CN102410915A - 一种电磁激振轴系加载装置 - Google Patents

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Abstract

一种电磁激振轴系加载装置由轴向加载装置、径向加载装置、衔铁、电流产生装置和载荷测量装置组成。轴向加载装置和径向加装装置分别用于对轴系施加轴向和径向载荷。本装置利用电磁原理可同时加载静态和动态载荷，也可仅加载静态载荷。加载的载荷通过改变输入的电流控制，其加载的动态载荷可以是单频激振力，也可以是多个频率激振力的组合。本发明为模拟船舶螺旋桨激振力产生的船舶轴系振动、船体艉部振动以及这类振动导致的船体结构噪声提供了一种新的技术途径，实现了轴系无接触、无摩擦，精确的单频正弦波激振力加载和组合波形激振力加载，主要用于船舶轴系实验台或船舶轴系船台激振实验，也可用于水中激振实验。

Description

一种电磁激振轴系加载装置
技术领域：
本发明专利涉及一种利用电磁原理的轴系加载装置，主要用于船舶轴系实验台的加载实验和激振实验。
背景技术：
船舶轴系实验台在进行船舶轴系相关的实验时，常常需要对轴系施加一定的载荷以模拟螺旋桨对轴的作用力；在进行轴系振动相关实验时，则还需要施加动载荷，即激振力。
目前，轴系实验台上静态载荷的加载普遍采用的是液压加载装置。轴是旋转部件，但液压加载装置并不随轴旋转，因而轴与液压加载装置间存在接触和摩擦，如模拟螺旋桨自重对轴系影响的侧向力液压加载装置需要在轴的尾部增加一个轴承。对轴系来说，增加接触相当于增加约束，这不是轴系的真实受力状态，这在振动测试中是不利的，需要考虑其影响。
动态载荷的加载使用激振机，将激振机安装到旋转的轴上会导致一些问题，主要是：1)激振机能源、控制线路的连接问题；2)激振机安装到轴上将影响轴旋转时的动平衡，造成额外的振动。如果激振机不随轴旋转，那么轴与激振机间将存在接触和摩擦，这导致与前述液压加载装置一样的问题，加载装置改变了轴系的实际受力状态和运动状态。
电磁铁产生的磁力是一种场力，受力物体不需要与电磁铁接触；磁场强度与所通电流成正比，易于控制磁力大小。轴系试验台上用电磁力模拟螺旋桨对轴系施加的载荷可以真实地模拟轴系的受力与运动状态。
发明内容：
本发明的目的在于针对船舶轴系加载装置存在的问题与欠缺，提供一种新的与轴系无接触、无摩擦，准确施加载荷，尤其是动态载荷的轴系加载装置。
电磁激振轴系加载装置如图1所示，由如图3所示的轴向加载装置、如图7所示的径向加载装置、衔铁(1)、电流产生装置(15)和载荷测量装置组成，其中轴向加载装置由轴向铁芯(2)、轴向直流线圈(3)、轴向交流线圈(4)和轴向铁芯支架(7)组成，径向加载装置由、径向铁芯叠片(10)、径向直流线圈(11)、径向交流线圈(12)和径向铁芯支架(13)组成，载荷测量装置由安装于轴向铁芯支架(7)和径向铁芯支架(13)上的应变片(9)和应变仪(14)组成。
轴向直流线圈(3)用于产生一个稳定磁场，该磁场作用于衔铁(1)，使衔铁(1)受到一个稳态吸力，模拟螺旋桨产生的静态载荷。轴向交流线圈(4)产生一个与输入交流电频率相同的交变磁场，该磁场与轴向直流线圈(3)产生的磁场叠加，形成一个新的磁场并作用于衔铁(1)，使衔铁(1)受到的吸力相当于一个稳态吸力叠加一个交变作用力，这可以模拟螺旋桨产生激振力时的状况。轴向交流线圈(4)在不通电或者通直流电时，加载装置仅对轴系施加静态载荷。轴向交流线圈(4)产生的磁场强度与通过的电流成正比，通过调制输入的电流大小就可以控制加载到轴上的动态载荷幅值。例如：当输入电流为50hz交流电时，动态载荷也将是50hz的激振力，激振力大小由电流强度决定；当输入电流由50hz交流电和75hz交流电叠加而成时，激振力也将包含50hz和75hz两个频率成分。径向直流线圈(11)和径向交流线圈(12)的作用与之相同。在轴向铁芯支架(7)和径向铁芯支架(13)上贴应变片(9)，通过测量轴向铁芯支架(7)和径向铁芯支架(13)的应变可以测量电磁轴系加载装置对轴系所加载荷大小。
轴向加载装置和径向加载装置共用衔铁(1)，衔铁(1)安装于轴上螺旋桨对应位置，与轴(6)相对静止并随轴一起旋转，衔铁(1)设计为一圆盘，其作用为在实验中代替螺旋桨对轴系施加载荷。衔铁(1)与轴向加载装置和径向加载装置无接触、无摩擦，衔铁(1)仅受电磁吸力，不会产生激振力旁瓣波。
