一種全迴轉舵槳雙層減振裝置及其設計方法與流程
2023-09-19 11:54:05 6
本發明涉及一種全迴轉舵槳雙層減振裝置及其設計方法，尤其涉及一種全迴轉舵槳裝置的垂向、橫向、縱向、扭轉方向及其耦合振動的減振技術，屬於船舶設備減振技術領域。
背景技術：
全迴轉拖輪是指在原地可以360°自由旋轉的拖輪，這種船舶的轉向靈活，迴旋半徑小，能在原地打轉，操作方便靈活,控制性能好，可在較短時間內把船停住，適宜在有限水域操縱。通常情況下，該類船舶是無舵雙槳，在靠離碼頭、協助大船靠離泊等作業中，能通過調整兩槳的角度和轉速使拖輪作任意方向的運動。在緩流無船速的情況下可橫移，對本船靠離泊十分有用。倒車時只要調節螺旋槳方向，比前進更靈活。其艉部形狀較簡單，所受流體阻力較小，並且在其推進器發生故障時可以將整機從機艙吊出而不需要進塢，使維修工作大大簡化，增加了船舶柴油機的使用壽命。
全迴轉拖輪正朝著大功率、高性能方向發展。設計製造適應現代大型船舶要求的大功率、高性能全迴轉拖輪，是全迴轉拖輪的主要發展方向。由於全迴轉拖輪的工作使命及功能要求，對機艙動力裝置的動力性能、可靠性、操縱性提出了很高的要求。全迴轉拖輪的動力設備種類及數量眾多，功率大，在機艙內部布置緊湊，艙室振動噪聲問題較為突出，在全負荷工況時主機艙內噪聲達到110dB(A)左右。由於船型的特殊性，生活艙室距離主要振動噪聲源機艙和舵機艙的距離較近，機艙和舵機艙的振動噪聲很容易傳遞到全迴轉拖輪的各個主要生活艙室，其振動噪聲往往超過國內外的標準許用值，嚴重影響船員的正常生活。
機艙內的主機、軸系和舵機艙的全迴轉舵槳裝置，是全迴轉拖輪的主要振動源。全迴轉舵槳裝置往往採用剛性安裝的方式直接安裝在舵機艙船體基座上。一方面，由於全迴轉舵槳裝置內部安裝的減速齒輪、換向裝置、液壓馬達等部件在運動的過程中不可避免地產生振動激振力，然後通過安裝基座傳遞到舵機艙及拖輪的各個艙室；另一方面，機艙主機、軸系及各種輔機的振動也會通過船體結構傳遞到全迴轉舵槳裝置，影響舵槳裝置的可靠運行。
申請號為CN201210154326.0，名稱為「舵槳降噪減振安裝結構」的發明專利，公開了一種舵槳降噪減振安裝結構，舵槳與船體井座配合的安裝面設有隔振器，隔振器支撐於船體井座上並與船體井座聯接，舵槳與船體井座之間連接有密封墊。該安裝結構能很好的減弱與吸收舵槳的振動和噪聲，提高船舶航行時的舒適性，尤其適合對航行過程中振動和噪聲有特定要求的船舶。雖然在全迴轉舵槳裝置與舵機艙基座的安裝面之間安裝減振器，在理論上可以減少舵槳裝置之間的振動傳遞。然而，即使對一個主機功率680kW，轉速1000r/min的軸系，由於船舶航行時水流對螺旋槳產生100kN量級的推力(反作用力是螺旋槳產生的推力)，該推力作用在螺旋槳的軸心位置，低於全迴轉舵槳裝置與舵機艙基座安裝面1.5米量級的距離，形成的扭矩會引起減振器產生約10mm量級的變形；同時，在舵槳裝置輸入軸的扭矩和螺旋槳軸的扭矩作用下，會引起減振器產生更大的變形。這種變形會引起船舶傳動軸系與舵槳裝置的輸入軸之間產生不對中，從而影響船舶主推進軸系的正常運行。在這種安裝方式下，為了減少減振器的變形，不得不選用剛度很大的減振器，如為了使減振器的變形量控制在4mm以內，減振器的剛度將是常規選型時的5倍以上，導致舵槳裝置垂向的固有頻率在20Hz以上，根據隔振理論可知其僅對1.4倍以上頻率的擾動力才具有減振效果，而舵槳裝置隔振系統的橫搖和縱搖的固有頻率更是達到60Hz以上，隔振系統如此高的固有頻率，嚴重影響著舵槳裝置隔振系統的減振效果。
因此，減少舵槳裝置隔振系統中隔振器的靜變形量，並降低隔振系統的固有頻率，成為舵槳裝置隔振設計的難題。由於舵槳裝置受到多個激勵力的同時作用，採用傳統的單層隔振系統的隔振方式(傳統減振設計時將多個減振器安裝在單一平面內)，難以同時控制舵槳裝置減振器變形量和控制隔振系統固有頻率。
