CN107345856A - 一种用于旋转轴系的低动刚度纵向加载激振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，包括随动旋转模块、加载盘、主弹簧、辅助弹簧、加载螺杆、电磁吸力模块、激振杆、电磁激振器及固定支座；加载螺杆的一端固定在固定支座的前面板上，另一端穿过加载盘，主弹簧套装在固定支座与加载盘之间的加载螺杆上，辅助弹簧套装在加载螺杆的末端，与螺栓配合将加载螺杆与加载盘压紧；随动旋转模块安装于加载盘的前端，用于与旋转轴系连接；电磁吸力模块安装在固定支座前面板上，电磁激振器刚性固定或柔性悬挂在固定支座上，激振杆穿过固定支座前面板开孔、电磁吸力模块中间孔与加载盘后端面的中心固定。本装置可以避免纵向加载装置对旋转轴系纵向固有特性造成影响。
Description
技术领域
本发明属于旋转轴系振动噪声控制与试验测试技术领域，特别涉及一种用于旋转轴系的低动刚度纵向加载激振装置。
背景技术
船舶推进轴系是船舶推进系统的关键组成部分，一般由主轴、径向支承轴承、推力轴承、联轴器等部件组成，承担着将动力设备扭矩传递给螺旋桨、同时将螺旋桨旋转产生的推力传递给船体的重要任务。推进轴系振动不仅会引起噪声，也会对轴系及相关部件的可靠性带来影响。因此，推进轴系的强度与振动问题一直以来是船舶设计的重要内容，受到了工程与科研人员的重视，得到了广泛的研究。
在推进轴系振动噪声的研究过程中，陆上试验台架模拟和测试是解决复现轴系振动噪声现象、探寻轴系振动规律和检验控制措施效果的重要手段。推进轴系陆上试验台架试验中，需要模拟螺旋桨旋转产生的纵向载荷和激励作用。螺旋桨旋转会产生纵向的静态推力载荷和动态激振力。对于船舶推进轴系而言，其承受的纵向推力载荷通常较大，能够达到几吨至几十吨以上。因此，在进行纵向静推力加载时，不可避免地要采用较大静刚度的加载机构以满足较大静推力需要。
当加载机构纵向静态刚度较大时，其纵向动态刚度一般也比较大。这就相当于给整个旋转轴系引入了一个附加刚度，会直接改变整个推进轴系的纵向固有特性，导致测试得到的旋转轴系纵向模态和振动噪声规律出现偏差，影响试验结果和验证效果。因此，在实现对旋转轴系进行大载荷纵向加载的同时，尽量减小或消除加载机构装置动刚度较大对旋转轴系纵向固有特性的影响，是旋转推进轴系陆上台架试验中迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，该装置能够在提供较大纵向静推力的情况下，采用“正刚度弹簧”与“负刚度电磁弹簧”相结合的控制装置，实现尽量减小或消除旋转轴系纵向加载装置自身动刚度对轴系固有特性影响的目的。
实现本发明的技术方案如下：
一种具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，包括随动旋转模块、加载盘、加载弹簧、加载螺杆、电磁吸力模块、激振杆、电磁激振器及固定支座，其中，所述加载弹簧由主弹簧和辅助弹簧组成；
所述加载螺杆的一端固定在固定支座的前面板上，另一端穿过加载盘，所述主弹簧套装在固定支座与加载盘之间的加载螺杆上，所述辅助弹簧套装在加载螺杆的末端，与螺栓配合将加载螺杆与加载盘压紧；所述随动旋转模块安装于加载盘的前端，用于与旋转轴系连接；所述电磁吸力模块安装在固定支座前面板上，电磁激振器刚性固定或柔性悬挂在固定支座上，激振杆穿过固定支座前面板开孔、电磁吸力模块中间孔与加载盘后端面的中心固定。
进一步地，本发明所述随动旋转模块由推力滚动轴承、动环、压紧盖和锁紧螺母组成；推力滚动轴承内环套装在加载盘的前端，并用锁紧螺母锁紧；推力滚动轴承外环安装在动环的内部，并用压紧盖顶紧；所述动环与旋转轴系末端螺栓连接；当推进轴系运转时，动环、压紧盖、外环一起旋转。
进一步地，本发明所述加载螺杆后部的直径大于前部，后部上加工有螺纹，通过螺纹与固定支座前面板上的螺纹孔配合固定。
进一步地，本发明动环采用连接螺栓与旋转轴系末端螺纹孔相连，螺纹旋向与轴系运转方向相反。
有益效果
1)本加载装置采用具有等效负刚度特性的电磁吸力模块与弹簧并联，实现低动刚度纵向加载，可以减小纵向加载装置的动刚度，避免纵向加载装置对旋转轴系纵向固有特性造成影响。
2)本加载装置提供的纵向静态载荷可以根据需要进行调整。通过选用不同型号的加载弹簧，可以改变纵向推力载荷大小，适应不同类型旋转轴系、不同缩比比例试验台架的加载需要。
