CN102269218A - 船用推力轴承共振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用推力轴承共振转换器，包括推力轴承和与推力轴承连接的共振转换器，推力轴承在其前端盖内沿周向均匀布置有多个柱塞腔，各柱塞腔内容置有柱塞，柱塞一端与推力轴承的前推力块接触，另一端与对应的柱塞腔形成间隙，各柱塞腔间隙相互连通并充满有液压油，形成平衡油缸，共振转换器由相互连接的液压管和油缸组成，平衡油缸通过接口连接到液压管，与共振转换器的油缸连通，推进轴系的纵向载荷通过前推力块传递到与其接触的各柱塞上，推动柱塞运动将载荷作用在平衡油缸内以及共振转换器内的液压油上，实现减振。本发明解决了共振转换器与船用推力轴承之间的装配问题，在实际运用中具有安装灵活、控制方便、安全性高、体积小的优点。

Description

船用推力轴承共振转换器

技术领域

本发明属于船舶推进轴系纵向振动的被动式减振装置，具体涉及一种船用推力轴承共振转换器，用于减小船舶推进轴系纵向振动，以降低对船舶轴系以及船体结构的影响。

背景技术

船舶推进轴系主要由螺旋桨、艉轴、中间轴、滑动轴承、推力轴、推力轴承、弹性联轴节、变速装置、柴油机以及轴系辅助等装置组成。船舶艉部不均匀伴流场是产生桨叶处纵向交变脉动激励力的直接原因。螺旋桨交变纵向力通常以两种形式作用于船体，引起船体振动及其水下辐射噪声，一种是通过艉部流体直接传递至船体表面；另一种是以轴承力的方式通过船舶轴系、推力轴承及其基座传递至船体。轴承力是引起船体振动的主要激励力，是推进轴系纵向振动主要的被消减控制对象。

为合理的避免因轴系纵向振动导致的动力设备疲劳、磨损、船体艉部振动以及上层建筑的振动，针对轴系纵向减振采取了一系列措施。以减小推进轴系纵向振动为目的的多种形式的减振装置被广泛关注并取得了相应的科研成果，如哈尔滨工程大学研究在推力轴承处安装动力吸振器降低推进轴系纵向振动引起的水下结构辐射噪声；国防科技大学从理论上分别开展基于动力吸振器和声子晶体推进轴系纵向减振研究；上海交通大学开发出电磁式推进轴系纵向振动主动控制装置，通过在中间轴系上并联安装惯性作动元件对较宽频带范围内的轴系纵向振动具有很好的控制效果。

以流体作为工作介质的共振转换器自发明以来，主要运用的领域就是减小船舶轴系纵向振动，US3937534公开了一种推力轴承共振转换器，主要是在结构内部设置环向半圆弹簧零件，改变了轴系纵向刚度降低轴系纵向振动固有频率。该结构中仅简单利用共振转换器的原理完成推力轴承的结构改进，没有对共振转换器的结构形式，控制方式以及整体的装配形式等问题展开讨论；并且当该结构设计一旦确定后，控制轴系纵向刚度和阻尼较为困难，针对方便拆装与灵活调整等问题的设计有所不妥。

发明内容

本发明针对上述背景技术中存在的不足，提出一种船用推力轴承共振转换器，通过对传统的推力轴承结构的改进，解决了共振转换器的安装问题，并且实现了共振转换器的控制实施与安装方式，在实际运用中具有安装灵活、安全性高、体积小等优点。

本发明的技术方案是：

一种船用推力轴承共振转换器，包括推力轴承和与该推力轴承连接的共振转换器，其中，所述推力轴承在其前端盖内沿周向均匀布置有多个柱塞腔，各柱塞腔内容置有柱塞，柱塞一端与前推力块接触，另一端与对应的柱塞腔形成间隙，各间隙相互连通并充满液压油，形成平衡油缸，所述共振转换器由相互连接的液压管和油缸组成，该平衡油缸通过接口连接到液压管，从而与共振转换器的油缸连通，船舶推进轴系的纵向载荷通过前推力块传递到与其接触的各柱塞上，推动柱塞运动将载荷作用在平衡油缸内和共振转换器内的液压油上，实现减振。

作为本发明的进一步改进，所述的柱塞上套有密封件，以使平衡油缸内的液压油与推力轴承内的润滑油隔离。

作为本发明的进一步改进，所述的前端盖端面上装有密封盖，该密封盖与前端盖之间的缝隙形成为所述间隙。

作为本发明的进一步改进，所述柱塞与前推力块接触的一端呈弧形面。

作为本发明的进一步改进，所述共振转换器的油缸体积可调。

作为本发明的进一步改进，所述共振转换器的油缸为单活塞杆式液压缸。

作为本发明的进一步改进，所述共振转换器的液压管的通径和长度可调。

作为本发明的进一步改进，所述共振转换器为多个，每个共振转换器通过一个接口与平衡油缸连通。

本发明通过对传统的船用推力轴承结构进行一体化改进设计，在结构内部增加充满液压油的平衡油缸，具备加装共振转换器的接口，满足传递轴系纵向静推力并保证船舶正常航行的同时，在推进轴系振动传递路径上利用共振转换器内部的液压油改变轴系纵向刚度和阻尼，减小纵向振动能量传递至船体，减小推进轴系纵向振动幅值，实现纵向脉动力的合理控制。

