CN107191529A - 一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶动力技术领域，具体来说是一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器及使用方法，动力吸振器设置于推力轴承基座上，所述的动力吸振器包括磁轭组、隔磁支撑轴、导磁轴套、磁流变弹性体、电磁组件，隔磁支撑轴的外层套设有导磁轴套，导磁轴套的两端分别装设有平行设置的磁轭组，在导磁轴套与磁轭组的相接处配置有磁流变弹性体，两磁轭组之间围绕导磁轴套设有至少一个电磁组件。本发明对推力轴承基座的纵向振动进行有效控制，进而降低螺旋桨脉动力经轴承基座向艇体的传递率，实现减小辐射噪声的目的。

Description

一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器及使用方法

技术领域

本发明涉及船舶动力技术领域，具体来说是一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器及使用方法。

背景技术

螺旋桨是船舶最主要的驱动机构，其旋转运动产生静推力，推动舰船在水域中航行。与此同时，螺旋桨的旋转运动会在舰船的艉部引起不规则的伴流场，这也使得螺旋桨还会产生额外的脉动推力。其中，静推力是有用功，驱动舰船航行。但是脉动推力是无用并且有害的，它使得推进轴系发生纵向拉压变形，引起纵向振动。对于水面舰船而言，脉动推力产生的振动会影响其乘坐的舒适性，同时对艇体中的设备造成危害；对水下舰艇而言，螺旋桨脉动推力造成艇体振动而产生的辐射噪声，大大降低了水下舰艇的声隐身性能。

相关研究表明，激发舰船壳体振动并引起辐射噪声作用力源头中，大部分是由螺旋桨端激励力通过推进轴系传递的。振动噪声控制最有效的方式是从振动传递途径即推进轴系上入手，控制轴系的纵向振动以降低其振动的传递效率，其中安装动力吸振器就是一种实用有效的方法。

目前常用的动力吸振器主要有被动式、主动式和半主动式。被动式动力吸振器结构简单，易于实现，经济性和可靠性好，但只能针对特定的频率进行减振，工作频带窄；主动式动力吸振器可以适应外扰激励频率的变化，控制频带宽，但主动控制技术需要提供较大的外接能量，增加了系统的复杂性，降低了整个系统的稳定性；半主动式动力吸振器可以根据外激励的变化，实时调节刚度、惯性以及阻尼参数，既不需要外接能量，又能获得较宽的减振频带，应用前景更为理想。

磁流变弹性体(MRE)以橡胶为基体，将微米级的尺寸铁、钴、镍等金属软磁材料分散于基体中，形成具有流变特性的智能橡胶材料。在外加磁场的作用下，它的剪切弹性模量能发生瞬时、连续、可逆的变化，并且能够方便的进行调整和控制。因此，磁流变弹性体被广泛应用到半主动式动力吸振器的设计之中。

中国发明专利CN102878237A公开了一种组合式磁流变弹性体船舶轴系纵振智能吸振器，并提出了将动力吸振器安装在轴上的设想。该吸振器包括固定套在船加轴系上的上、下基座，以及多个沿船舶轴系外周均匀分布的单体吸振器，根据船舶轴系系统的振动情况，通过调整分布于船舶轴系外周的单体吸振器的数量来调整其质量，从而调节该智能吸振器的质量比。但是该吸振器存在磁场分布不均匀、磁场强度不足、温升严重、吸振器工作不稳定等问题。并且实际舰艇轴系较重，为了保证吸振器效果，吸振器的整体质量也会较重，对轴系产生附加弯矩；吸振器随轴转动容易引入新的不平衡干扰力；且轴系上安装空间有限，引入集中载荷对轴系的强度也会产生不利影响。因此有必要对吸振器的结构进行优化设计，提高吸振性能和工作的稳定性，并且提出更为合理可行的安装方案。

