CN102072276A - 电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种海洋工程技术领域的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，包括：加速度传感器、转速计、信号分析及控制模块、功率放大器和电磁作动器，加速度传感器和转速计分别设置于推力轴承基座和中间轴上并将测量得到的基座的振动加速度电信号和轴系的光电信号输出至信号分析及控制模块，信号分析及控制模块接收振动加速度电信号及光电信号并进行频谱分析和特征信号提取并生成相应的动作控制信号输出至功率放大器进行放大，电磁作动器设置于中间轴上并接收放大后的控制信号以产生相应的纵向作动力作用在中间轴，实现轴系的纵向振动的控制。本发明有效降低轴系纵向振动从而最终降低船体结构振动响应，不仅对低频线谱有效，同时对宽带随机激励也有较好的控制效果。

Description

电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置。

背景技术

船舶螺旋桨在艉部不均匀伴流场中运动时会产生窄带周期和宽频随机激振力，这些激振力一方面通过流体传递到船体表面，激起船体产生振动，另一方面通过轴系传递到轴承基座并引起船体振动。特必是后者，在船舶低速航行时常常导致船体振动超标，会严重降低人员舒适性，甚至引起船体结构发生破坏。因此，如何有效控制和减缓螺旋桨激振力引起的轴系和船体振动是船舶设计者十分关注的问题。

从振动控制基本原理出发，通常可采用三种方式对螺旋桨激振力引起的轴系和船体振动进行控制：减小螺旋桨激振力的输入、控制振动的传递路径以及降低船体的振动响应。受限于船舶动力性能的要求，目前采用的大斜侧桨在减少螺旋桨激振力输入方面已几乎达到极限，很难有进一步提高；而以降低振动响应为目的对船体进行改动通常会牵涉到除船舶结构动态性能外的多个面，实施的难度大且工期长；因而在振动传递路径上进行控制是目前最具工程实用意义的技术途径。

经过对现有技术的检索发现，目前在船舶轴系振动传递路径的控制方面主要采用包括阻尼器(基座)、动力吸振器及轴系纵振隔振器等被动控制方法。其中阻尼器仅对共振峰的作用比较明显，总体效果则比较有限；例如曹贻鹏，张文平，使用动力吸振器降低轴系纵振引起的水下结构辐射噪声研究，哈尔滨工程大学学报，2008，v28，p747-754，以及刘耀宗，王宁等，基于动力吸振器的潜艇推进轴系轴向减振研究，振动与冲击，2009，V28，p184-188中分别分析的轴系动力吸振器主要对单频或双频激励有效，但对多频激励或当转速变化时则无法适应；进一步检索发现，A.J.H.Goodwin，“The deign of a resonance changer to overcome excessive axial vibration of propeller shafting”，Institute of Marine Engineers-Transactions 1960，V72，p37-63【A.J.H.Goodwin，海洋工程研究所学报，抑制螺旋桨轴超标轴向振动的共振变换器设计，1960，V72，p37-63】以及]S.Merz，R.Kinns and N.Kessissoglou，Eeffect of a submarine shaft resonance changer in the presence of fluid forces，7th Europe conference on the structural dynamics，2008，Southampton，UK【S.Merz等，考虑流体力时潜艇轴系共振变换器的效果分析，第7届欧洲结构动力学年会，2008，英国，南安普敦】中记载了轴系纵振变换器的应用，但出于对隔振系统动态特性的基本要求，需选择刚度不太大的隔振装置，一般都会降低传动轴系的刚性，从而降低整个推进装置的可靠性，对轴系及推力轴承的对中性能也有更高要求，实际应用起来非常困难。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，通过连接在中间轴上的惯性式电磁作动器施加反向控制力在轴系上，以推力轴承基座上的振动加速度作为反馈控制信号，来抑制从螺旋桨传递到轴系上的激振力，有效降低轴系纵向振动从而最终降低船体结构振动响应。该装置作用在传动轴系的中间轴上，直接控制传动轴系的振动，避免了一般对轴承基座进行控制时导致的螺旋桨振幅放大的缺点；采用作动器与轴系并联的布置形式，不会改变动力传动系统本身的刚度特性；采用惯性作动元件，不产生任何附加的作动力在基座或船体上；运用适当的控制算法时，不仅对低频线谱有效，同时对宽带随机激励也有较好的控制效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：加速度传感器、转速计、信号分析及控制模块、功率放大器和电磁作动器，其中：加速度传感器和转速计分别布置于推力轴承基座和中间轴上并将测量得到的基座振动加速度电信号和轴系的光电信号输出至信号分析控制模块，信号分析及控制模块接收振动加速度电信号及光电信号并进行频谱分析和特征信号提取，并根据相应的控制算法生成动作控制信号输出至功率放大器进行放大，电磁作动器设置于中间轴上并接收放大后的控制信号以产生相应的纵向作动力作用在中间轴，实现轴系的纵向振动的控制。