本发明的有益效果是，提供了一种新型的可模拟轴系真实受力状态的轴系加载装置，用于船舶轴系及其部件(如推力轴承、径向轴承)的各种性能实验，尤其是振动性能实验。其优点是：1、实现了轴系无接触、无摩擦加载，轴系受力能真实地模拟螺旋桨激振力；2、较液压装置，没有复杂的油路，不增加轴承，完全由电路控制，大大简化实验设备；3、有载荷测量装置，可以方便地直接获取对轴系施加载荷的数值；4、能够同时施加静态载荷和动态载荷，也可只施加静态载荷；5、低频动态载荷加载性能好，适合模拟低频激振力；6、通过调制输入电流控制加载的动态载荷，可以是单频激振力，也可以是多个频率激振力的组合。
附图说明：
图1为电磁激振轴系加载装置的侧向投影平面示意图。
图2为电磁激振轴系加载装置的三维示意图。
图3为轴向加载装置俯视图。
图4为轴向加载装置的主体部分。
图5为轴向加载装置的主体部分分解图。
图6为径向加载装置正视图。
图7为径向加载装置的主体部分。
图8为径向加载装置的主体部分分解图。
图9为轴向加载装置用于模拟反向推力的示意图。
图中，1.衔铁2.轴向铁芯3.轴向直流线圈4.轴向交流线圈5.轴承；6.轴；7.轴向铁芯支架8.轴承支架9.应变片10.径向铁芯叠片；11.径向直流线圈12.径向交流线圈13.径向铁芯支架；14.应变仪15.电流产生装置16.轴向铁芯叠片；17.轴向铁芯外壳18.径向铁芯支架L型板；19.径向铁芯支架支杆20.支杆固定螺帽。
具体实施方式：
在图1所示的实施例中，电磁激振轴系加载装置由轴向加载装置、径向加载装置、衔铁(1)、电流产生装置(15)和载荷测量装置组成，其中轴向加载装置由轴向铁芯(2)、轴向直流线圈(3)、轴向交流线圈(4)和轴向铁芯支架(7)组成，径向加载装置由径向铁芯叠片(10)、径向直流线圈(11)、径向交流线圈(12)和径向铁芯支架(13)组成，载荷测量装置由安装于轴向铁芯支架(7)和径向铁芯支架(13)上的应变片(9)和应变仪(14)组成。
衔铁(1)为一钢制圆盘，安装于轴(6)上与螺旋桨相对应的位置，随轴(6)一起旋转。衔铁(1)作为电磁力的受力物体，在轴系试验台中代替螺旋桨对轴(6)施加载荷。电磁铁是电磁轴系加载装置的核心部件，轴向加载装置的电磁铁如图4、图5所示，由轴向直流线圈(3)、轴向交流线圈(4)、轴向铁芯叠片(16)及轴向铁芯外壳(17)组成。轴向铁芯叠片(16)的刚度较小，为了增加电磁铁的整体刚度在轴向铁芯叠片(16)外包一层钢制轴向铁芯外壳(17)。轴向铁芯外壳(17)为焊接结构，用螺栓与轴向铁芯叠片(16)固定，并将轴向铁芯叠片(16)压紧压实。为使轴向铁芯(2)不与轴(6)碰撞，轴向铁芯(2)弯向轴(6)的上方，其外形如图4所示。轴向直流线圈(3)和轴向交流线圈(4)分别用于产生轴向静态载荷和轴向动态载荷，轴向静态载荷模拟螺旋桨稳态推力，轴向动态载荷模拟螺旋桨推力激振力。由于电磁铁只对衔铁(1)产生吸力，故静态载荷应大于动态载荷。电流产生装置(15)分别为轴向直流线圈(3)和轴向交流线圈(4)输出直流电和交流电。两组轴向直流线圈(3)串联，两组轴向交流线圈(4)也串联，若能保证轴向交流线圈(4)安匝数达到要求，轴向交流线圈(4)可只安装一组。轴向铁芯支架(7)用于支撑轴向铁芯(2)，在轴向铁芯支架(7)上贴应变片(9)，以通过测量应变测量轴向加载装置对轴系所施加轴向载荷大小。同样的电流输入下，衔铁(1)和轴向铁芯(2)端面的间距越小，衔铁(1)受到的吸力越大，所以衔铁(1)和轴向铁芯(2)的端面间距至多10毫米，以保证加载效果。
在图1所示的实施例中，径向加载装置整体如图6所示。径向加载装置与轴向加载装置共用衔铁(1)，其与衔铁(1)作用的端面设计为与衔铁(1)同圆心的圆弧面。径向直流线圈(11)和径向交流线圈(12)分别用于产生径向静态载荷和径向动态载荷，径向静态载荷模拟螺旋桨自重，径向动态载荷模拟螺旋桨侧向激振力。两组径向直流线圈(11)串联，两组径向交流线圈(12)也串联，若能够保证径向交流线圈(12)安匝数达到要求，径向交流线圈(4)也可只安装一组。径向铁芯支架(13)由径向铁芯支架L型板(18)和径向铁芯支架支杆(19)组成，径向铁芯支架支杆(19)上端有螺纹，用支杆固定螺帽(20)将径向铁芯支架L型板(18)和径向铁芯支架支杆(19)安装固定。用螺栓将两块径向铁芯支架L型板(18)连接并压紧径向铁芯叠片(10)，如图7、图8所示。在径向铁芯支架支杆(19)上贴应变片(9)，以通过测量应变测量径向加载装置对轴系所施加径向载荷大小。
在图1所示的实施例中，将轴向加载装置和径向加载装置用环氧胶灌封后放置于水中，可用于水中轴系实验装置的加载。
在图9所示的实施例中，将轴向轴系加载装置安装于衔铁(1)另一边，此时轴向加载装置输出的是反向推力，用于模拟螺旋桨倒车时的状态。
在图1所示的实施例中，可以仅安装轴向加载装置和径向加载装置二者之一，用于仅加载轴向载荷或径向载荷的实验装置。

