船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺的製作方法

2023-05-17 18:12:56

專利名稱：船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種教學科研用的模擬船舶推進軸系的試驗臺，可模擬船舶推進軸系及其他轉子軸系任意轉速下的縱向振動，以便對實際船舶推進軸系的縱向振動特性進行分析研究，同時可方便的進行各種縱向減振器的性能測試。
背景技術：
船舶推進軸系是船舶動力推進裝置的核心組成部件。船舶推進軸系將船舶主機的輸出功率傳遞到螺旋槳，同時又將螺旋槳的推力傳遞到船體，推動船舶航行，因此，船舶推進軸系在船舶航行過程中需要同時傳遞很大的扭矩和靜推力。另一方面，船艉部不均勻的伴流場引起的脈動推力疊加在靜推力之上沿推進軸系傳遞，引起推進軸系的縱向振動。隨著船舶大型化、專業化和高速化的發展趨勢，推進軸系縱向振動變得愈來愈嚴重，不僅會損壞船舶上各種機械，亦會使船上人員易產生暈船、疲勞等不良症狀，影響船舶的安全運行性能。此外，推進軸系縱向振動是艦船水下低頻輻射噪聲產生的重要來源。目前，國內相關高校已有可供試驗教學科研用的船舶推進軸系試驗臺，如哈爾濱工程大學王傳溥等研製的船舶柴油機軸系試驗臺(船舶柴油機軸系的研製，內燃機工程， 1985，(幻)，試驗臺主要元件包括柴油機、電力測功器、止推軸承、支承軸承、螺旋槳和循環水箱等，該試驗臺可以模擬軸系多個運行工況，並側重分析推進軸系的橫向振動，但該試驗臺需要配置很大體積的循環水箱來提供螺旋槳產生激勵力所需的外部水環境，成本昂貴， 且主循環水管中必須加裝穩流裝置，結構複雜，一定程度上降低試驗臺的可靠性；武漢理工大學研製出軸系的試驗臺側重分析螺旋槳軸傳動軸承潤滑冷卻及軸系彎曲振動(船舶螺旋槳軸振動與潤滑冷卻耦合理論和試驗研究，武漢理工大學博士論文，200 ，該試驗臺主要由變頻電機、模擬船用內燃機曲軸、中間軸、螺旋槳軸、螺旋槳軸前後支承軸承、中間支承軸承和螺旋槳等元件組成。由於研究的側重點不同，軸系試驗臺組成元件存在一定的差異。為研究由船舶螺旋槳激勵力引起的推進軸系縱向振動特性及其控制原理，軸系試驗臺需包括模擬螺旋槳激勵力的加載裝置、模擬實船用推力軸承、縱向減振器和軸系正倒車變頻裝置等主要元件，以上各高校研製的軸系試驗臺均存在一定不足。

發明內容
本發明的目的是提供一種船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，可以產生多轉速下的推進軸系縱向振動，對推進軸系的縱向振動特性和縱向減振器的減振性能進行分析，用於推進軸系縱向振動研究，還可以方便的進行各種縱向減振器的減振性能測試。本發明的技術方案是—種用於測試船舶推進軸系縱向振動的試驗臺，整個試驗臺採用整體結構，包括動加載模塊、基座和布置在所述基座上的靜加載模塊、傳動軸、夾殼聯軸節、推力軸承、彈性聯軸節、齒輪箱和變頻電機，所述動加載模塊與靜加載模塊通過頂杆連接，靜加載模塊與傳動軸一端連接，傳動軸另一端通過夾殼聯軸節與推力軸承的推力軸相連，推力軸另一端通過彈性聯軸節與齒輪箱輸出軸連接，齒輪箱與變頻電機連接。推進軸系的縱向振動主要由螺旋槳的非定常激勵力引起，在試驗臺軸系上安裝螺旋槳就需要配置循環水箱，以模擬螺旋槳的外部水環境，但成本昂貴，且具有很多的不確定性。本發明採用動加載模塊和靜加載模塊模擬螺旋槳的縱向交變激勵力。所述動加載模塊用於模擬船舶螺旋槳的縱向脈動激勵力，包括信號發生器、功率放大器和激振器，激振器安裝在支座上。