CN102980765A

CN102980765A - 船舶轴系综合试验平台

Info

Publication number: CN102980765A
Application number: CN2012105324328A
Authority: CN
Inventors: 严新平; 刘正林; 周新聪; 朱汉华; 袁成清; 金勇�; 赵江滨; 杨琨; 白秀琴; 郭智威; 董从林
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN102980765B

Abstract

一种船舶轴系综合试验平台。它主要由变频电机、减速机、推力轴承、轴系及附件、加载装置、水润滑单元、液压动力单元、监测控制单元、地基和机座组成；机座安装在地基上，机座上安置各主要部件；变频电机的输出端连接在减速机上，通过高弹联轴器带动轴系及附件转动，轴系尾轴位置设置有加载装置，加载装置与液压动力单元液路连通；轴中安放多处固定支承；水润滑单元有水管与尾轴承、中间轴承和推力轴承连通；监测控制单元用于试验条件的控制、试验过程中各主要运动部件的监测以及各主要试验参数的采集。本试验台可测量外加载荷、轴承支承力、轴功率、轴系振动、后尾轴承润滑状态等数据，从而为轴系以及尾轴承的结构及安装方式的优化设计提供依据。

Description

船舶轴系综合试验平台

技术领域

本发明涉及一种船舶轴系综合试验平台。

背景技术

海洋蕴含着丰富的资源，海洋资源是人类赖以生存的源泉。开发海洋资源成为世界各国未来发展的重大战略方向，为了更好地进行海洋资源开发，发展船舶技术是重要的技术基础和条件。近年来，美国、德国、日本、英国、印度等大国为了缓解国内资源短缺问题，纷纷进军海洋资源开发，高度重视海洋资源开发战略，积极发展高新海洋技术，打造大型/超大型新型海洋船舶和工作平台，竞相争夺海洋资源。

在我国，为了促进船舶经济和航运事业的发展，保障我国东南海域领土和海洋资源安全，迫切需要加强船舶理论和技术的创新。伴随着船舶推进轴系的功率、尺寸等技术参数的大型化方向发展，船舶推进轴系的工作可靠性、机舱综合噪声舒适度等新要求倍受船舶设计、建造、船检、港监和航运等部门以及船员的高度重视和关注，因此，加强船舶轴系综合性能的研究，既有重要的理论意义，又有船舶运输、国防装备和海洋资源开发战略等工程的迫切需要。

船舶推进轴系是船舶动力推进装置的核心部件。船舶推进轴系将船舶主机的输出功率传递到螺旋桨，同时又将螺旋桨的推力传递到船体，推动船舶航行，因此，船舶推进轴系在船舶航行过程中需要同时传递很大的扭矩和静推力。另一方面船舶轴系的后尾轴承作为船舶推进系统中的重要支撑部件，它的工作可靠性和使用寿命会直接影响船舶的航行安全、隐蔽性能和营运成本等。研究尾轴承的性能对保证航行安全和减少成本都有重要的意义。因此，建立船舶轴系综合试验平台并进行相应的试验研究，对于船舶性能和航运技术发展具有重要的理论研究和工程应用意义。

目前，国内相关高校已有一些可供试验教学科研用的船舶推进轴系试验台，如哈尔滨工程大学张天元等研制的船舶柴油机轴系试验台（船舶柴油机轴系试验台的研制，内燃机工程，1985(2):10-16），试验台主要元件包括柴油机、电力测功器、止推轴承、支撑轴承、螺旋桨和循环水箱等，该轴系试验台可以模拟轴系的多个运行工况，并侧重分析推进轴系的横向振动，但该试验台需要配置很大体积的循环水箱来提供螺旋桨产生激励力所需的外部水环境，成本昂贵，且主循环水管中必须加装稳流装置，结构复杂，一定程度上降低了试验台的可靠性。浙江海洋学院的温小飞等研制的船舶轴系振动试验装置（实用新型：CN202372329U），试验台主要包括驱动机构、横振传感器、纵振传感器、转标、扭振传感器，可实现对不同结构轴系部件的扭振实验，但该试验机并没有涉及轴系加载装置，对于模拟船舶轴系的运行比较单一。华中科技大学赵耀等研制的船舶推进轴系纵向振动模拟试验台（实用新型：CN202216820U；发明专利： CN102297753A），试验台主要包括加载模块、基座、静加载模块、传动轴、夹壳联轴节、推力轴承、弹性联轴节、齿轮箱和变频电机等，该试验机主要提供用于模拟螺旋桨的纵向交变激励力，可产生多转速下的推进轴系纵向振动，主要侧重研究推进轴系的纵向振动，由于研究侧重点的不同，在轴系试验台组成元件存在很大的差异。申请者所在的武汉理工大学在船舶轴系试验平台方面做了大量的工作，但是之前工作的侧重点也有所不同轴系试验台的组件也有所差异，例如船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台（发明专利：CN102221461A）主要侧重于研究在实际使用中因舱壁受外力作用而对轴系产生的硬性并没有涉及到轴系尾轴的润滑等方面。