本发明的推力轴承为一种改进的推力轴承，包括推力环、推力块、止推块、轴承壳体、前端盖、后端盖、轴承衬套等元件。为便于润滑和冷却，推力块端面设计为平面区、斜面区和沟槽区。平面区用于安装止推块，斜面区便于形成润滑油膜，沟槽区则提供润滑油流通的通道。轴承衬套用来承受径向载荷。推力轴承外壳体还设计有进油口和出油口，用于各元件间的润滑和冷却。

本发明的共振转换器由液压管和油缸组成，液压管连接推力轴承的平衡油缸与共振转换器的油缸，同时共振转换器的个数可按照对推进轴系纵向振动控制的具体指标要求相应的调整并合理布置。为方便调整共振转换器的工作体积以实现较好的轴系纵向振动控制，本发明中设计了共振转换器的被动控制系统。

本发明在推力轴承的前端盖内沿周向均匀布置多个柱塞，可在允许的纵向行程范围内前后移动；在柱塞后设计平衡油缸并充满液压油。轴系纵向载荷由前推力块传递至柱塞并最终作用在平衡油缸和共振转换器内的液压油上。在平衡油缸上开设独立的放气孔、液压油出口和共振转换器的液压管接口。放气孔用于排除油缸内的空气，液压油出口用于更换液压油使用。

本发明具有以下几方面的显著优点：

共振转换器实现纵向减振功能的核心元件，同时推力轴承结构的一体化设计具备安装减振装置的接口，通过改变共振转换器的油缸体积和液压管的尺寸可实现对推进轴系纵向振动控制的目的。

改进型的推力轴承不改变轴系纵向载荷传递的方式，对纵向脉动力的合理控制以实现轴系纵向振动控制。同时改进型的推力轴承可为共振转换器提供多个接口，在对该减振装置结构参数优化设计后，可消减轴系纵向振动的多个共振峰。

在安全性设计中，考虑船舶在紧急工况下，当纵向载荷过大时，改进型的推力轴承同样能满足将纵向载荷稳定传递至推力轴承基座。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细描述。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2(a)是改进型推力轴承的内部结构图，图2(b)是改进型推力轴承的前端盖结构图，图2(c)是改进型推力轴承的右视图；

图3(a)是共振转换器的工作原理图，图3(b)是共振转换器的被动控制系统；

图4是共振转换器减振测试平台示意图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步限定。

如图1所示为本发明一种船用推力轴承共振转换器，包括改进型的推力轴承1和共振转换器2组成。

如图2(a)所示，改进型的推力轴承1的主要零部件包括推力轴3、推力环4、后推力块5、后端盖6、前推力块7、前端盖8和轴承壳体9。为保证轴系旋转过程中推力轴承安全工作并在推力块与推力环之间形成油膜，分别设置推力轴承润滑油的后端进油口10和出油口11以满足推力轴承内循环供给润滑油。

相比传统的船用推力轴承的结构形式，改进的主要方式是在前端盖8内沿周向均匀布置六个柱塞腔12，如图2(b)所示，各柱塞腔12内均容有柱塞13。根据推力轴承的整体结构尺寸，柱塞腔12的个数也可设计为不同的个数、如八个、十个或者十二个不等。

柱塞13一端与前推力块7接触，接触面为弧形面，该设计可调整因轴系旋转偏心导致的各柱塞上的纵向载荷传递沿纵向不平行。

柱塞13的另一端与对应的柱塞腔12形成间隙，各间隙相互连通并充满液压油，形成平衡油缸14。液压油选择可以为液压油、有机硅油、硅基胶等，在实际使用中需根据各种流体粘度系数完成相关结构设计。

在各柱塞13上套有格来圈15以实现平衡油缸内的液压油与推力轴承润滑油的隔离；在密封设计中同样也可考虑非接触形式以减小纵向摩擦力的影响。考虑到因船舶轴系艉轴密封许用纵向位移的限制，完成了柱塞13的纵向行程的设计。

纵向载荷传递的同时，平衡油缸14内的液压油需要满足在特定压强工作，为保证工作的安全性，在前端盖端面上装有密封盖16，沿周向均匀布置六个螺栓17，并计算螺栓的预应力以保证轴系安全工作。螺栓的个数和型号可根据平衡油缸14内的工作压强调整。

图2(c)是改进型推力轴承1的右视图。在推力轴承前端盖8上分别设置共振转换器2的接口18、推力轴承润滑油的前端进油口19、平衡油缸内液压油出油口20和平衡油缸内液压油的放气口21。其中共振转换器2的接口18可根据纵向振动需要调整其数量和安装位置。

图3(a)共振转换器2主要由液压管22和油缸23组成。推力轴承内的平衡油缸14通过接口18连接到液压管22，从而与共振转换器2的油缸23连通，本发明中液压管22的材料选用铜管，也可采用软管，同时根据液压管22的通径大小选择适当的液压管接头24。油缸23采用圆柱形的外形设计，根据工作压强完成其壁厚计算。