所述靜加載模塊用於模擬船舶螺旋槳的縱向靜推力，包括加載油缸和加載裝置，加載油缸的活塞杆與加載裝置的後端蓋通過螺紋連接，實現加載油缸的液壓靜推力和動加載模塊的脈動力向加載裝置的傳遞，然後通過加載裝置傳遞至傳動軸，完成對軸系的靜動加載。動加載和靜加載力幅值可以連續調節，最大靜加載力為0. 7MPa,以滿足不同的試驗要求。所述靜加載模塊和夾殼聯軸節之間設置有中間軸承，用於支撐傳動軸，且中間軸承位置沿軸向可調。所述推力軸承是對實船常用的推力軸承進行改進設計而成。在推力軸承前端蓋內沿周向均勻布置多個圓柱腔，各圓柱腔內布置有柱塞，柱塞一端與前推力塊接觸，另一端與腔蓋形成間隙，各間隙相互連通形成平衡油缸。平衡油缸內充滿液壓油，利用液壓油的阻尼可以實現推進軸系的縱向振動控制。所述彈性聯軸節與齒輪箱輸出軸之間設置有連接中間軸。彈性聯軸節具有緩衝、 減振和對中補償等作用，且彈性聯軸節可沿軸向拆開，提高試驗臺的靈活性，便於實際研究需要。所述變頻電機控制面板用於調節變頻電機的轉速和轉向，電機最高轉速為 1500rpm，且可以正反轉，模擬實船的正車倒車。所述液壓加載和潤滑冷卻系統操作面板用於控制加載和潤滑冷卻系統液壓油壓力。操作面板上有3個手動操作手柄，分別控制靜加載模塊靜加載力、中間軸承和推力軸承潤滑冷卻系統壓力。所述油泵和油箱分別用於提供液壓油在管路中循環流動的動力和儲油。根據用戶需要，試驗臺基座可以分開安裝，如需要單獨分析推進軸系縱向振動沿推力軸承到基座的振動傳遞路徑，可以將推力軸承基座與其他軸段基座分開。推進軸系製造材料採用40Cr，用戶可以自行選擇更換。本發明還設計多種可供選擇的潤滑冷卻和液壓加載系統方案。潤滑冷卻系統和液壓加載系統獨立設計，避免兩者間的相互幹擾。在加載油缸、平衡油缸和潤滑冷卻系統管路上安裝有壓力表，便於試驗操作過程中進行讀數，以便得到需要的指定壓力值。液壓系統可以實現軸系軸向行程的自動調節，便於研究不同工況下推進軸系的縱向振動特性。本發明結構緊湊，操作方便，安全可靠，滿足教學科研的實際應用要求。此外，本發明有許多通用設備，如變頻電機、齒輪箱、支撐軸承、彈性聯軸節和各種儀表等，製造購買方便，降低試驗臺的製造成本。


圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明靜加載模塊結構4
圖3為本發明推力軸承前端蓋結構圖；圖4為本發明液壓加載和潤滑冷卻系統原理具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。圖1示本發明基本結構，整個試驗臺採用整體結構，各結構元件分別為加載模塊 1，頂杆2，靜加載模塊3，傳動軸4，中間軸承5，夾殼聯軸節6，推力軸承7，彈性聯軸節8，中間軸9，齒輪箱10，變頻電機11，軸系基座12，變頻電機控制面板13，液壓加載和潤滑冷卻系統操作臺14，油泵和油箱15，動加載裝置基座16。其中，動加載模塊1與靜加載模塊3通過頂杆2連接，靜加載模塊3與傳動軸4 一端連接，傳動軸4另一端通過夾殼聯軸節6與推力軸承7的推力軸相連，推力軸另一端通過彈性聯軸節8與齒輪箱輸出軸連接，齒輪箱10與變頻電機11連接。由於傳動軸4相對較長，為避免傳動軸自重引起的彎曲變形，在傳動軸 4中間用一中間軸承5支撐。圖2示本發明靜加載模塊結構，由加載油缸17和加載裝置18組成，實現對推進軸系的縱向靜加載。所述加載油缸17包括活塞杆19和缸體20，活塞杆19可在缸體20內前後移動。所述加載裝置18包括端蓋21、外殼體22和止推軸承23，外殼體21內有環形凸緣， 凸緣前後有止推軸承23，止推軸承23後接所述傳動軸4。