CN106996871B - 实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陆上实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，主要由基础平台、直流电动机、高弹性联轴节、推力轴承总成、中间轴、推进轴、艏轴承、舯轴承、艉轴承、螺旋桨模拟块、轴向静推力加载装置、动态力加载装置、扭矩加载装置、密封装置、轴系对中调节装置、轴承基座动态力测试元件、各部分配套基座和润滑与冷却装置组成。各部分配套基座安装在基础平台上，基座上安装推进轴系主要部件以及配套辅件。本发明可在轴系旋转时实现轴向静推力、轴向和径向动态力加载以及扭矩负载，同时还具有轴系对中状态调节功能，可进行不同校中状态下轴承支反力测量、基座振动测量以及轴系振动及其传递特性测试。

Description

实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置

技术领域

本发明涉及实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置。

背景技术

推进轴系是船舶系统动力装置中的重要环节，其主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力通过推力轴承传给船体，推动船舶航行。

船舶推进轴系由于种种原因易产生各种振动，如由于主机不均匀传递力矩、安装上的不对中、材料的不均匀、加工的不精确、以及自身重量的不平衡等原因可以产生轴系的扭转振动、横向振动；而由于船舶螺旋桨在船艉不均匀流场中旋转，产生不均匀的推力可以使轴系产生纵向振动，同时构成船舶艉部的扰动源，可以引起船体的总振动。船舶推进轴系的振动都将通过径向轴承、推力轴承等支撑结构传递到船体，引起船体振动，并产生辐射噪声。随着对船舶振动噪声水平要求的逐步提高，由于船舶推进轴系振动引起的船体振动及辐射噪声得到了更多的关注，人们在船舶推进轴系的振动计算方法、试验测试技术、轴系振动控制技术方面开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。

船舶推进轴系作为一种复杂的大型旋转结构，在其理论计算面临较大难度的情况下，试验研究无疑是最为直接、可靠的方式。因此国内外多家单位均对船舶轴系开展了试验研究，并搭建了相应的轴系试验台。重庆大学为研究水润滑橡胶轴承的润滑及力学性能，设计了一种能模拟水润滑轴承及传动系统复杂工况下的综合性能实验平台。该实验台由五个部分组成，分别为驱动部分、机械传动部分、加载部分、控制测试部分以及辅助部分。该实验平台采用液压加载的方式来测试水润滑橡胶合金轴承的摩擦系数、水膜压力、水膜厚度、轴心轨迹、动态刚度和阻尼等参数。同样为研究水润滑橡胶轴承的性能，武汉理工大学和中国船舶重工集团公司第719研究所分别研制了不同的水润滑橡胶轴承试验装置。

在对船舶轴系的研究中，除了对轴承的研究外，人们也对整个轴系进行了相关的试验研究，搭建了整个轴系试验台架。如中国舰船研究设计中心研制的推进轴系试验台架，该台架采用液压方式加载静推力，用力锤锤击施加动态力，并没有考虑扭矩负载对推进轴系振动的影响，动态力施加也无法进行有效控制；国防科技大学王家盛研制的推进轴系试验装置,该装置配备了循环水箱来提供推进器所需的外部水环境，但受限于尺寸以及不稳定流场限制，一定程度上降低了试验台的可靠性；武汉理工大学严新平研制的船舶轴系综合试验平台(发明专利：CN102980765A；发明专利：CN103353395A)，该装置采用液压方式对推进轴加载三向轴向力以及扭矩负载，但在该装置中液压加载装置直接将力作用至轴承壳体，同时扭矩加载采用齿轮啮合的方式，对轴系增加了额外的激励，不适用于推进轴系振动传递特性方面的研究；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(发明专利：CN102297753A)，该装置采用动加载模块与静加载模块来模拟螺旋桨的纵向交变激励力，但该装置构件组成与实际船舶动力装置存在一定差异，也没有考虑推进器对推进轴作用的扭矩对推进轴振动的影响，加载装置中采用的止推轴承同样也没有考虑轴承滚动体旋转时引起的脉动分量影响，该装置也存在一定的局限性。

从上述公开的文献资料可以看出，作为一个研究热点，国内已有多家单位研制了轴系试验装置。但是为了研究船舶推进轴系在实际运转工况下的轴系振动传递特性以及研究轴系对中状态对轴系振动的影响，现有的试验装置均存在一定的缺陷。