为了研究船舶推进轴系在无级变化的螺旋桨激励力的作用下各关键部件的特性以及轴系后尾轴的润滑特性等，轴系试验台需要包括模拟螺旋桨激励力的加载装置，能够实现无级变速的液压动力单元、为轴系尾轴提供润滑和冷却水源的水润滑单元、模拟柴油机运转的变频电机、模拟实船用的推力轴承以及进行运行控制和状态监测的监测控制单元等主要元件，以上各试验台均存在一定的不足。

发明内容

本发明的目的旨在模拟船机轴在实际工作过程中的轴系各主要部件的性能以及轴系尾轴润滑特性，为船机轴的结构及其安装方式的优化设计提供依据，主要针对船机轴试验专门开发设计的，能真实的模拟船机轴系的实际工作状况。

本发明是通过以下的技术方案实现：

一种船舶轴系综合试验平台（参见图1），该平台主要由变频电机、减速机、推力轴承、轴系及附件、加载装置、水润滑单元、液压动力单元、监测控制单元、地基和机座组成；其机座安装于地基上，试验台轴系设备都安装在机座上，变频电机输出端接转速/扭矩传感器后连接在减速机上，减速机后通过高弹联轴器连接推力轴承，推力轴承后接轴系及附件，轴系及附件中轴系包括两个中间轴系和一个螺旋桨尾轴，其中间轴和尾轴用液压联轴器连接，中间轴由中间轴承支撑，螺旋桨尾轴由两个油润滑艉轴承组件和一个水润滑尾轴承支撑；尾轴后设力加载装置和扭矩加载装置，其力加载装置包括轴向力加载和径向力加载；所述的水润滑单元与尾轴承、中间轴承和推力轴承有水管连通；所述的液压动力单元与力加载装置和扭矩加载装置液路连通；所述的监测控制单元与变频电机、加载装置和各轴系设备电信线路相连，以检测和汇总反馈信号、监控和记录。

本发明的技术方案中，水润滑单元包括搅拌装置、进水管、温度计、冷却水入口、液位计、冷却水出口、阀门、水泵、水泵电机、清洗阀、水箱以及加热器; 其搅拌装置由搅拌电机和螺旋桨组成一体构成, 搅拌电机、进水管和冷却水入口均布置于水箱箱体的上表面, 清洗阀布置于水箱箱体一侧的最底部,液位计布置于水箱箱体外部, 加热器设置在水箱内部,所述的箱体底板的布置是以清洗阀口为顶点向上倾斜与水平面成2度角。

本发明的技术方案中，监测控制单元主要由控制面板和上位机组成，其中控制面板除发出相应控制指令外，还显示试验台主要设备的运行状态，变频电机（主驱动电机）运行状态、加载泵站电机运行状态、控制系统工作模式、综合报警、桨轴转速、桨轴推力以及加载扭矩大小等；上位机对船舶轴系综合试验平台的主要参数进行监测，当所监测数据超过报警值时，发出声光报警提醒操作者。

本发明的技术方案中，变频电机使用的供电电压为AC 380V，频率为50Hz。

本发明的技术方案中，所述的轴向力加载为0--7.5T；径向力加载分为水平力加载和垂直力加载，两个方向加载力都是0--2.0T，三个方向独立加载互不影响，且加载力的大小无级可调。