活塞杆19通過螺紋連接到端蓋 20，使加載油缸17和加載裝置18相連接。當對推進軸系進行靜加載時，首先往缸體20內注油，液壓油靜壓力通過活塞杆19傳遞至加載裝置端蓋20和外殼體21，外殼體21再將靜壓力通過止推軸承23傳遞至傳動軸4，完成靜加載過程。圖3示本發明推力軸承前端蓋結構，包括外殼體M、柱塞25和腔蓋26。前端蓋內沿周向均勻布置有6個圓柱腔，各圓柱腔內布置有柱塞，柱塞一端與前推力塊接觸，另一端與腔蓋形成間隙，各間隙相互連通形成平衡油缸，平衡油缸充滿液壓油，利用液壓油的阻尼可以減小推進軸系的縱向振動，故推力軸承前端蓋實際上內置有一個縱向減振器。前端蓋上開有放氣孔和液壓油進出口，其中，放氣孔用於排除油缸內的空氣，液壓油進出口用於調節柱塞在空腔內的位置，進而調整推進軸系的軸向行程。當柱塞完全進入空腔內，推力軸承前推力塊完全頂住前端蓋內壁，推力軸承直接將縱向推力傳遞至推力軸承基座，此時相當於無縱向減振器；當柱塞伸出空腔外頂住推力軸承前推力塊，使推力軸承前推力塊與前端蓋內壁不直接接觸，推力軸承先將縱向推力傳遞至柱塞，由於柱塞後有液壓油，由於油液的阻尼作用將部分推進軸系縱向振動能量轉化為熱能就耗散掉，實現對推進軸系的縱向振動控制。本發明可以方便地對推力軸承端蓋進行改裝，便於安裝各種類型的推進軸系縱向減振裝置，極大增加本發明的實用性和適用性。圖4示本發明液壓加載和潤滑冷卻系統原理。液壓加載系統和潤滑冷卻系統共用一個油泵15，通過操縱控制面板27實現對液壓加載系統和潤滑冷卻系統的操作。溢流閥觀可以調節液壓加載系統和潤滑冷卻系統壓力，手動換向閥四實現液壓加載系統的加載和卸載，手動換向閥30控制中間軸承和推力軸承後襯套的潤滑冷卻壓力，手動換向閥31 只控制推力軸承前襯套的潤滑冷卻壓力。由於液壓加載系統和潤滑冷卻系統壓力要求不一樣，故在加載油缸前增加一個截止閥32，當調整好液壓加載壓力後，擰緊加載油缸截止閥32，然後再旋轉溢流閥觀至潤滑冷卻系統要求的壓力值。本發明有多種液壓加載和潤滑冷卻系統設計方案，可根據用戶需要靈活選擇。進行試驗教學時，首先打開油泵，調節溢流閥，觀察加載壓力表讀數至指定靜加載壓力，然後打開變頻電機控制面板上開機按鈕，啟動變頻電機。待軸系旋轉穩定後，啟動動加載裝置，對推進軸系進行各種振動測試。由於靜動加載裝置施加載荷可以調節，可以實現多種外載荷工況下的推進軸系振動測試。下面對試驗臺推進軸系縱向振動測試試驗步驟進行簡單敘述。步驟1 打開推力軸承前端蓋放氣塞；步驟2 將百分表指針對著夾殼聯軸節後端面；步驟3 啟動油泵，旋轉溢流閥至一定位置，使系統壓力調整至一定值(約0. 7 0. 8MPa)；步驟4 操縱液壓靜加載換向閥手柄，對推進軸系進行加載，使推進軸系向艏部運動至最前端；步驟5 關閉油泵，操縱液壓靜加載換向閥手柄，卸去加載裝置壓力；步驟6 鎖緊平衡油缸放氣塞。操縱柱塞液壓靜加載換向閥手柄，對柱塞進行加載，柱塞將壓力傳遞推力軸，推動推進軸系沿縱向運動至指定行程；步驟7 啟動油泵，旋轉溢流閥調節液壓靜加載壓力至一定值；步驟8 擰緊靜加載油缸截止閥，保持靜加載壓力，關閉油泵；步驟9 啟動變頻電機，使軸系運轉一定時間後處於穩定狀態；步驟10 啟動動加載裝置對推進軸系施加動載；步驟11 開始採集軸系振動響應信號，並分析處理。
權利要求