发明内容

针对上述现有轴系试验台架试验功能存在的不足，本发明提供一种实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，该试验装置为推进轴系配置有轴向静推力加载装置、动态力加载装置和扭矩加载装置，配置对中调节装置可以实现轴系在不同校中状态下进行运转，可以全面模拟船舶轴系在运转中所受到的各种载荷。

为了解决上述问题，本发明采用如下方案：

一种实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，包括基础平台、直流电动机、高弹性联轴节、推力轴承总成、中间轴、推进轴、艏轴承、舯轴承、艉轴承、螺旋桨模拟块、轴向静推力加载装置、动态力加载装置、扭矩加载装置、密封装置、轴系对中调节装置、轴承基座动态力测试元件、配套基座和润滑与冷却装置；

所述配套基座安装于基础平台上；

所述直流电动机的动力输出端通过高弹性联轴节联接推力轴承总成中的推力轴，并依次联接中间轴、推进轴、螺旋桨模拟块以及扭矩加载装置及轴向静推力加载装置；所述轴系对中调节装置用于实现艏轴承、舯轴承、艉轴承的基座沿垂向和横向的位移调整与固定；所述的润滑与冷却装置通过水管向推力轴承总成、艏轴承、舯轴承、艉轴承和扭矩加载装置中的磁粉制动器提供水实现润滑或冷却。

作为上述技术方案的进一步改进：

基础平台为混凝土结构平台，该平台分为两段：一段安装布置直流电动机，另一段安装布置推进轴系其余部件；两段混凝土结构台体之间与四周布置隔振沟，混凝土结构平台与地之间以及所述隔振沟内铺有细沙石层。

所述配套基座包括直流电动机基座、推力轴承总成基座、艏轴承基座、舯轴承基座、艉轴承基座和扭矩加载装置基座。

所述轴承基座动态力测试元件安装于艏轴承与艏轴承基座之间、舯轴承与舯轴承基座之间、艉轴承与艉轴承基座之间及推力轴承总成及推力轴承总成基座之间，所述轴承基座动态力测试元件可测量和记录推进轴系在振动时向配套基座传递的动态力。

所述的轴向静推力加载装置包括推力加载反力框架、气囊、承压板、静态力传感器、推力调心滚子轴承组件及三分量动态力测量装置；通过调节比例阀控制气囊的供气压力来调整轴向静推力大小，轴向静推力依次经承压板、静态力传感器、推力调心滚子轴承、三分量动态力测量装置，最终传递至推进轴及推力轴承总成。

所述的动态力加载装置由信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，由信号发生器生成动态激励信号经功率放大器输送到电磁激振器，通过电磁激振器对推进轴系施加动态激励；动态力经推力调心滚子轴承传递到推进轴上，并由三分量动态力测量装置测量实际力值，以消除调心滚子轴承滚动体旋转对动态力的影响。

所述扭矩加载装置包括对称布置在推进轴两侧的磁粉制动器、柱销联轴器、扭矩传感器、窄V带传动结构、联接横梁及程控电源；所述扭矩加载由两台磁粉制动器实现，推进轴与扭矩加载装置上均设置有V型带轮，推进轴与扭矩加载装置之间通过安装在V型带轮上的窄V带传动；通过程控电源调节其输入到磁粉制动器中的电流值而改变加载扭矩的大小。

所述轴系对中调节装置包括横向调整支架、横向调整螺栓、高度调整球头螺栓、静态力传感器及调整垫铁。

所述试验装置的轴向静推力加载、动态力加载与扭矩加载可单独或同时实现并均能够无级调节。

本发明的技术效果在于：

本发明的试验装置依据我国现有舰船推进轴系按照1:1尺度设计，克服了现有轴系台架多为缩比模型，不能真实反映实尺度轴系运行情况的缺点；本发明的推进轴系验装置配置有扭矩加载装置、轴向静推力加载装置和动态力加载装置，可以全面模拟船舶轴系在运转中所受到的各种载荷，同时本试验装置还具有轴系对中状态调节功能，可以为船舶推进轴系安装工艺研究、轴系振动及其传递特性研究提供实尺度的试验装置。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明中推进轴系配套基座结构图。