本发明的技术方案中，扭矩加载模拟实际航行时桨叶对尾轴的转矩，要求能够消耗50kW 的功率。

本发明的技术方案中，扭矩加载利用液压泵进行加载，液压泵出口装有一个比例溢流阀来控制压力实现加载扭矩无级变化。

监测控制单元对试验台扭矩加载泵站、力加载泵站、主驱动装置、齿轮箱和轴系本体等各个部分的主要参数实现监测。

水润滑单元为船舶轴系综合性能试验平台的后尾轴承的润滑冷却以及中间轴承和推力轴承润滑油路的冷却提供有利的条件。其中水箱为该润滑系统提供实验规定的泥沙混合以及相应的试验温度条件下的润滑与冷却用水，水润滑和冷却系统原理与结构如图2、图3所示。

本发明所达到的有益效果：

1、校正被试件传递的功率、扭矩;

2、轴系校中;

3、考核水润滑轴承的摩擦性能;

4、考核轴上密封件在力加载和扭矩加载作用下的密封能力。

附图说明

图1试验台轴系装置方案示意图；

图2水润滑和冷却系统原理图；

图3-1水箱的主视结构示意图；

图3-2水箱的左视结构示意图；

图中:1-变频电机；2-减速机；3-推力轴承；4-轴系及附件；5-加载装置；6-液压动力单元；7-监测控制单元；8-地基；9-机座; 10-水润滑单元；11-水箱；12-吸入滤器；13-温度计；14-水泵；15-水泵电机；16-流量调节阀；17-流量计；18-压力传感器；19-温度传感器；20-后尾轴承；21-1号中间轴承；22-2号中间轴承；3-推力轴承；23-冷却器；24-耗功装置；25-加热器；26-搅拌电机；27-进水管；28-温度计；29-冷却水入口；30-液位计；31-冷却水出口；32-阀门；33-螺旋桨；34-清洗阀；16.1、16.2、16.3、16.4和16.5分别为后尾轴承、1号中间轴承、2号中间轴承、推力轴承和耗功装置的流量调节阀；17.1、17.2、17.3、17.4和17.5分别为后尾轴承、1号中间轴承、2号中间轴承、推力轴承和耗功装置的流量计；18.1、18.2、18.3、18.4和18.5分别为后尾轴承、1号中间轴承、2号中间轴承、推力轴承和耗功装置的压力传感器；19.1、19.2、19.3、19.4和19.5分别为后尾轴承、1号中间轴承、2号中间轴承、推力轴承和耗功装置的温度传感器。

具体实施方式

船机轴在受到螺旋桨作用力的情况下使得轴的支撑点产生相对位移或相对位移趋势以及不同润滑状态下轴系艉轴以及艉轴承的运行特性，该试验平台可完全模拟上述工况，检验被试件在上述工况下的设计合理性、可靠性、并对其寿命进行预测。

具体实施方式如下：

如图 1 所示，本发明的一种船舶轴系综合试验平台主要由变频电机1、减速机2、推力轴承3、轴系及附件4、加载装置、水润滑单元10、液压动力单元6、监测控制单元7、地基8和机座9组成。试验台的机座9安装于地基8上，试验台轴系设备都安装在机座上。试验台从右往左开始，首先利用变频电机1模拟柴油机，变频电机输出端接转速/扭矩传感器后再接减速机（齿轮箱）2，减速机后接推力轴承3，推力轴承和减速机之间用高弹联轴器联接吸收振动。推力轴承后接轴系及附件（中间轴系和尾轴）4，中间轴系包括两根中间轴，中间轴和尾轴用液压联轴器连接，以便拆卸。尾轴后不设桨叶，取而代之的是加载装置5，加载装置5包括力加载装置和扭矩加载装置，用以模拟桨叶负荷对轴的作用力，力加载装置和扭矩加载装置与液压动力单元6液路连通，由液压动力单元提供能量。监测控制单元7与扭矩加载泵站、力加载泵站、主驱动装置、减速机和轴系电信线相连，用以对试验台扭矩加载泵站、力加载泵站、主驱动装置、减速机和轴系本体等各个部分的主要参数实现监测。监测控制单元7主要包括控制面板和上位机两个部分，其中控制面板：除发出相应控制指令外，还显示试验台主要设备的运行状态，包括：变频电机（主驱动电机）运行状态、加载泵站电机运行状态、控制系统工作模式、综合报警、桨轴转速、桨轴推力以及加载扭矩大小等；上位机为监控系统的主要构成部分，可对推进轴系综合试验台的主要参数进行监测报警，当所监测数据超过报警值时，发出声光报警提醒操作者。所监测的主要数据有：桨轴转速、扭矩（对应工作压力）、轴向加载力（对应工作压力）、X 径向加载力（对应工作压力）、Y 径向加载力（对应工作压力）、力加载泵站状态、扭矩加载泵站状态、轴系状态、减速机状态、油温、负荷控制失效、控制故障、控制电源状态、变频器故障等。

