CN109911163A - 一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，涉及轴承基座领域，包括轴承基座安装组件、智能材料作动器组件、动态力传感器组件、主动测控系统；轴承基座安装组件包括轴承基座上面板和轴承基座下面板；智能材料作动器组件包括智能材料作动器、作动器上安装板、作动器下紧固件、作动器下安装板；动态力传感器组件包括动态力传感器、动态力传感器上压板、预紧螺母、预紧螺栓、动态力传感器下压板；主动测控系统包括依次连接的动态力传感器电荷放大器、采集模块、A/D转换器、低通滤波器、主动控制器、D/A转换器、输出模块、智能材料作动器功率放大器。有效控制振动传递路径中的低频振动传递力，节省安装空间。

Description

一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统

技术领域

本发明涉及轴承基座领域，尤其是一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统。

背景技术

船舶推进轴系加工时的缺陷和不平衡量、安装时的不对中量，以及船舶航行时螺旋桨在不均匀伴流场中受到的横向非定常力、主机输出端或减速齿轮箱中啮合产生的横向非定常激励等因素，均会引起船舶推进轴系的回旋振动。船舶推进轴系回旋振动会通过径向支撑轴承传递至艉部船体，激起艉部船体结构的异常振动，产生显著的低频段多频强线谱水下辐射噪声，是船舶低速航行时被敌方声呐所侦测到的低频线谱的主要来源之一，极大影响了舰船的声隐身性能。与固定安装在地面上、以轴系平稳运行为控制目标的其他常见工业转子系统不同，船舶推进轴系安装在具有阻抗特性的船体上，船体外板是引起水下辐射噪声的直接辐射面，所以从控制水下辐射噪声的角度，需要针对轴系回旋振动通过径向支撑轴承及其轴承基座向船体传递的振动力进行有效控制。该振动传递力在频域中表现为低频段的多频线谱。

目前广泛应用于船舶径向轴承基座的减振措施为敷设约束阻尼层，这是一种被动减振方法，其仅对中高频振动有效，无法控制低频振动。而振动主动控制不仅具有能够自动跟踪外扰频率变化的优点，还能对低频段振动进行有效控制。船舶主动控制中常用的反馈信号是加速度振动，这是一种间接反馈方式，无法直接反应轴承动态力的传递特性。同时船体结构尺寸较大，加速度传感器需要布置较多数量，综合评价方式也较为复杂。同时，船舶推进轴系因为具有跨度大、多支撑的特点，根据轴系安装和校中的相应要求，其径向支撑轴承需要保证较高的安装刚度，所以以串联形式安装在轴承基座中的主动控制作动器需要具有静刚度大、作动力大、作动位移小的特点。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，包括：轴承基座安装组件、智能材料作动器组件、动态力传感器组件、主动测控系统；

所述轴承基座安装组件包括轴承基座上面板和轴承基座下面板；所述轴承基座上面板与轴承底板紧固连接，所述轴承基座下面板与船体基座上的安装面或船舱结构紧固连接；

所述智能材料作动器组件包括智能材料作动器、作动器上安装板、作动器下紧固件、作动器下安装板；所述智能材料作动器以串联方式布置在系统内输出作动力；所述智能材料作动器的上部与所述作动器上安装板紧固连接，所述作动器上安装板与所述轴承基座上面板紧固连接；所述智能材料作动器的下部通过所述作动器下紧固件与所述作动器下安装板紧固连接；

所述动态力传感器组件包括动态力传感器、动态力传感器上压板、预紧螺母、预紧螺栓、动态力传感器下压板；所述动态力传感器通过所述预紧螺母和所述预紧螺栓串联在所述动态力传感器组件内，采用预紧方式进行安装；所述动态力传感器的上表面与所述动态力传感器上压板采用预紧方式连接，所述动态力传感器上压板与所述作动器下安装板紧固连接；所述动态力传感器的下表面与所述动态力传感器下压板采用预紧方式连接；所述动态力传感器下压板与所述轴承基座下面板紧固连接；