Claims (7)

1.一种电磁激振轴系加载装置，由轴向加载装置、径向加载装置、衔铁、电流产生装置和载荷测量装置组成，其特征是轴向加载装置由90度弯折的U形矽钢片叠压而成，径向加载装置由具有圆弧边的U形矽钢片叠压而成，在轴向加载装置和径向加载装置上都同时安装有直流线圈和交流线圈，直流线圈和交流线圈分别用于对轴系施加静态载荷和动态载荷，衔铁是在轴向加载装置和径向加载装置产生的电磁场中产生作用力的均质圆盘，一般为铁质，安装于旋转轴须要加载的部位。
2.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于可同时加载静态和动态载荷，也可仅加载静态载荷。
3.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于通过调制输入的交流电流控制加载的动态载荷，可以是单频激振力，也可以是多个频率激振力的组合。
4.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于载荷仅通过模拟螺旋桨的衔铁作用于轴上，衔铁与轴向加载装置和径向加载装置其它部分间没有接触。
5.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于包含由应变仪和应变片组成的载荷测量装置，可直接通过载荷测量装置获取加载装置对轴系施加的载荷数值，而不必通过旋转的轴测量。
6.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于经过密封处理后，可将轴向加载装置和径向加载装置放入水中用于水中的船舶轴系加载。
7.根据权利要求1所述的电磁激振轴系加载装置，其特征在于轴向加载装置和径向加载装置相互独立，仅安装二者之一亦可。
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