技術實現要素：
本發明目的在於克服難以同時控制舵槳裝置減振器變形量和控制隔振系統固有頻率的矛盾，為實現在控制減振器變形量的同時提高隔振系統的減振效果，所發明的一種全迴轉舵槳雙層減振裝置。
為達到上述目的，本發明實現目的所採取的技術方案是：一種全迴轉舵槳雙層減振裝置，包括基座結構1、安裝臺架5和減振組件；其特徵在於：所述基座結構1和安裝臺架5均為上下兩端連接開有中心孔蓋板的圓桶體，且所述蓋板的直徑大於圓桶的直徑，其中所述基座結構1通過上下兩端蓋板的中心孔設有間隙的套裝在所述安裝臺架5的外徑上，所述基座結構1上下兩端蓋板沿圓周面上對稱均等開設有若干個螺栓孔，所述安裝臺架5上下兩端蓋板沿圓周對稱均等設有若干個凸緣，所述減振組件包括減振塊罩殼3和減振塊4，其中所述減振塊罩殼3的縱截面為倒「T」形，且底部小扇環形一端設有沉孔，大扇環形一端沿弧長方向均布設有若干個孔的扇環形結構體；所述減振塊4為縱截面呈「L」形且上下橫截面均呈扇環形的結構體，其中相互垂直的上扇環形塊的內徑壁面中部開設有與所述安裝臺架5上下兩端面板上所設有的凸緣相配合的豎直凹槽的扇環形結構體；所述減振塊4的下扇環形塊嵌入所述減振塊罩殼3的沉孔中，且通過減振塊罩殼3上設有的螺栓孔和螺栓2與所述安裝臺架5相連接。
進一步，上述所述扇環形的圓心角θ為15～30°。
進一步，上述所述減振塊罩殼3的大扇環形一端縱向高度d1為20～40mm，且減振塊罩殼3的底部小扇環形一端設有的沉孔深度d2為15～30mm。
進一步，上述所述減振塊4上扇環形塊的高度L1為20～50mm，其內徑壁面和外徑壁面之間的壁厚(R1-R2)為20～50mm，下扇環形塊的高度L2為40～80mm。
進一步，上述所述減振塊4的材料為粘彈性高分子材料，用天然橡膠或其它高分子材料為主要原材料經過一定配方和工藝硫化而成，邵氏硬度為45°～75°。
進一步，上述所述豎直凹槽橫截面為矩形或者扇環形或者燕尾形。
進一步，上述所述減振組件為減振塊4利用減振塊罩殼3硫化成形並且以一定強度粘貼在其槽中而形成的結構，減振塊4的下扇環形塊的高度L2與減振塊罩殼3的沉孔深度d2之比為1：(1.5～4)。
進一步，上述所述減振組件上、下兩層安裝的數量均為8個，上、下正對安裝或錯位安裝所述減振組件。
進一步，上述所述有若干個凸緣周向均布於安裝臺架5上、下端面的數量均為8個。
進一步，上述所述若干個孔數量為3個。
進一步，上述所述若干個螺栓孔數量為24個，每3個作為1組。
為達到上述目的，本發明實現目的所採取的另一技術方案是：
一種全迴轉舵槳雙層減振裝置的設計方法，包括以下步驟：
S1：依據全迴轉舵槳裝置的出廠參數，查出其質量為m、轉動慣量I，初步計算得到減振塊4的總剛度Z為頻率比(Z一般取值範圍為2～4),n為槳轉速。
S2：計算全迴轉舵槳裝置六自由度隔振系統的固有頻率：在Ux、Uy和Uz自由度上固有頻率為在Rx、Ry和Rz自由度上的固有頻率為為扭轉剛度。判斷隔振系統的隔振效果(當△>0時,存在隔振效果)；其中，ζ為阻尼比。
S3：根據計算出的總剛度及需要達到的減振效果，計算出減振塊4並聯的數量N及單個減振塊4的剛度
S4：根據基座結構1和安裝臺架5的大小及兩者之間的間隙大小，確定減振塊4的具體尺寸和形狀，根據單個減振塊4計算得到的剛度，通過查材料手冊，確定材料硬度特性。
本發明的全迴轉舵槳雙層減振裝置及其設計方法，主要在以下幾個方面具有突出的優點：
1.通過將多個減振塊4沿安裝臺架5下面板和安裝臺架5上面板周向分上、下兩層均勻布置的設計，可以同時減小舵槳裝置減振器變形量和降低隔振系統的固有頻率；
2.由於同時減小舵槳裝置減振器變形量和降低隔振系統的固有頻率，可同時對全迴轉舵槳裝置的垂向、橫向、縱向、扭轉及其耦合振動有效減振；
