的设备，在图示中以船载压缩机作为实例。

所述的移动支撑部3下部球缺体高度小于所述球冠型凹槽的深度。在球冠型凹槽的侧边缘设有所述的球冠型凹槽设有限制所述球缺体相对运动的挡板。挡板向槽内水平延伸。

在附图所示的实施例中，所述的移动支撑部3球缺体的表面设有多个固定槽，槽内分别布置等尺寸的滚珠，使得移动支撑部3与固定支撑部2之间的摩擦变位滚动摩擦，使得船载设备在船体纵横摇的时候更好地保持稳定状态。

当基础底座和旋转支架发生相对转动时，由于摩擦的作用，底座对旋转支架会产生固定的摩擦力矩(取决于压力、接触面积、摩擦系数、旋转半径)，作用在旋转支架和船载设备上产生转动力矩，进一步可以计算得到船载设备的旋转加速度。进一步，将分析结果展示如图4所示，将基础底座和旋转支架钢结构之间的滑动摩擦系数分别设置为0.05、0.01和0.15，通过理论计算可以得到虽然基础底座和旋转支架之间接触面采用球形设计，但是在船体遭遇一年一遇工作海况载荷的作用下滑动摩擦使得船载设备仍然会产生6度左右的相对旋转。即使在接触面上加润滑剂，相对旋转角度也只能降为2度。但是，如果将滑动摩擦变为滚动摩擦，相对旋转角度最大只能到0.2度，这样可以实现在船体大幅度低频横纵摇条件下船载设备基本保持不动。

在固定支撑部2和船体上甲板之间，弹簧减振器基于三点稳定原则进行布置，参见图3。在此基础上，其中一个设置为固定连接，另外两个在减振器与基础底座的连接位置设置滑道，确保可以发生相对平动和转动，如图3所示,，从而可以改变三个弹簧减振器所确定的基础面的相对线变形和角变形。因此，在抑制船上高频、小幅度振动的同时，通过改变弹簧减振器三点的相对位置和角度，可以大幅度地降低船体上甲板弯曲和扭转变形对船载设备的影响。

通过采用本发明实施例中的技术方案，可以达到如下效果：

1.能够降低船体低频、大幅度摇动对船载设备的影响：在船体发生大幅度低频摇动时(纵摇、横摇和首摇)，旋转支架和基础底座会产生相对滑动。在理想状态的时候，两者接触面之间摩擦力为零，船体运动不会带动旋转支架发生转动，所以理论上可以实现船载设备始终处于无旋转状态。此外，在实际考虑摩擦的情况下，经过推导分析，在一年一遇海况(工作海况)下船体横摇运动为10度左右的时候，在不依赖于限位器和采用实际滚动接触的前提下，本发明专利就可以使得船载设备的横摇角度小于0.2度，基本抑制了船载设备的旋转运动。进一步，当船体发生纵荡和横荡运动的时候，在旋转支架和基础底座之间接触面上的作用力呈现出非对称状态。但是，由于作用力是过重心的，所以在产生水平力的同时，抑制了旋转力矩的产生。因此，在一年一遇海况(工作海况)下船体发生大幅度低频纵荡和横荡运动不会使得船载设备产生额外的旋转运动。最后，通过分析可知船载设备z向最大加速度通常要小于重力加速度9.81m/s2。因此，在船体发生六自由度运动过程中，旋转支架和基础底座不会发生垂向分离，同样不会发生滚珠漏出等事故。综上所述，本发明减振装置可以实现降低船体低频、大幅度摇动对船载设备的影响。

2.能够降低船上高频、小幅度振动以及自激振动对船载设备的影响：基于多自由度系统的基座隔振原理和单自由度系统自激振动的减振原理，根据推导计算得到的位移-刚度曲线进行减振装置刚度设计，使得系统(船载设备、旋转支架和基础底座等)的频率比远大于√2。此外，在保证可以安全通过共振区的前提下，选取适当小的阻尼，从而可以最大程度地降低系统高频、小幅度振动的传递率。例如，在设计频率比为3.0，阻尼比为0.05时，减振装置可以使得传递到船载设备上的高频振动幅度和加速度至少减小到10％，设备自激振动放大率减小到5*10-11mn-1。综上所述，本发明减振装置可以实现降低船上高频、小幅度振动以及自激振动对船载设备的影响。

3.能够降低船体上甲板弯曲和扭转变形对船载设备的影响：基础底座和船体上甲板之间的弹簧减振器基于“三点稳定”原则进行布置，此外在弹簧减振器与底座连接位置设置滑道，保证一个减振器固定，另外两个可以发生相对平动和转动。这样，可以在保证三点形成稳定面的同时，减小三个弹簧减振器相互之间的相对变形，从而最大程度地降低稳定面的曲度。综上所述，本发明减振装置可以实现降低船体上甲板弯曲和扭转变形对船载设备的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。