为实现油缸23内液压油的体积可调，在油缸23内沿纵向布置活塞杆25，与油缸23之间通过螺纹连接。活塞26将油缸23分为共振转换器工作腔体27和共振转换器的缓冲腔体28。根据减振理论分析，通过调整活塞26的位置，达到改变共振转换器工作腔体27的体积的目的，最终实现合理控制轴系纵向振动。

为保证共振转换器工作腔体27的体积不变，在该减振装置实际活塞杆25被完全固定。根据共振转换器减振原理设计，可选择不同通径和长度的液压管22和工作腔体27的体积实现最优的纵向振动控制。同时为方便向共振转换器2内注入液压油并合理调工作腔体27的体积，在油缸23的工作腔体27上布置输油口29。

本发明完成推力轴承1与共振转换器2的模块化设计，为实现纵向纵向振动控制，该装置的工作方式为，调整柱塞13的纵向位置，使得前推力块7与前端盖8不接触，此时轴系纵向载荷传递路径的前后顺序为推力环4、前推力块7、柱塞13、液压油、推力轴承壳体9。纵向脉动激励力将被共振转换器2有效减小。

同时考虑到推力轴承工作的安全性，当船舶处于紧急工况纵向载荷过大导致平衡油缸14或共振转换器2工作失效时，此时前推力块7将直接与前端盖8接触，同样能满足将纵向载荷次传递至推力轴承壳体9，保证了船舶的安全航行。

如图3(b)所示为共振转换器设计被动液压控制系统。共振转换器的被动液压控制系统主要由手摇泵30、压力表31、单向阀32、溢流阀33和截流阀34组成。将截流阀34与油缸23上的输油口29连接后可实现注油、改变油缸的工作腔体的体积等目的。

图4是本发明在振动测试平台上的整体安装简化图。为模拟船舶螺旋桨的纵向载荷，该测试平台设计液压加载系统35实现静加载，激振器36实现轴系纵向动加载以模拟螺旋桨的脉动压力。电机37和齿轮箱38用于改变传动轴39的转速。通过调整推力轴承1内的柱塞13纵向位置，在不同纵向加载以及不同转速工况下，验证了共振转换器2对控制轴系纵向振动的可行性。

本发明通过以下方式实现推进轴系纵向减振功能：在推进轴系上未安装共振转换器前，纵向脉动激励经轴系、推力轴承内的推力环、推力块、前端盖、轴承壳体传递至推力轴承基座。在推力轴承处安装共振转换器后，在原来的振动传递路径上增加流体阻尼减振环节。基于减振原理分析和参数优化分析，合理设计共振转换器液压管尺寸和油缸的工作腔体的体积后，可实现对纵向振动共振峰的控制。共振转换器以串联方式安装在轴系纵向载荷传递的通道上，改变推进轴系的纵向刚度的同时增加推进轴系的纵向阻尼，使得过于剧烈的轴系纵向振动得到有效控制。

Claims (9)

1.一种船用推力轴承共振转换器，包括推力轴承(1)和与该推力轴承(1)连接的共振转换器(2)，其中，所述推力轴承(1)在其前端盖(8)内沿周向均匀布置有多个柱塞腔(12)，各柱塞腔(12)内容置有柱塞(13)，柱塞(13)一端与推力轴承(1)的前推力块(7)接触，另一端与对应的柱塞腔(12)形成间隙，各柱塞腔(12)间隙相互连通并充满有液压油，形成平衡油缸(14)，所述共振转换器(2)由相互连接的液压管(22)和油缸(23)组成，该平衡油缸(14)通过接口(18)连接到液压管(22)，从而与共振转换器(2)的油缸(23)连通，船舶推进轴系的纵向载荷通过前推力块(7)传递到与其接触的各柱塞(13)上，推动柱塞(13)运动将载荷作用在平衡油缸(14)内以及共振转换器(2)内的液压油上，实现减振。

2.根据权利要求1所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述的柱塞(13)上套有密封件(15)，以使平衡油缸(14)内的液压油与推力轴承(1)内的润滑油隔离。

3.根据权利要求1或2所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述的前端盖(8)端面上装有密封盖(16)，该密封盖(16)与前端盖(8)之间的缝隙形成为所述间隙。

4.根据权利要求1-3之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述柱塞(13)与前推力块(7)接触的一端呈弧形面。

5.根据权利要求1-4之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述共振转换器(2)的油缸体积可调。

6.根据权利要求1-5之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述共振转换器(2)的油缸为单活塞杆式液压缸。

7.根据权利要求1-6之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述共振转换器(2)的液压管(22)的通径和长度可调。

8.根据权利要求1-7之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述共振转换器(2)为多个，每个共振转换器(2)通过一个接口(18)与平衡油缸(14)连通。

9.根据权利要求1-8之一所述的船用推力轴承共振转换器，其特征在于，所述共振转换器(2)通过其油缸(23)上的输油口(29)与液压控制系统连接。

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