发明内容

本发明是鉴于推进轴系上安装空间有限以及动力吸振器质量影响轴系振动特性和强度等不利因素，提出了将动力吸振器安装在推力轴承基座上的设想，并由此设计了一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器及使用方法，从而通过减小推力轴承基座的纵向振动来降低脉动力经轴承基座向艇体的传递率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，动力吸振器设置于推力轴承基座上，所述的动力吸振器包括磁轭组、隔磁支撑轴、导磁轴套、磁流变弹性体、电磁组件，所述的隔磁支撑轴的外层套设有导磁轴套，导磁轴套的两端分别装设有平行设置的磁轭组，在所述导磁轴套与磁轭组的相接处配置有磁流变弹性体，两磁轭组之间围绕导磁轴套设有至少一个电磁组件，所述的电磁组件、磁轭组、磁流变弹性体、导磁轴套、隔磁支撑轴构成闭合的内部磁场回路。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的隔磁支撑轴和导磁轴套上设有防止导磁轴套周向转动的配合平面，隔磁支撑轴的两端分别固定有螺母，以限制导磁轴套的轴向移动。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的磁轭组包括左右对称固定的半圆形磁轭，由两磁轭相对组成的磁轭组的中心处开设有用于固定导磁轴套的方形轴孔，在所述方形轴孔的内表面和导磁轴套的外表面分别具有放置磁流变弹性体的定位凹槽。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的磁轭组的径向表面设有通孔，通过所述通孔分别将电磁组件的两端固定在磁轭组上。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的磁轭组的周向表面设有配重螺纹孔，所述的配重螺纹孔沿磁轭组的圆周等间隔布置。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的电磁组件包括隔热体、铁芯、励磁线圈，所述的隔热体的中空内腔中设有铁芯，在隔热体的表面轴向缠绕有励磁线圈，各电磁组件上的励磁线圈相互连接，构成闭合电路。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的铁芯和励磁线圈之间布置有隔热材料。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的磁流变弹性体为方形弹性环。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的磁轭与磁流变弹性体之间留有的气隙，所述的气隙在磁路上与磁流变弹性体为并联关系，磁路与磁流变弹性体的磁感应强度与磁导率成反比。

本发明另外还提供一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器的使用方法，其采用上述的磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，包括以下步骤：

a.将所述动力吸振器固定在水平振动台上，所述的动力吸振器的电磁组件相接并接至电源，形成闭合电路；

b.信号发生器产生振动信号激励水平振动台振动，不断改变输入电流的大小，检测所述动力吸振器在不同电流下的固有频率，绘制出所述动力吸振器的移频特性曲线；

c.将所述动力吸振器固定在推力轴承基座上，保持电源与所述动力吸振器的连接，根据外激励频率和所述动力吸振器的移频特性曲线，调整输入电流，使所述动力吸振器的固有频率等于外激励频率，实现吸振。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明创造性地将动力吸振器安装在推力轴承基座上，避免了传统的动力吸振器安装在轴系时，给轴系施加附加弯矩和集中载荷等不利影响，可对推力轴承基座的纵向振动进行有效控制，进而降低螺旋桨脉动力经轴承基座向艇体的传递率，实现减小辐射噪声的目的；

2、本发明充分利用磁流变弹性体的磁致变刚度特性，通过实时改变自身的固有频率来追踪外激励频率，在多谐频、宽频激励下都可以达到极佳的吸振效果，相比于传统被动式动力吸振器，具有较宽的吸振频带，而相比于主动式吸振器，不需要外界提供较大的能量输入，大大提高了系统的稳定性；

3、本发明将磁路进行进一步优化设计，使得电磁组件、磁轭组、磁流变弹性体、导磁轴套、隔磁支撑轴构成闭合的内部磁场，回路内部磁场分布均匀，有效的减小了漏磁，使得磁场强度达到理想范围；

4、本发明中的电磁组件在形成磁场的同时可作为隔热元件，通过隔热体的设计使得线圈远离磁流变弹性体，加长了散热路径，增大了散热面积，将励磁线圈外置，减小了缠绕难度的同时使励磁线圈产生的热量能充分的散发，有效地降低了结构的温度，使磁流变弹性体能工作在适宜的温度下。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中A-A向的剖视图；