1.一種船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，包括動加載模塊(1)、基座 (12)和依次布置在所述基座(1 上的靜加載模塊(3)、傳動軸G)、夾殼聯軸節(6)、推力軸承(7)、彈性聯軸節(8)、齒輪箱(10)和變頻電機(11)，其中，所述動加載模塊(1)與靜加載模塊C3)通過頂杆( 連接，提供用於模擬螺旋槳的縱向交變激勵力，該靜加載模塊(3) 與傳動軸(4) 一端連接，所述傳動軸(4)另一端通過夾殼聯軸節(6)與推力軸承(7)的推力軸相連，推力軸另一端通過彈性聯軸節(8)與齒輪箱(10)的輸出軸連接，該齒輪箱(10) 連接到變頻電機(11)。
2.根據權利要求1所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，所述靜加載模塊C3)和夾殼聯軸節(6)之間還設置有中間軸承(5)，用於支撐傳動軸0)，且該中間軸承( 位置沿傳動軸(4)軸向可調。
3.根據權利要求1或2所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，所述推力軸承(7)的前端蓋內沿周向均勻布置有多個圓柱腔，各圓柱腔內布置有柱塞(M)，各柱塞04)的一端與前推力塊接觸，另一端與腔蓋0 形成間隙，各間隙相互連通並充滿液壓油，形成平衡油缸。
4.根據權利要求1-3之一所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於， 所述靜加載模塊C3)包括加載油缸(17)和加載裝置(18)，所述加載油缸(17)包括活塞杆(19)和缸體(20)，活塞杆(19)可在缸體OO)內前後移動，所述加載裝置(18)包括端蓋(21)、外殼體0 和止推軸承(23)，外殼體0 內有環形凸緣，凸緣前後有止推軸承 (23)，該止推軸承與所述傳動軸4連接，所述活塞杆(19)通過螺紋連接到端蓋(20)， 使加載油缸(17)和加載裝置(18)相連接。
5.根據權利要求1-4之一所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，所述彈性聯軸節(8)與齒輪箱(10)的輸出軸之間還設置有連接中間軸(9)。
6.根據權利要求1-5之一所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，所述動加載模塊(1)安裝在動加載裝置基座(16)上。
7.根據權利要求1-6之一所述的船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，其特徵在於，所述模擬試驗臺還包括變頻電機控制裝置(13)，液壓加載和潤滑冷卻系統操作裝置(14)，油泵和油箱(15)。
全文摘要
本發明公開了一種船舶推進軸系縱向振動模擬試驗臺，包括動加載模塊(1)、基座(12)和依次布置在基座(12)上的靜加載模塊(3)、傳動軸(4)、夾殼聯軸節(6)、推力軸承(7)、彈性聯軸節(8)、齒輪箱(10)和變頻電機(11)，其中，動加載模塊(1)與靜加載模塊(3)通過頂杆(2)連接，提供用於模擬螺旋槳的縱向交變激勵力，靜加載模塊(3)與傳動軸(4)一端連接，傳動軸(4)另一端通過夾殼聯軸節(6)與推力軸承(7)的推力軸相連，推力軸另一端通過彈性聯軸節(8)與齒輪箱(10)的輸出軸連接，該齒輪箱(10)連接到變頻電機(11)。本發明結構緊湊，操作方便，安全可靠，滿足教學科研的實際應用要求。
文檔編號G01M13/02GK102297753SQ20111020224
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者餘正發, 張贛波, 朱翔, 李天勻, 李良偉, 肖金安, 趙耀, 邱宏生, 陸坡 申請人:華中科技大學, 武漢海潤工程設備有限公司