3.減振塊4的變形得到減小後，既提高了全迴轉舵槳裝置運行的穩定性，也延長減振塊4的使用壽命；
4.該減振裝置可在車間安裝，使得造船周期降低30％，成本節約了30％。
附圖說明
圖1為全迴轉舵槳雙層減振裝置俯視圖；
圖2為全迴轉舵槳雙層減振裝置A向剖面圖；
圖3為減振塊立體圖；
圖4為減振塊俯視圖；
圖5為減振塊B向剖視圖；
圖6為減振塊罩殼立體圖；
圖7為減振塊罩殼俯視圖；
圖8為減振塊罩殼C向剖視圖；
圖9為減振塊罩殼與減振塊組合立體圖；
圖10為安裝臺架立體圖；
圖11為安裝臺架俯視圖；
圖12為安裝臺架D向剖視圖；
圖13為基座結構俯視圖；
圖14為基座結構E向剖視圖；
圖15為全迴轉舵槳裝置減振組件單層設計受力原理圖；
圖16為全迴轉舵槳裝置減振組件雙層設計受力原理圖；
圖中：1—基座結構、2—螺栓、3—減振塊罩殼、4—減振塊、5—安裝臺架。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以及結合附圖及實施案例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施案例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1、圖2所示，一種全迴轉舵槳雙層減振裝置，包括基座結構1(見圖13、圖14)、安裝臺架5(見圖10、圖11、圖12)和減振組件(見圖9)；其特徵在於：所述基座結構1和安裝臺架5均為上下兩端連接開有中心孔蓋板的圓桶體，且所述蓋板的直徑大於圓桶的直徑，其中所述基座結構1通過上下兩端蓋板的中心孔設有間隙的套裝在所述安裝臺架5的外徑上，所述基座結構1上下兩端蓋板沿圓周面上對稱均等開設有若干個螺栓孔，所述安裝臺架5上下兩端蓋板沿圓周對稱均等設有若干個凸緣，所述減振組件包括減振塊罩殼3(見圖6、圖7、圖8)和減振塊4(見圖3、圖4、圖5)，其中所述減振塊罩殼3的縱截面為倒「T」形，且底部小扇環形一端設有沉孔，大扇環形一端沿弧長方向均布設有若干個孔的扇環形結構體；所述減振塊4為縱截面呈「L」形且上下橫截面均呈扇環形的結構體，其中相互垂直的上扇環形塊的內徑壁面中部開設有與所述安裝臺架5上下兩端面板上所設有的凸緣相配合的豎直凹槽的扇環形結構體；所述減振塊4的下扇環形塊嵌入所述減振塊罩殼3的沉孔中，且通過減振塊罩殼3上設有的螺栓孔和螺栓2與所述安裝臺架5相連接。
如圖4、圖7所示，所述扇環形的圓心角θ為15～30°。
如圖8所示，所述減振塊罩殼3的大扇環形一端縱向高度d1為20～40mm，且減振塊罩殼3的底部小扇環形一端設有的沉孔深度d2為15～30mm。
如圖4、圖5所示，所述減振塊4上扇環形塊的高度L1為20～50mm，其內徑壁面和外徑壁面之間的壁厚(R1-R2)為20～50mm，下扇環形塊的高度L2為40～80mm。
所述減振塊4的材料為粘彈性高分子材料，用天然橡膠或其它高分子材料為主要原材料經過一定配方和工藝硫化而成，邵氏硬度為45°～75°。
如圖3、圖4所示，所述豎直凹槽橫截面為扇環形。
如圖9所示，所述減振組件為減振塊4利用減振塊罩殼3硫化成形並且以一定強度粘貼在其槽中而形成的結構，減振塊4的下扇環形塊的高度L2與減振塊罩殼3的沉孔深度d2之比為1：(1.5～4)。
如圖1所示，所述減振組件上、下兩層安裝的數量均為8個，上、下正對安裝所述減振組件。
如圖10、圖11所示，所述有若干個凸緣周向均布於安裝臺架5上、下端面的數量均為8個。
如圖7所示，所述若干個孔數量為3個。
如圖13所示，所述若干個螺栓孔數量為24個，每3個作為1組。
一種全迴轉舵槳雙層減振裝置的設計方法，包括以下步驟：