图3为本发明中磁轭的结构示意图；

图4a为本发明中导磁轴套的主视图；

图4b为本发明中导磁轴套的左视图；

图5a为本发明中隔磁支撑轴的主视图；

图5b为本发明中隔磁支撑轴的左视图；

图6为本发明中磁流变弹性体的结构示意图；

图7为本发明中电磁组件的结构示意图；

图8a为本发明中内部磁场回路的主视图；

图8b为内部磁场回路的左视图；

符号说明：

1.磁轭组 2.导磁轴套 3.隔磁支撑轴 4.磁流变弹性体 5.电磁组件 6.螺母 7.螺母垫片 8.定位凹槽 1-1.磁轭 1-2.方形轴孔 1-3.通孔 1-4.配重螺纹孔 1-5.锁紧螺栓 1-6.定位螺栓 5-1.隔热体 5-2.铁芯 5-3.励磁线圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明是研究了动力吸振器对轴系的振动特性，提出了将动力吸振器安装在推力轴承基座上的设想，从而通过减小推力轴承基座的纵向振动来降低脉动力经轴承基座向艇体的传递率，实现减小辐射噪声的目的，并能实时改变自身的固有频率来追踪外激励频率，在多谐频、宽频激励下都可以达到极佳的吸振效果。以下以实施例结合附图的形式对本发明的技术构思进行进一步陈述。

实施例1

本发明中的动力吸振器不同于现有的动力吸振器固定在轴系的方式，是将动力吸振器直接设置于推力轴承基座上，当然，动力吸振器与推力轴承基座的连接方式并不受限定，可根据不同的轴承基座的样式而对应设计，因此，在动力吸振器与推力轴承基座固定连接在此不进行赘述。以下对动力吸振器及其中的各部件进一步详述。

参见图1及图2，动力吸振器包括磁轭组1、隔磁支撑轴3、导磁轴套2、磁流变弹性体4、电磁组件5，隔磁支撑轴3的外层套设有导磁轴套2，导磁轴套2的两端分别装设有平行设置的磁轭组1，在导磁轴套2与磁轭组1的相接处配置有磁流变弹性体4，两磁轭组1之间围绕导磁轴套2设有至少一个电磁组件5，当电磁组件5通电时，电磁组件5、磁轭组1、磁流变弹性体4、导磁轴套2、隔磁支撑轴3能构成闭合的内部磁场回路，有效的减小了漏磁，使磁场均匀分布。

磁轭组1包括左右对称固定的半圆形磁轭1-1，参见图2及图3，两半圆形磁轭1-1之间通过锁紧螺栓1-5固定在一起，以保持纵向运动的一致性，由两磁轭1-1相对组成的磁轭组1的中心处开设有用于固定导磁轴套的方形轴孔1-2，在方形轴孔1-2的内表面和导磁轴套2的外表面分别具有放置磁流变弹性体4的定位凹槽8，以方便与磁流变弹性体4进行装配，使得磁流变弹性体4上下表面可通过高强度的快干胶水分别与导磁轴套2和磁轭1-1粘接在一起。为了减小边缘效应对磁流变弹性体4磁场均匀性的影响，可将磁轭1-1的宽度设计为40mm，比磁流变弹性体4稍宽为佳。磁轭1-1与磁流变弹性体4之间留有的气隙，优选为5mm，气隙在磁路上与磁流变弹性体为并联关系，磁路与磁流变弹性体4的磁感应强度与磁导率成反比。

磁轭组1的周向表面加工有配重螺纹孔1-4，配重螺纹孔1-4沿磁轭组1的圆周等间隔布置，可用于附加质量的固定。当动力吸振器的固有频率高于设计要求时，可通过附加质量增加总质量，降低动力吸振器的固有频率，提高结构的适应性。