3)本加载装置中电磁吸力模块的负刚度大小可以方便地进行调整，通过设计给定电磁吸力模块的激磁电流大小，可以改变电磁吸力模块的负刚度，与主加载弹簧的动态刚度相适应，满足不同类型旋转轴系、不同缩比比例试验台架的加载需要。
4)本加载装置具有低动刚度特性、能同时施加纵向静载荷和动载荷的加载激励装置。
附图说明
图1为用于旋转轴系的低动刚度纵向加载激振装置示意图；
其中，1-锁紧螺母，2-推力滚动轴承，3-动环，4-压紧盖，5-螺栓，6-辅助弹簧，7-加载盘，8-加载螺杆，9-主弹簧，10-固定支座，11-电磁吸力模块，12-激振杆 13-电磁激振器。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
本发明一种具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置组成如下：随动旋转模块、加载弹簧、加载盘7、加载螺杆8、固定支座10、电磁吸力模块11、激振杆12和电磁激振器13，其中随动旋转模块由推力滚动轴承2、动环3、压紧盖4和锁紧螺母1组成，加载弹簧由辅助弹簧6和主弹簧9组成。
推力滚动轴承2内环套装在加载盘7的前端，锁紧螺母1为环状结构，加工内螺纹，与加载盘前端的外螺纹规格相同，锁紧螺母1将推力滚动轴承2锁紧。推力滚动轴承2可以根据试验台架纵向能力需要，选用市购国标轴承，可以选用双列圆锥滚子轴承或单列圆锥滚子轴承。动环3为圆柱“凹”形，底部开螺栓孔，采用连接螺栓与旋转轴系末端螺纹孔相连，螺纹旋向与轴系运转方向相反，推力滚动轴承2外环安装在动环3的内部。动环3端面开螺纹孔，用于固定压紧盖4。压紧盖4中间开孔，安装完成后加载盘7与压紧盖4不接触。
加载盘7为整体结构，采用磁钢材料整体加工，前部为阶梯轴结构，用于安装推力滚动轴承2。加载盘7后端设计为圆盘形状，用于承受加载弹簧产生的纵向推力，圆盘靠近外缘处开安装通孔，用于穿过加载弹簧的加载螺杆。加载盘7后部中心处开螺纹孔，用于连接电磁激振器激振杆12。
主弹簧9套装在加载螺杆8的细部，前端压紧在加载盘7上。辅助弹簧6套装在加载螺杆8的细部末端，与螺栓5配合将加载螺杆8与加载盘7压紧。螺栓5、辅助弹簧6和主弹簧9可以根据纵向加载载荷大小，选用符合国家标准的市购产品。进行设计选型时，辅助弹簧6和主弹簧9的静刚度保持一致。
加载螺杆8的尺寸根据辅助弹簧6和主弹簧9的尺寸进行设计。加载螺杆8前端加工螺纹，用于安装螺栓5。加载螺杆8后部直径大于前部，加工螺纹，用于与固定支座10前面板上的螺纹孔配合。加载螺杆8最末端设计为六角或四角形状，便于使用扳手进行旋动操作。加载螺杆8的前部(细部)起到弹簧导向杆作用，后部(粗部)起到压紧弹簧的作用。本发明旋动加载螺杆8、主弹簧9的长度会随之伸长或缩短，使得作用在加载盘的纵向压紧力减小或增大，并通过加载盘7、随动旋转模块进一步传递到旋转轴系末端，实现对旋转轴系的纵向静态加载和静态加载力调整。
固定支座10为焊接框架式结构，尺寸根据试验台架安装环节要求、电磁激振器13尺寸进行设计。固定支座10的刚度需要足够强，使其模态频率尽量高，必要时应开展模态设计，使其第一阶模态频率值为轴系重要纵向固有频率值的3倍以上。固定支座10前面板上开螺纹孔以安装加载螺杆8，前面板中部开孔以通过电磁激振器的激振杆12。固定支座采用螺栓固定安装在试验台架基座或平台上。
电磁吸力模块11、由直流供电电磁铁、外壳、配套导线、直流电源组成。电磁吸力模块11设计成为中空，使得电磁激振器激振杆12可以穿过。电磁铁和直流电源根据设计参数，选用符合国家标准的市购产品。外壳的尺寸和接口根据电磁铁和直流电源尺寸进行设计，采用螺栓刚性安装在与固定支座10上，电磁铁产生电磁力，作用在加载盘上。
本发明电磁激振器13用于施加动态载荷，采用刚性固定或者柔性悬挂安装在固定支座10上，激振杆12穿过固定支座的前面板开孔、电磁吸力模块11中间孔而不与二者接触，与加载盘7刚性连接。电磁激振器13和激振杆12根据动态激励力需要，选用符合国家标准的市购产品。
具体装配步骤如下：
a.将推力滚动轴承2安装在加载盘7前端，并用锁紧螺母1锁紧；
b.将动环3用螺栓安装在旋转轴末端；
c.将推力滚动轴承2、加载盘7和锁紧螺母1的组合体与动环3装配，使推力滚动轴承2的外环与动环3的内径配合；
d.用螺栓将压紧盖4安装在动环端面上，使压紧盖4顶紧推力滚动轴承的外环；
e.将电磁吸力模块11安装在固定支座10上；
f.将加载螺杆8安装在固定支座10上，要求各个加载螺杆8相对于固定支座10的安装长度相同；
g.将主弹簧9套装在加载螺杆8上；