所述主动测控系统包括依次连接的动态力传感器电荷放大器、采集模块、A/D转换器、低通滤波器、主动控制器、D/A转换器、输出模块、智能材料作动器功率放大器；所述动态力传感器与所述动态力传感器电荷放大器连接，所述智能材料作动器功率放大器与所述智能材料作动器连接。

其进一步的技术方案为：所述动态力传感器测量传递路径中的动态力模拟信号，所述动态力模拟信号经所述动态力传感器电荷放大器放大后传递至所述采集模块，通过所述A/D转换器、所述低通滤波器处理后传递至所述主动控制器，所述主动控制器通过处理数据并运行主动控制算法输出数字控制信号，所述数字控制信号通过所述D/A转换器转换后经所述输出模块输出为模拟控制指令信号，所述模拟控制指令信号经所述智能材料作动器功率放大器放大后驱动所述智能材料作动器进行作动力的输出。

其进一步的技术方案为：所述轴承基座上面板与径向轴承底板通过螺栓紧固连接。

其进一步的技术方案为：所述动态力传感器布置在所述动态力传感器上压板和所述动态力传感器下压板之间，所述动态力传感器的上表面和下表面与所述动态力传感器上压板和所述动态力传感器下压板在预紧力作用下通过接触压力安装；所述预紧螺栓穿过所述动态力传感器中心的开孔，通过两端的螺纹连接所述预紧螺母和所述动态力传感器下压板；所述预紧螺母放置在所述动态力传感器上压板的开口中，通过对所述预紧螺母施加预定大小扭矩进行旋紧，将预紧力施加在所述动态力传感器的上表面和下表面来完成对所述动态力传感器的预紧安装。

其进一步的技术方案为：所述智能材料作动器的上部通过螺纹与所述作动器上安装板紧固连接。

其进一步的技术方案为：所述动态力传感器组件完成安装后，所述动态力传感器下压板通过螺栓与所述轴承基座下面板紧固连接，所述作动器下安装板通过螺栓与所述动态力传感器上压板紧固连接，所述轴承基座上面板通过螺栓与所述作动器上安装板紧固连接。

其进一步的技术方案为：所述主动控制器以控制各路输入信号综合最小化为优化目标，通过处理数据并运行主动控制算法输出数字控制信号。

本发明的有益技术效果是：

本发明提供了一种采用具有刚度大、作动位移小、作动力大等特点的智能材料结构作为作动器，并以控制船舶径向支撑轴承传递振动力最小化为目标的主动隔振基座系统。本发明提供的技术方案既不影响船舶径向支撑轴承的正常安装和校中要求，又能有效控制振动传递路径中的低频振动传递力，并将主动控制作动系统与轴承基座进行一体化设计，节省安装空间，且安装方式灵活，与其他如轴承基座敷设约束阻尼等现有控制方式的兼容性较高。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轴承主动隔振基座系统，通过控制轴承力传递，以降低推进轴系回旋振动引起的船舶水下低频线谱辐射噪声，本发明采用具有静刚度大、作动力大、作动位移小等特点的智能材料结构作为主动控制的作动器，以满足轴系校中和轴承安装的现有要求，同时以轴系通过径向支撑轴承及其轴承基座向船体的直接传递振动力作为主动控制的反馈信号，以控制其向船体的振动传递及相应引起的水下辐射噪声。

图1是本发明一个实施例提供的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统的示意图，如图1所示，该系统可以包括：轴承基座安装组件、智能材料作动器组件、动态力传感器组件、主动测控系统20。

轴承基座安装组件包括轴承基座上面板1和轴承基座下面板11；轴承基座上面板1与轴承底板紧固连接，轴承基座下面板11与船体基座上的安装面或船舱结构紧固连接。

可选的，轴承基座安装组件也可以设计成不同的结构形式完全代替已有的船体基座，直接与安装位置所在的船舱结构进行紧固连接。

可选的，轴承基座上面板1与径向轴承底板通过螺栓紧固连接。

智能材料作动器组件包括智能材料作动器3、作动器上安装板2、作动器下紧固件4、作动器下安装板5；智能材料作动器3以串联方式布置在系统内输出作动力；智能材料作动器3的上部与作动器上安装板2紧固连接，作动器上安装板2与轴承基座上面板1紧固连接；智能材料作动器3的下部通过作动器下紧固件4与作动器下安装板5紧固连接。