磁轭组1的径向表面设有通孔1-3，通过通孔1-3可分别将电磁组件5的两端固定在磁轭组1上，具体的说，是将磁轭1-1上的通孔1-3与电磁组件5中的铁芯5-2的两端的通孔用定位螺栓1-6装配起来，磁轭1-1上的通孔1-3优选为呈60°的周向阵列布置，即6个电磁组件5周向并联布置，可以提供较强的磁场。

隔磁支撑轴3和导磁轴套2上设有防止导磁轴套2周向转动的配合平面，起到定位作用，防止导磁轴套2周向转动，两者之间优选为过盈配合，参见图4a、图4b、图5a、图5b中的I处即为导磁轴套2与隔磁支撑轴3装配的配合平面，当然，本实施例中的连接方式仅为举例说明，其他类似可实现该功能的连接结构也在本发明的保护范围内。此外，在隔磁支撑轴3的两端还可用螺母6加以螺母垫片7限制导磁轴套的轴向移动。材质方面，本实施例中的导磁轴套2的材料优选为DT4工业纯铁，含碳量低于0.02％，具有良好的导磁性能，而为了方便粘接磁流变弹性体4，将导磁轴套2的外部轮廓加工成正方形。隔磁支撑轴3则优选为具有较好的机械强度和隔磁性能的7705硬质铝合金材料，也可采用其他不导磁材料进行隔磁，在此不做限定。

磁流变弹性体4为方形弹性环，参见图6，采用方形设计的弹性环结构，不仅方便裁剪和装配，还增大了与导磁轴套2和磁轭组1之间的粘接硫化的表面积，增加了硬硫化强度和可靠性，防止在纵向振动过程中，磁轭组1和导磁轴套2与磁流变弹性体4连接松动而脱落。

电磁组件5包括隔热体5-1、铁芯5-2、励磁线圈5-3，参见图7，隔热体5-1的中空内腔中设有铁芯5-2，在隔热体的表面轴向缠绕有励磁线圈5-3，各电磁组件5上的励磁线圈5-3相互连接，构成闭合电路。此外，本发明中的电磁组件5在形成磁场的同时可作为隔热元件，以减小通电工作时的温升，解决了磁流变弹性体4因温升过高而性能减弱的问题。具体来说，本发明的结构温升主要由于热传导引起，因此可以在铁芯5-2和励磁线圈5-3之间布置一层隔热材料，减小励磁线圈5-3热量通过铁芯5-2向磁流变弹性体4的传递。本发明中的隔热体5-1采用的是热塑性聚氨酯弹性体(PU)，导热系数为0.25W/(m·K)，具有良好的隔热性能。另外，还可适当增加铁芯5-2和磁轭1的长度。通过本发明中隔热体5-1的设计使得励磁线圈5-3远离磁流变弹性体4，加长了散热路径，增大了散热面积，将励磁线圈外置，减小了缠绕难度的同时使励磁线圈产生的热量能充分的散发，有效地降低了结构的温度，使磁流变弹性体4能工作在适宜的温度下。

现配合图8a、图8b对本发明中的动力吸振器的工作原理进行进一步解释：当励磁线圈5-3通电时，动力吸振器内部会形成磁场，不同大小的电流产生不同强弱的磁场，磁流变弹性体4的剪切弹性模量会随磁场强弱而改变，进而改变动力吸振器的刚度，从而改变动力吸振器的固有频率，当外激励频率改变时，只需调整输入电流大小，即可使动力吸振器的固有频率实时跟踪外激励频率，在多谐频、宽频激励下可以取得满意的吸振效果。

实施例2

本发明另外还提供一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器的使用方法，其采用实施例1中的磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，使用方法包括以下步骤：

a.将动力吸振器固定在水平振动台上，动力吸振器的电磁组件5相接并接至电源，形成闭合电路；

b.信号发生器产生振动信号激励水平振动台振动，不断改变输入电流的大小，检测动力吸振器在不同电流下的固有频率，绘制出动力吸振器的移频特性曲线；

c.将动力吸振器固定在推力轴承基座上，保持电源与动力吸振器的连接，根据外激励频率和所述动力吸振器的移频特性曲线，调整输入电流，使动力吸振器的固有频率等于外激励频率，实现吸振。