如图2所示水润滑系统由水箱11、吸入滤器12、温度计13、水泵14、水泵电机15、流量调节阀16、流量计17、压力传感器18、温度传感器19、后尾轴承20、1号中间轴承21、2号中间轴承22、推力轴承3、冷却器23、耗功装置24、加热器25等组成。水润滑系统主要为轴系后尾轴承20的润滑提供相应条件的润滑和冷却用水，为1号中间轴承21、2号中间轴承22、推力轴承3和耗功装置25的润滑油的冷却提供水源。其原理：水箱中的水经过加热器25加热到试验设定的温度，并往水箱中加入泥沙等模拟海洋环境的微颗粒，利用搅拌装置（搅拌电机26、简易螺旋桨33）进行搅匀以后通过水泵14来供给相应的润滑或冷却部件，其中水量由流量调节阀16控制并通过流量计17显示，循环过程中设置的压力传感器18和温度传感器19用于测量试验过程中润滑与冷却用水的压力与温度。

Claims

1.一种船舶轴系综合试验平台，其特征在于：该平台主要由变频电机（1）、减速机（2）、推力轴承（3）、轴系及附件（4）、加载装置（5）、水润滑单元（10）、液压动力单元（6）、监测控制单元（7）、地基（8）、机座（9）组成；其机座安装于地基上，试验台轴系设备都安装在机座上，变频电机输出端接转速/扭矩传感器后连接在减速机上，减速机后通过高弹联轴器连接推力轴承，推力轴承后接轴系及附件（4），轴系及附件（4）中轴系包括两个中间轴系和一个螺旋桨尾轴，中间轴和尾轴用液压联轴器连接，中间轴由中间轴承支撑，螺旋桨尾轴由两个油润滑艉轴承组件和一个水润滑尾轴承支撑；尾轴后设力加载装置和扭矩加载装置，其力加载装置包括轴向力加载和径向力加载；所述的水润滑单元（10）与尾轴承、中间轴承和推力轴承有水管连通；所述的液压动力单元（6）与力加载装置和扭矩加载装置液路连通；所述的监测控制单元（7）与变频电机、加载装置和各轴系设备电信线路相连，以检测和汇总反馈信号、监控和记录。

2.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：水润滑单元包括搅拌装置、进水管、温度计、冷却水入口、液位计、冷却水出口、阀门、水泵、水泵电机、清洗阀、水箱以及加热器; 其搅拌装置由搅拌电机和螺旋桨组成一体构成, 搅拌电机、进水管和冷却水入口均布置于水箱箱体的上表面, 清洗阀布置于水箱箱体一侧的最底部,液位计布置于水箱箱体外部, 加热器设置在水箱内部,所述的箱体底板的布置是以清洗阀口为顶点向上倾斜与水平面成2度角。

3.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：监测控制单元主要由控制面板和上位机组成，其中控制面板除发出相应控制指令外，还显示试验台主要设备的运行状态，包括：变频电机运行状态、加载泵站电机运行状态、控制系统工作模式、综合报警、桨轴转速、桨轴推力以及加载扭矩大小；上位机对船舶轴系综合试验平台的主要参数进行监测，当所监测数据超过报警值时，发出声光报警提醒操作者。

4.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：变频电机使用的供电电压为AC 380V，频率为50Hz。

5.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：所述的轴向力加载为0--7.5T；径向力加载分为水平力加载和垂直力加载，两个方向加载力都是0--2.0T，三个方向独立加载互不影响，且加载力的大小无级可调。

6.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：扭矩加载模拟实际航行时桨叶对尾轴的转矩，要求能够消耗50kW 的功率。

7.根据权利要求1所述的船舶轴系综合试验平台，其特征在于：扭矩加载利用液压泵进行加载，液压泵出口装有一个比例溢流阀来控制压力实现加载扭矩无级变化。