S1：依據全迴轉舵槳裝置的出廠參數，查出其質量為m、轉動慣量I，初步計算得到減振塊4的總剛度Z為頻率比(Z一般取值範圍為2～4),n為槳轉速。
S2：計算全迴轉舵槳裝置六自由度隔振系統的固有頻率：在Ux、Uy和Uz自由度上固有頻率為在Rx、Ry和Rz自由度上的固有頻率為為扭轉剛度。判斷隔振系統的隔振效果(當△>0時,存在隔振效果)；其中，ζ為阻尼比。
S3：根據計算出的總剛度及需要達到的減振效果，計算出減振塊4並聯的數量N及單個減振塊4的剛度
S4：根據基座結構1和安裝臺架5的大小及兩者之間的間隙大小，確定減振塊4的具體尺寸和形狀，根據單個減振塊4計算得到的剛度，通過查材料手冊，確定材料硬度特性
裝配工藝：本發明的一種全迴轉舵槳雙層減振裝置，在安裝時可先將全迴轉舵槳裝置與安裝臺架5之間焊接固定；再將下層的所有減振塊4與減振塊罩殼3組件依次通過螺栓2安裝固定在基座結構1上；隨後將全迴轉舵槳裝置通過安裝臺架5面板凸臺與減振塊4凹槽定位後進行安裝，並使減振塊4受壓並保持一定的預應力；然後再將上層的減振塊4與減振塊罩殼3組件通過螺栓2依次安裝到位，並使減振塊4受壓並保持一定的預應力；最後將基座結構1上面板和基座結構1下面板的外沿分別與舵機艙雙層底結構焊接固定為整體，從而實現了全迴轉舵槳減振裝置的安裝。
在本發明的一種全迴轉舵槳雙層減振裝置安裝過程中，應使上層減振塊4和下層減振塊4的水平及垂直方向的受力均勻，並確保減振塊罩殼3的外圓弧外壁與基座結構1上面板、基座結構1下面板之間留有適當的間隙，以實現對全迴轉舵槳裝置在極端作用力情況下的限位並保護減振塊4不被破壞。
圖15為全迴轉舵槳裝置減振組件單層設計受力原理圖，其中，H1為安裝臺架5下端面面到螺旋槳軸心的垂直距離，H2為安裝臺架5上端面到螺旋槳軸心的垂直距離，R為安裝臺架5圓桶內半徑。方便對比，假如全迴轉舵槳裝置兩側分別對稱安裝兩個減振塊4，在螺旋槳產生的推力F作用下，相對於重力作用下的受力平衡位置，全迴轉舵槳裝置兩側的減振塊4分別受到水平和垂直方向的作用力，其中垂直方向的作用力FV0大小相同，方向相反；水平方向的作用力FH0大小與方向相同，且F＝FH0+FH0；繞左側減振塊4的力矩平衡方程為F·H2＝2·FV0·R；聯合求解以上方程組可求得減振塊4水平和垂直方向的受力大小，。
圖16為全迴轉舵槳裝置減振組件雙層設計受力原理圖，其中，H1為安裝臺架5下端面面到螺旋槳軸心的垂直距離，H2為安裝臺架5上端面到螺旋槳軸心的垂直距離，R為安裝臺架5圓桶內半徑。為方便對比，假如全迴轉舵槳裝置兩側上下分別對稱安裝4個減振塊，在螺旋槳產生的推力F作用下，相對於重力作用下的受力平衡位置，全迴轉舵槳裝置兩側的減振塊4分別受到水平和垂直方向的作用力，其中左側減振塊4垂直方向的作用力FV1大小相同，方向向上；左側上方減振塊4水平方向的作用力為FH1，左側下方減振塊4水平方向的作用力為FH2，方向與FH1相反；右側減振塊4垂直方向的作用力FV2大小相同，方向向下；右側上方減振塊4水平方向的作用力為FH1，右側下方減振塊4水平方向的作用力為FH2，方向與FH1相反；由此得到水平方向的受力平衡方程F+FH1+FH1＝FH2+FH2；垂直方向的受力平衡方程FV1+FV1＝FV2+FV2；繞左側下方減振塊4的力矩平衡方程為F·H1＝2·FV2·2R+2·FH1·(H2-H1)；繞左側上方減振塊4的力矩平衡方程為F·H2＝2·FV2·2R+2·FH2·(H2-H1)。聯合求解以上方程組可求得減振塊4水平和垂直方向的受力大小。對比全迴轉舵槳裝置減振組件單層設計和雙層設計的受力原理圖，可以發現：在螺旋槳產生相同的推力F作用下，與全迴轉舵槳裝置減振組件傳統的單層設計方案相比，本發明提出的全迴轉舵槳裝置減振組件雙層設計方案，減振塊4的受力明顯減少，且安裝臺架5上面板與安裝臺架5下面板之間的設計高度H越大，減振塊4的受力越小。