h.根据主弹簧9长度尺寸，初步确定固定支座10的纵向位置，布置固定支座10、加载螺杆8、电磁吸力模块11和主弹簧9的组合体，使加载螺杆8从加载盘7的固定孔中穿过；
i.将辅助弹簧6套装在加载螺杆8从加载盘7伸出的部分，并安装螺栓5，要求每个辅助弹簧6受压缩后的长度相等；
j.根据旋转轴系中心线高度，调整固定支座10的高度，使推力滚动轴承2、加载盘7和电磁吸力模块11的中心线对齐，并将固定支座10固定安装在试验台架平台或基座上；
k.将激振杆12从固定支座10、电磁吸力模块11和加载盘7的开孔中穿过，与加载盘7上的螺纹孔连接；
l.将电磁激振器13采用柔性绳悬挂在固定支座10上，调整悬挂高度，使激振杆12位于轴系轴心线上；
m.连接电磁吸力模块11的电源；
n.连接电磁激振器13的电源和控制系统。
安装完成后，旋动加载螺杆8，主弹簧9的长度发生变化，纵向加载力随之变化，加载力大小根据主弹簧9的长度变化进行计算。接通电磁吸力模块11，输出电磁力。启动旋转轴系，调整到相应的运转速度。根据试验动态激励需要，对电磁激振器13的输出进行控制，输出相应的动态激励力，然后开展测试。
本发明具有以下特点：
设电磁铁前端与加载盘后端的间隙为δ，电磁力的大小F可以表达为：
上式中，J为激磁电流；S为磁路的横截面面积；A是与结构有关的比例常数，可以通过试验测试获得。
当旋转轴系运转时，发生纵向振动，加载盘相应地发生纵向动态位移，从而引起加载弹簧作用力、电磁作用力的动态变化。设磁隙变化为dδ，那么电磁力的变化为
因此，电磁铁引起的动刚度为
上式中，负号表示电磁力刚度的方向与弹簧刚度方向相反，即电磁力变化的方向与动态位移的变化方向相同。
设主弹簧动刚度为k弹簧，那么加载装置的动态刚度为
k总＝k弹簧+k电磁
由于k电磁的方向与k弹簧方向相反，因此，本装置的动态刚度将小于纯弹簧加载状态k弹簧。根据旋转轴系纵向刚度范围，可以合理设置主弹簧参数、电磁力参数，当参数设置合适时，k总可以变得很小，从而减小甚至消除加载装置动态刚度对旋转轴系纵向模态的影响。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，包括随动旋转模块、加载盘(7)、加载弹簧、加载螺杆(8)、电磁吸力模块(11)、激振杆(12)、电磁激振器(13)及固定支座(10)，其中，所述加载弹簧由主弹簧(9)和辅助弹簧(6)组成；
所述加载螺杆(8)的一端固定在固定支座(10)的前面板上，另一端穿过加载盘(7)，所述主弹簧(9)套装在固定支座(10)与加载盘(7)之间的加载螺杆(8)上，所述辅助弹簧(6)套装在加载螺杆(8)的末端，与螺栓配合将加载螺杆(8)与加载盘(7)压紧；所述随动旋转模块安装于加载盘(7)的前端，用于与旋转轴系连接；所述电磁吸力模块(11)安装在固定支座(10)前面板上，电磁激振器(13)刚性固定或柔性悬挂在固定支座(10)上，激振杆(12)穿过固定支座(10)前面板开孔、电磁吸力模块(11)中间孔与加载盘(7)后端面的中心固定。
2.根据权利要求1所述具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，所述随动旋转模块由推力滚动轴承(2)、动环(3)、压紧盖(4)和锁紧螺母(1)组成；推力滚动轴承(2)内环套装在加载盘(7)的前端，并用锁紧螺母(2)锁紧；推力滚动轴承(2)外环安装在动环(3)的内部，并用压紧盖(4)顶紧；所述动环(3)与旋转轴系末端螺栓连接。
3.根据权利要求1所述具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，所述加载螺杆(8)后部的直径大于前部，后部上加工有螺纹，通过螺纹与固定支座(10)前面板上的螺纹孔配合固定。
4.根据权利要求1所述具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，所述动环(3)采用连接螺栓与旋转轴系末端螺纹孔相连，螺纹旋向与轴系运转方向相反。
5.根据权利要求1所述具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，所述主弹簧(9)和辅助弹簧(6)的静刚度保持一致。
6.根据权利要求1所述具有低动刚度特性的旋转轴系纵向载荷加载装置，其特征在于，所述固定支座(10)的第一阶模态频率值为轴系重要纵向固有频率值的3倍以上。
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