CN102914363A - 一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，包括轴段、电机、基座、轴承组件、飞轮组件，电机连接轴段的底端，轴段通过轴承组件连接基座，飞轮组件安装在轴段的顶端。本发明能够真实的反映实船轴系的特性，可以从实验角度研究挠曲对轴系回旋振动特性的影响，揭示其影响规律。

Description

一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置
技术领域
本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是轴系实验装置。
背景技术
由于大质量悬臂螺旋桨的作用、轴承支撑系统及船体的变形、以及合理校中等因素，都会使船舶轴系处在一个挠曲运转的状态。在早期，船体较小，所需螺旋桨提供的功率不大，船艉刚度相对于轴系而言足够大，以上因素可以忽略不计。而随着船舶向大型化、高速化方向发展，船舶动力也向着高速、轻型和强载方向发展，螺旋桨悬臂质量的影响不可再忽略，并且船艉刚度和轴系刚度到了一个量级上，因此对轴系在产生挠曲之后的振动特性的变化进行分析是非常必要，而且也非常有意义的。
各大船级社对船舶轴系的回旋振动均有严格规定。轴系回旋振动与轴系横向振动不同。前者是轴系在旋转过程中由于公转与自转不同轴，陀螺力矩导致的轴系弯曲振动，是轴系动态的振动特性；后者是轴系不转动时轴系的弯曲振动。
经过文献检索，发现只有1篇期刊文献及1个科技成果对其进行了研究。分别是：《噪声与振动控制》在2010年第6期刊登的《挠曲轴系横向振动计算及分析》及哈尔滨工程大学与黑龙江工程学院于2009年12月合作获得的科技成果《船舶轴系振动分析及故障诊断技术研究》。期刊文献《挠曲轴系横向振动计算及分析》利用有限元软件ANSYS分别建立正常轴系和挠曲轴系横向振动的计算模型，对轴系的固有频率变化进行分析。通过数值模拟，研究轴系发生弯曲的情况下，轴系的弯曲变形对固有频率的影响。发现挠曲轴系固有频率的大小比正常轴系的固有频率要小，而且随着振动阶数的上升而明显减小。此文献只考虑了轴系挠曲，而没有考虑在轴系旋转起来之后的影响，即其只考虑了挠曲轴系的横向振动变化，而没有进行轴系在转动过程中陀螺力矩的变化（即回旋振动）分析。科技成果《挠曲轴系横向振动计算及分析》提出了挠曲轴系的解析模型与有限元体单元建模方法，揭示了挠曲轴系横振固有频率较正常轴系下降的规律，解决了挠曲轴系振动分析的技术难题。并且已发表文献和科技成果都是从理论角度分析挠曲轴系振动的，缺少实验研究。
发明内容
本发明的目的在于提供从实验角度来研究挠曲对轴系回旋振动的影响规律的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：包括轴段、电机、基座、轴承组件、飞轮组件，电机连接轴段的底端，轴段通过轴承组件连接基座，飞轮组件安装在轴段的顶端；所述的轴承组件包括调心轴承、轴承壳、销，轴段穿过轴承壳，调心轴承位于轴承壳里、安装在轴段上并支撑轴段，销的两端分别连接轴承壳和中间连接板，螺杆安装在中间连接板上并连接销，螺母安装在螺杆上，调节螺母从而调节调心轴承使轴段发生弹性或塑性变形，轴承组件下端安装连接地板并通过连接地板连接基座，连接地板与轴承组件之间安装力传感器，轴承壳上安装加速度传感器和电涡流传感器，电涡流传感器面对轴端设置。
本发明还可以包括：
1、所述的飞轮组件包括飞轮和锥形套筒，飞轮套在锥形套筒外面，锥形套筒固定在轴段上，锥形套筒上设置固定块，飞轮在锥形套筒上轴向可调，固定块将飞轮固定。
2、所述的飞轮与轴段的质量比为0.8~1.5，飞轮的当量半径与轴段半径的惯量比为6.5±0.5，轴段长度与轴段半径比值为：当飞轮转速不大于200转/分时为200±5，当飞轮转速不小于1000转/分时为100±5，其余为150±5。
3、所述的轴段包括俩根以上的轴，轴与轴之间通过套筒联轴器连接在一起。
4、还包括前轴承组件，前轴承组件与轴承组件结构相同且连接轴段和基座，前轴承组件和轴承组件分别位于轴段的不同位置。
本发明的优势在于：本发明能够真实的反映实船轴系的特性，可以从实验角度研究挠曲对轴系回旋振动特性的影响，揭示其影响规律。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的轴承组件结构示意图；
图3为本发明的飞轮结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～3，本发明装置主要包括：电机1，T形槽基座2，滑块联轴器3，前轴承组件4，套筒联轴器组件5，后轴承组件6，以及飞轮组件7。本装置为了研究轴系本身挠曲对其振动特性的影响，减小由于轴承及其油膜变形带来的对轴系挠曲的影响，采用调心球轴承支撑轴段。通过利用细牙螺母11，后轴承示意图，调节调心球轴承16在垂直方向的位置，可以使轴段产生弹性，甚至塑性变形的同时，轴系旋转起来之后还能使其旋转轴心位置不发生改变。采用调心轴承16支撑轴段，可以保证轴段发生倾斜之后轴承支撑良好。通过销连接将轴承壳14和中间连接板12以及中间连接板13连接，可以保证在调心轴承16发生轴向位移时轴承壳14不产生弯曲应力。利用力传感器9测量调心轴承在挠曲前后轴承向基座的传递力，利用加速度传感器17测量其振动响应，利用电涡流传感器18测量轴系的回旋振动响应。后轴承结构还包括连接底板8，细牙螺杆10，以及轴承端盖15。飞轮采用锥形套筒与轴段连接，可以调节其轴向位置，分析大质量飞轮悬臂量不同对轴系挠曲及其振动特性的影响，其中19为锥形套筒，20为飞轮。
通过螺旋桨即飞轮20与整个轴段的质量比相似设计、螺旋桨当量半径与轴段主要半径的惯量比相似设计、以及轴段长度与轴段主要半径的长径比相似设计，最后设置轴承位置来实现轴系的动力学相似性，使本装置最大限度的体现船舶轴系的特性。统计得到的实船螺旋桨与轴段的质量比在0.8~1.5左右，螺旋桨当量半径与轴段半径的惯量比在6.5±0.5，轴段长度与轴段半径比值与船舶类型有关，高速船（即飞轮转速不小于1000转/分）相对较低，在100±5，其余一般在150±5，特别的低速船（即飞轮转速不大于200转/分）为大于等于200，本装置定位在150左右。而通过调整轴承轴向位置实现的动力学特性第一阶固有频率在11~15Hz。调速电机转速在150~3000r/min之间，使其能驱动本装置跨过其第一阶固有频率。
本装置在安装时要经过精心的垂直及水平方向位置调心，使调心轴承轴心处于一个水平及垂直面上，保证装置挠曲前的状态。
首先使轴系运转起来，利用加速度传感器17测量调心轴承的振动响应，利用电涡流传感器18测量轴系的回旋振动响应，利用力传感器9测量轴承向基座的动态传递力，摸清轴系在挠曲前的振动特性，轴系挠曲前后振动特性对比分析做准备。
之后，可以分别调节细牙螺母11及锥形套筒19，实现由于后轴承后调心轴承垂向位置改变以及由于大质量飞轮悬臂的加长而使轴系在后轴承处产生垂向0.1mm~1mm的挠曲，测量上面提到的3个振动相关的量，分析轴系产生挠曲之后其回旋振动响应特性的变化，并定量研究挠曲对轴系回旋振动的影响规律。