图3为本发明中轴向静推力加载装置结构图。

图4为本发明中扭矩加载装置结构图。

图5为本发明中对中调节装置结构图。

图6为本发明中润滑与冷却装置原理图。

图中：1-基础平台；2-直流电动机；3-高弹性联轴节；4-推力轴承总成；5-中间轴；6-推进轴；7-艏轴承；8-舯轴承；9-艉轴承；10-螺旋桨模拟块；11-轴向静推力加载装置；11.1-推力加载反力框架、11.2-气囊、11.3-承压板、11.4-静态力传感器、11.5-推力调心滚子轴承组件；11.6-三分量动态力测量装置；12-动态力测量装置；13-扭矩加载装置；13.1-磁粉制动器1；13.2-柱销联轴器、13.3-扭矩传感器、13.4-窄V带传动结构；13.5-联接横梁；13.6-磁粉制动器2；14-密封装置；15-轴系对中调节装置；15.1-横向调整支架；15.2-横向调整螺栓；15.3-高度调整球头螺栓；15.4-静态力传感器；15.5-调整垫铁；16-轴承基座动态力测试元件；17-各部分配套基座；17.1-直流电动机基座；17.2-推力轴承总成基座；17.3-艏轴承基座；17.4-舯轴承基座；17.5-艉轴承基座；17.6-扭矩加载装置基座；18-润滑与冷却装置；19-循环水箱；20-过滤器；21-截止阀；22-水泵；23-节流阀；24-压力表；25-流量计；26.1-分别为推力轴承支路；26.2-艏轴承支路；26.3-舯轴承支路；26.4-艉轴承支路；26.5-第一磁粉制动器支路节流阀；26.6-第二磁粉制动器支路节流阀；27.1-推力轴承支路；27.2-艏轴承支路；27.3-舯轴承支路；27.4-艉轴承支路；27.5-第一磁粉制动器支路流量计；27.6-第二磁粉制动器支路流量计；28.1-艏轴承支路压力表；28.2-舯轴承支路压力表；28.3-艉轴承支路压力表；29.1-推力轴承支路温度计；29.2-艏轴承支路温度计；29.3-舯轴承支路温度计；29.4-艉轴承支路温度计；30-止回阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种陆上实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，主要由基础平台1、直流电动机2、高弹性联轴节3、推力轴承总成4、中间轴5、推进轴6、艏轴承7、舯轴承8、艉轴承9、螺旋桨模拟块10、轴向静推力加载装置11、动态力加载装置12、扭矩加载装置13、密封装置14、轴系对中调节装置15、轴承基座动态力测试元件16、各部分的配套基座17和润滑与冷却装置18组成。

如图2所示，各部分的配套基座17安装在基础平台1上，配套基座17上安装推进轴系主要部件以及配套辅件。直流电动机2的动力输出端通过高弹性联轴节3联接到推力轴承总成4中的推力轴上，并依次联接中间轴5、推进轴6、螺旋桨模拟块10以及扭矩加载装置13和轴向静推力加载装置11。

基础平台1为混凝土结构平台，该平台分为两段：一段用于安装布置直流电动机2，另外一段用于安装布置推进轴系其余部件。两段混凝土结构台体之间与四周布置隔振沟，混凝土平台与大地之间以及隔振沟内铺有细沙石层以对振动进行部分隔离。在直流电动机2与电动机基座17.1之间安装减振器进行振动隔离。电动机输出轴与推力轴承转轴间配置高弹性联轴节3，以减小其对推进轴系装置的振动影响。在扭矩加载装置13与其基座之间安装减振器进行振动隔离。

轴承基座动态力测试元件16安装于艏轴承7与艏轴承基座17.3之间、舯轴承8与舯轴承基座17.4之间、艉轴承9与艉轴承基座17.5之间及推力轴承总成4及推力轴承总成基座17.2之间，所述轴承基座动态力测试元件16可测量和记录推进轴系在振动时向配套基座17传递的动态力。

艉轴末端不设置桨叶，采用螺旋桨模拟块来替代，其质量和转动惯量与实船同量级。通过轴向静推力加载装置11和扭矩加载装置13，分别可模拟船舶螺旋桨在水中运转所产生的推力和扭矩负载。通过动态力加载装置12可模拟螺旋桨在非均匀流场中运转所产生的脉动力。