所述的电磁作动器包括：不锈钢阶梯轴、内芯、永磁铁、电磁机构、轴承和弹性簧片，其中：内芯刚性固定在阶梯轴上，永磁体固定设置于内芯上的凹槽，整个电磁机构通过一个弹性簧片固定在轴承外缘，轴承内缘固定在不锈钢阶梯轴上。

所述的信号分析及控制模块包括：振动加速度信号分析子模块、转速特征分析子模块和控制信号发生子模块，其中：振动加速度信号分析子模块对推力轴承基座上的振动加速度电信号采用快速FFT进行实时频谱分析以获得振动加速度信号的实时谱特征并输出至控制信号发生子模块中，转速特征分析子模块将转速计传输来的光电信号进行计数以获得当前的转速信号并在转速变化时输出反馈启动指令至控制信号发生子模块，控制信号子模块采用闭环控制算法在每个时序里以实时谱特征作为反馈信号生成动作控制信号并输出至功率放大器。

本发明具体工作时通过固定在推力轴承壳体上的加速度传感器实时监测轴承壳体的振动情况，并将该振动信号传递到信号处理器中进行实时频谱分析并作为反馈信号。结合从转速计中获得的轴系实时转速信号，运用相应的控制算法产生控制信号，通过功率放大器放大后输入到电磁式作动器中，产生相应的控制力作用到刚性固定在中轴的内芯上，产生同轴系纵向振动相反的控制力，并最终同轴系振动响应形成闭环负反馈的动态系统，从而达到降低轴系纵向振动，并最终达到减小船体振动响应的目的。

本发明相比现有技术具有以下优点：该装置直接作用在主传动轴上，由于螺旋桨与主传动轴刚性连接，相当于从源头对振动源进行了控制，避免了通常轴承壳体或基座上进行控制时会对螺旋桨振动幅度放大的缺点；采用控制器与传动轴并联的连接形式，不会改变主传动系统的固有刚度特性；采用惯性作动元件，不会在基座或船体上产生任何其他附加反力，避免了控制系统带来的次生振动；当采用了合适的主动控制算法时，不仅对低频线谱激励十分有效，同时对宽带随机激励也有控制效果。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是电磁式作动器结构图。

图3是控制模块的逻辑结构示意图

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：加速度传感器1、转速计2、信号分析及控制模块3、功率放大器4和电磁作动器5，其中：加速度传感器1布置在推力轴承基座7上以测量其振动加速度电信号，转速计2设置于中间轴6上以测量轴系转动时的光电信号，加速度传感器1和转速计2分别与信号分析及控制模块3相连接，信号分析及控制模块3接收振动加速度电信号及光电信号并进行频谱分析和特征信号提取并生成相应的动作控制信号输出至功率放大器4进行放大，电磁作动器5设置于中间轴6上并接收放大后的控制信号以产生相应的纵向作动力作用在中间轴6，实现轴系的纵向振动的控制。

所述的电磁作动器5包括：不锈钢阶梯轴8、内芯9、永磁铁10、电磁机构11、轴承12和弹性簧片13，其中：内芯9刚性固定在阶梯轴8上，永磁体固定设置于内芯9上的凹槽，整个电磁机构11通过一个弹性簧片13固定在轴承12外缘，轴承12内缘固定在不锈钢阶梯轴8上。

所述的电磁机构11具体为安装在永磁体内部凹槽里的电磁铁；

当从功率放大器4传来的交变电流通过时，外圈电磁铁内会产生交变的磁场，而该磁场会与内芯9转子内的永磁铁10产生相互作用，形成交变的磁力。磁力一方面作用在外圈惯性质量上，使其在平衡位置作微幅振动，同时也作用在内芯9上，形成对阶梯轴8的交变控制力。

所述的加速度传感器1为压电式加速度传感器1。

所述的转速计2为齿数大于18齿的齿轮光电式转速计2。

所述的功率放大器4外部设有防水模块且能在盐雾潮湿环境下长时间工作。

所述的信号分析及控制模块3包括：振动加速度信号分析子模块14、转速特征分析子模块15和控制信号发生子模块16，其中：振动加速度信号分析子模块14对推力轴承12基座7上的振动加速度电信号采用快速FFT进行实时频谱分析以获得振动加速度电信号的实时谱特征并输出至控制信号发生子模块16中，转速特征分析子模块15将转速计2传输来的光电信号进行计数以获得当前的转速信号并在转速变化时输出反馈启动指令至控制信号发生子模块16，控制信号子模块采用闭环控制算法在每个时序里以实时谱特征作为反馈信号生成动作控制信号并输出至功率放大器4。