其中，电源可使用方便切换输入电流大小的可编程电源，可编程电源通过导线和动力吸振器的励磁线圈5-3连接，形成闭合电路，可编程电源不断改变输入电流的大小，并通过信号采集设备测得动力吸振器在不同电流下的固有频率，即可绘制出动力吸振器的移频特性曲线。在具体设置时，可将动力吸振器通过夹具安装在推力轴承基座上，当然，动力吸振器与推力轴承基座的连接形式并不作为限定。当外激励频率改变时，只要改变输入电流的大小，即可实现所述动力吸振器的固有频率跟随外激励频率变化。以此达到对推力轴承基座的纵向振动进行有效控制，进而降低螺旋桨脉动力经轴承基座向艇体的传递率，实现减小辐射噪声的目的。相较于常规的动力吸振器，本发明能产生均匀的磁场分布，并且能控制温升在较小的范围内，进而能对多谐频、宽频激励实现有效吸振。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，动力吸振器设置于推力轴承基座上，所述的动力吸振器包括磁轭组、隔磁支撑轴、导磁轴套、磁流变弹性体、电磁组件，所述的隔磁支撑轴的外层套设有导磁轴套，导磁轴套的两端分别装设有平行设置的磁轭组，在所述导磁轴套与磁轭组的相接处配置有磁流变弹性体，两磁轭组之间围绕导磁轴套设有至少一个电磁组件，所述的电磁组件、磁轭组、磁流变弹性体、导磁轴套、隔磁支撑轴构成闭合的内部磁场回路。

2.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的隔磁支撑轴和导磁轴套上设有防止导磁轴套周向转动的配合平面，隔磁支撑轴的两端分别固定有螺母，以限制导磁轴套的轴向移动。

3.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的磁轭组包括左右对称固定的半圆形磁轭，由两磁轭相对组成的磁轭组的中心处开设有用于固定导磁轴套的方形轴孔，在所述方形轴孔的内表面和导磁轴套的外表面分别具有放置磁流变弹性体的定位凹槽。

4.根据权利要求1或3所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的磁轭组的径向表面设有通孔，通过所述通孔分别将电磁组件的两端固定在磁轭组上。

5.根据权利要求1或3所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的磁轭组的周向表面设有配重螺纹孔，所述的配重螺纹孔沿磁轭组的圆周等间隔布置。

6.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的电磁组件包括隔热体、铁芯、励磁线圈，所述的隔热体的中空内腔中设有铁芯，在隔热体的表面轴向缠绕有励磁线圈，各电磁组件上的励磁线圈相互连接，构成闭合电路。

7.根据权利要求6所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的铁芯和励磁线圈之间布置有隔热材料。

8.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的磁流变弹性体为方形弹性环。

9.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，其特征在于，所述的磁轭与磁流变弹性体之间留有的气隙，所述的气隙在磁路上与磁流变弹性体为并联关系，磁路与磁流变弹性体的磁感应强度与磁导率成反比。

10.一种磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任意一项所述的磁流变弹性体推力轴承基座动力吸振器，包括以下步骤：

a.将所述动力吸振器固定在水平振动台上，所述的动力吸振器的电磁组件相接并接至电源，形成闭合电路；

b.信号发生器产生振动信号激励水平振动台振动，不断改变输入电流的大小，检测所述动力吸振器在不同电流下的固有频率，绘制出所述动力吸振器的移频特性曲线；

c.将所述动力吸振器固定在推力轴承基座上，保持电源与所述动力吸振器的连接，根据外激励频率和所述动力吸振器的移频特性曲线，调整输入电流，使所述动力吸振器的固有频率等于外激励频率，实现吸振。