如图3所示，轴向静推力加载装置11包括推力加载反力框架11.1、气囊11.2、承压板11.3、静态力传感器11.4、推力调心滚子轴承组件11.5及三分量动态力测量装置11.6；通过调节比例阀控制气囊11.2的供气压力来调整轴向静推力大小，轴向静推力依次经承压板11.3、静态力传感器11.4、推力调心滚子轴承11.5、三分量动态力测量装置11.6，最终传递至推进轴6及推力轴承总成4；该轴向静推力可以实现无级调节并显示与记录。

动态力加载装置12可以实现轴向和径向加载，由信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成。由信号发生器生成动态激励信号经功率放大器输送到电磁激振器，通过电磁激振器对轴系施加动态激励。动态力经推力调心滚子轴承传递到推进轴上，并由三分量动态力测量装置测量实际力值，可有效消除调心滚子轴承滚动体旋转对动态力的影响。

如图4所示，扭矩加载装置13由对称布置在推进轴两侧的磁粉制动器、柱销联轴器、扭矩传感器、窄V带传动结构和程控电源组成。其中，扭矩加载由两台磁粉制动器实现，推进轴6与扭矩加载装置13上均设置有V型带轮，推进轴6与扭矩加载装置13之间通过安装在V型带轮上的窄V带传动，窄V带通过一定方式的布置使轴受纯剪切力，并且将这两套扭矩加载装置13之间用两根横梁联接，这样该剪切力从整体上来讲为系统内力，从而可实现消除两侧传动装置对推进轴6受力的影响。通过程控电源调节其输入到磁粉制动器中的电流值从而改变加载扭矩的大小，该扭矩可无级调节并显示与记录。

如图5所示，轴系对中调节装置15包括横向调整支架15.1、横向调整螺栓15.2、高度调整球头螺栓15.3、静态力传感器15.4及调整垫铁15.5。可以实现艏轴承、舯轴承、艉轴承基座沿垂向和横向的位移调整与固定。轴系对中调节装置15安装位置有艏轴承基座17.3处、舯轴承基座17.4处、艉轴承基座17.5处以及直流电动机17.1处。对中调节的具体方法是：横向调整支架15.1安装固定在基础台面的T型槽内，旋转横向调整螺栓可实现对轴承座及基座沿横向的微调；静态力传感器15.4安装在基础台面的光洁面上，在调整高度前，先使调整垫铁处于不受力状态，然后旋转高度调整球头螺栓，可以使球头螺栓顶紧或离开静态力传感器作用面，从而实现对轴承座及基座沿高度的微调，调整后利用调整垫铁使其起支撑作用。在调整垫铁起到支撑作用前，可以实现对轴承支撑反力的测量。

如图6所示，推进轴系的润滑与冷却装置18主要有循环水箱19、过滤器20、截止阀21、水泵22、节流阀23、压力表24、流量计25、温度计和止回阀组成。其中推力轴承支路、磁粉制动器1和磁粉制动器2共3条支路，主要为其提供相应的冷却用水。艏轴承7、舯轴承8和艉轴承9均为水润滑轴承，为其提供相应条件润滑和冷却用水，满足其压力、流量和水温在适宜范围。

本试验装置工作时，

首先，每一次试验前，通过调整对中调节装置15，确定为试验所需的轴系对中变位参数。

其次，启动润滑与冷却装置18，通过水管向推力轴承、艏轴承7、舯轴承8、艉轴承9和扭矩加载装置13中的磁粉制动器提供水润滑或冷却作用。

然后，启动直流电动机2。直流电动机2的动力输出端通过高弹性联轴节3传递到推力轴承转轴，依次带动中间轴5、推进轴6、螺旋桨模拟块10以及扭矩加载装置13和轴向推力加载装置11转动。调节比例阀供气压力，实现轴向推力加载；通过程控电源调节其输入电流值从而改变负载扭矩大小；通过动态力加载装置12可分别沿轴向和径向进行动态力加载，三者之间可单独或同时实现，互不影响，均能够无级调节。

最后，针对相应的试验内容进行测试与分析。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (7)