Claims (6)

1.一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：包括轴段、电机、基座、轴承组件、飞轮组件，电机连接轴段的底端，轴段通过轴承组件连接基座，飞轮组件安装在轴段的顶端；所述的轴承组件包括调心轴承、轴承壳、销，轴段穿过轴承壳，调心轴承位于轴承壳里、安装在轴段上并支撑轴段，销的两端分别连接轴承壳和中间连接板，螺杆安装在中间连接板上并连接销，螺母安装在螺杆上，调节螺母从而调节调心轴承使轴段发生弹性或塑性变形，轴承组件下端安装连接地板并通过连接地板连接基座，连接地板与轴承组件之间安装力传感器，轴承壳上安装加速度传感器和电涡流传感器，电涡流传感器面对轴端设置。
2.根据权利要求1所述的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：所述的飞轮组件包括飞轮和锥形套筒，飞轮套在锥形套筒外面，锥形套筒固定在轴段上，锥形套筒上设置固定块，飞轮在锥形套筒上轴向可调，固定块将飞轮固定。
3.根据权利要求2所述的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：所述的飞轮与轴段的质量比为0.8~1.5，飞轮的当量半径与轴段半径的惯量比为6.5±0.5，轴段长度与轴段半径比值为：当飞轮转速不大于200转/分时为大于等于200，当飞轮转速不小于1000转/分时为100±5，其余为150±5。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：所述的轴段包括俩根以上的轴，轴与轴之间通过套筒联轴器连接在一起。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：还包括前轴承组件，前轴承组件与轴承组件结构相同且连接轴段和基座，前轴承组件和轴承组件分别位于轴段的不同位置。
6.根据权利要求4任一所述的一种挠曲对轴系回旋振动影响规律定量分析的实验装置，其特征是：还包括前轴承组件，前轴承组件与轴承组件结构相同且连接轴段和基座，前轴承组件和轴承组件分别位于轴段的不同位置。
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