所述的实时频谱分析的频率高于200Hz，频率分辨率不低于1Hz；

本装置通过以下方式进行工作：

当螺旋桨在船舶艉部不均匀流场中运转时，流体产生的周期和随机激振力作用在螺旋桨上。纵向激振力则通过艉轴、中间轴6及推力轴传递到推力盘，然后通过推力块传递到推力轴承壳体7并最终传递到船体结构上，引起船体发生振动。

为了对螺旋桨激振力导致的轴系和船体的纵向振动进行控制，本发明通过布置在推力轴承壳体7上的加速度传感器1实时监测其振动情况，并将振动加速度信号其作为控制反馈信号，通过信号线传递到信号处理器14中进行实时频谱分析。结合从转速计中获得的轴系实时转速信号，在控制器16中运用相应的控制算法产生控制信号，再将控制信号通过功率放大器4放大后输入到电磁式作动器5中。作动器5产生相应的控制力作用到刚性固定在轴上的内芯9上，产生同轴系纵向振动方向相反的控制力，从而减小轴系的纵向振动，并以此达到减小传递到推力轴承上的脉动推力并最终减小船体振动的目的。

作动器5为惯性式电磁作动器，其主体为一段阶梯轴8，以及固定在阶梯轴上的内芯部分9以及相应的电磁机构11组成。其中，内芯部分的凹槽里固定有永磁体10，而电磁机构主体为惯性质量以及安装在其内部的电磁铁。整个电磁机构通过一个弹性簧片13固定在轴承外缘，轴承内缘则通过衬套和紧固螺栓固定在阶梯轴上。当从功率放大器传来的交变电流通过时，电磁铁内会产生交变的磁场，而该磁场会与内芯转子内的永磁铁10产生相互作用，形成交变的磁力。磁力一方面作用在内芯转子9上，形成对轴系的控制力，另一方面也作用在外圈电磁机构11上，使其在平衡位置作微幅振动。当轴系旋转时，内芯部分9和10跟随轴系一起旋转，但电磁机构由于由轴承12和轴8连接，在外圈定子质量上增加少量不平衡质量，保证其不随轴系旋转而保持在固定的角度上。

Claims (8)

1.一种电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，包括：加速度传感器、转速计、信号分析及控制模块、功率放大器和电磁作动器，其特征在于：加速度传感器和转速计分别设置于推力轴承基座和中间轴上并将测量得到的基座的振动加速度电信号和轴系的光电信号输出至信号分析及控制模块，信号分析及控制模块接收振动加速度电信号及光电信号并进行频谱分析和特征信号提取并生成相应的动作控制信号输出至功率放大器进行放大，电磁作动器设置于中间轴上并接收放大后的控制信号以产生相应的纵向作动力作用在中间轴，实现轴系的纵向振动的控制。

2.根据权利要求1所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的电磁作动器包括：不锈钢阶梯轴、内芯、永磁铁、电磁机构、轴承和弹性簧片，其中：内芯刚性固定在阶梯轴上，永磁体固定设置于内芯上的凹槽，整个电磁机构通过一个弹性簧片固定在轴承外缘，轴承内缘固定在不锈钢阶梯轴上。

3.根据权利要求2所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的电磁机构具体为安装在永磁体内部凹槽里的电磁铁。

4.根据权利要求1所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的转速计为齿数大于18齿的齿轮光电式转速计。

6.根据权利要求1所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的功率放大器外部设有防水模块且能在盐雾潮湿环境下长时间工作。

7.根据权利要求1所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的信号分析及控制模块包括：振动加速度信号分析子模块、转速特征分析子模块和控制信号发生子模块，其中：振动加速度信号分析子模块对推力轴承基座上的振动加速度电信号采用快速FFT进行实时频谱分析以获得振动加速度电信号的实时谱特征并输出至控制信号发生子模块中，转速特征分析子模块将转速计传输来的光电信号进行计数以获得当前的转速信号并在转速变化时输出反馈启动指令至控制信号发生子模块，控制信号子模块采用闭环控制算法在每个时序里以实时谱特征作为反馈信号生成动作控制信号并输出至功率放大器。

8.根据权利要求7所述的电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置，其特征是，所述的实施频谱分析的频率高于200Hz，频率分辨率不低于1Hz。

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