1.一种实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：包括基础平台(1)、直流电动机(2)、高弹性联轴节(3)、推力轴承总成(4)、中间轴(5)、推进轴(6)、艏轴承(7)、舯轴承(8)、艉轴承(9)、螺旋桨模拟块(10)、轴向静推力加载装置(11)、动态力加载装置(12)、扭矩加载装置(13)、密封装置(14)、轴系对中调节装置(15)、轴承基座动态力测试元件(16)、配套基座(17)和润滑与冷却装置(18)；

所述配套基座(17)安装于基础平台(1)上；

所述直流电动机(2)的动力输出端通过高弹性联轴节(3)联接推力轴承总成(4)中的推力轴，并依次联接中间轴(5)、推进轴(6)、螺旋桨模拟块(10)以及扭矩加载装置(13)及轴向静推力加载装置(11)；所述轴系对中调节装置(15)用于实现艏轴承(7)、舯轴承(8)、艉轴承(9)的基座沿垂向和横向的位移调整与固定；所述的润滑与冷却装置(18)通过水管向推力轴承总成(4)、艏轴承(7)、舯轴承(8)、艉轴承(9)和扭矩加载装置(13)中的磁粉制动器提供水实现润滑或冷却；基础平台(1)为混凝土结构平台，该平台分为两段：一段安装布置直流电动机(2)，另一段安装布置推进轴系其余部件；两段混凝土结构台体之间与四周布置隔振沟，混凝土结构平台与地之间以及所述隔振沟内铺有细沙石层；所述扭矩加载装置(13)包括对称布置在推进轴(6)两侧的磁粉制动器(13.1)、柱销联轴器(13.2)、扭矩传感器(13.3)、窄V带传动结构(13.4)、联接横梁(13.5)及程控电源；所述扭矩加载由两台磁粉制动器(13.1)实现，推进轴(6)与扭矩加载装置(13)上均设置有V型带轮，推进轴(6)与扭矩加载装置(13)之间通过安装在V型带轮上的窄V带传动；通过程控电源调节其输入到磁粉制动器(13.1)中的电流值而改变加载扭矩的大小。

2.根据权利要求1所述实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述配套基座(17)包括直流电动机基座(17.1)、推力轴承总成基座(17.2)、艏轴承基座(17.3)、舯轴承基座(17.4)、艉轴承基座(17.5)和扭矩加载装置基座(17.6)。

3.根据权利要求1所述实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述轴承基座动态力测试元件(16)安装于艏轴承(7)与艏轴承基座(17.3)之间、舯轴承(8)与舯轴承基座(17.4)之间、艉轴承(9)与艉轴承基座(17.5)之间及推力轴承总成(4)及推力轴承总成基座(17.2)之间，所述轴承基座动态力测试元件(16)可测量和记录推进轴系在振动时向配套基座(17)传递的动态力。

4.根据权利要求1所述的实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述的轴向静推力加载装置(11)包括推力加载反力框架(11.1)、气囊(11.2)、承压板(11.3)、静态力传感器(11.4)、推力调心滚子轴承组件(11.5)及三分量动态力测量装置(11.6)；通过调节比例阀控制气囊(11.2)的供气压力来调整轴向静推力大小，轴向静推力依次经承压板(11.3)、静态力传感器(11.4)、推力调心滚子轴承(11.5)、三分量动态力测量装置(11.6)，最终传递至推进轴(6)及推力轴承总成(4)。

5.根据权利要求1所述的实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述的动态力加载装置(12)由信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，由信号发生器生成动态激励信号经功率放大器输送到电磁激振器，通过电磁激振器对推进轴系施加动态激励；动态力经推力调心滚子轴承(11.5)传递到推进轴(6)上，并由三分量动态力测量装置(11.6)测量实际力值，以消除调心滚子轴承滚动体旋转对动态力的影响。

6.根据权利要求1所述实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述轴系对中调节装置(15)包括横向调整支架(15.1)、横向调整螺栓(15.2)、高度调整球头螺栓(15.3)、静态力传感器(15.4)及调整垫铁(15.5)。

7.根据权利要求1所述实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，其特征在于：所述试验装置的轴向静推力加载、动态力加载与扭矩加载可单独或同时实现并均能够无级调节。