智能材料作动器3采用具有静刚度大、作动位移小、作动力大等特点的智能材料结构，其形状、尺寸大小、作动位移、最大输出作动力可针对实际使用需求自由定制。

智能材料作动器3以串联方式布置在轴承动态力的传递路径中，直接对传递路径中的振动力进行主动控制。

可选的，智能材料作动器3的上部通过螺纹与作动器上安装板2紧固连接。

动态力传感器组件包括动态力传感器8、动态力传感器上压板6、预紧螺母7、预紧螺栓9、动态力传感器下压板10；动态力传感器8通过预紧螺母7和预紧螺栓9串联在动态力传感器组件内，采用预紧方式进行安装；动态力传感器8的上表面与动态力传感器上压板6采用预紧方式连接，动态力传感器上压板6与作动器下安装板5紧固连接；动态力传感器8的下表面与动态力传感器下压板10采用预紧方式连接；动态力传感器下压板10与轴承基座下面板11紧固连接。

动态力传感器8布置在动态力传感器上压板6和动态力传感器下压板10之间，动态力传感器8的上表面和下表面与动态力传感器上压板6和动态力传感器下压板10在预紧力作用下通过接触压力安装；预紧螺栓9穿过动态力传感器8中心的开孔，通过两端的螺纹连接预紧螺母7和动态力传感器下压板10；预紧螺母7放置在动态力传感器上压板6的开口中，通过对预紧螺母7施加预定大小扭矩进行旋紧，将预紧力施加在动态力传感器8的上表面和下表面来完成对动态力传感器8的预紧安装。

可选的，动态力传感器组件完成安装后，动态力传感器下压板10通过螺栓与轴承基座下面板11紧固连接，作动器下安装板5通过螺栓与动态力传感器上压板6紧固连接，轴承基座上面板1通过螺栓与作动器上安装板2紧固连接。

主动测控系统20包括依次连接的动态力传感器电荷放大器12、采集模块13、A/D转换器14、低通滤波器15、主动控制器16、D/A转换器17、输出模块18、智能材料作动器功率放大器19；动态力传感器8与动态力传感器电荷放大器12连接，智能材料作动器功率放大器19智能材料作动器3连接。

动态力传感器8测量传递路径中的动态力模拟信号，动态力模拟信号经动态力传感器电荷放大器12放大后传递至采集模块13，通过A/D转换器14、低通滤波器15处理后传递至主动控制器16，主动控制器16以控制各路输入信号综合最小化为优化目标，通过处理数据并运行主动控制算法输出数字控制信号，数字控制信号通过D/A转换器17转换后经输出模块18输出为模拟控制指令信号，模拟控制指令信号经智能材料作动器功率放大器19放大后驱动智能材料作动器3进行作动力的输出。以直接传递的轴承动态力为控制反馈信号，并以反馈信号最小化为控制目标，使得传递路径下游的振动最小。

在本发明实施例中，以降低轴系通过轴承和轴承基座向船体传递的振动力为控制目标，即以动态力传感器的反馈信号最小化为控制目标，使得传递路径下游的振动最小。

本发明实施例提供的主动隔振基座系统安装方式灵活，既可以在已有的船体基座结构基础上以叠加方式进行安装，也可以通过对轴承基座下面板的结构形式进行二次设计，作为完整的轴承基座安装在船舱结构上。

需要说明的是，本发明实施例提供的智能材料作动器组件和动态力传感器组件的布置数量可以根据安装刚度、安装稳定性和使用可靠性等要求按需确定，实现不同的组合，可以仅布置一套，也可以在轴承基座上面板和轴承基座下面板之间按需要平行布置多套。

综上所述，本发明实施例中的作动器采用具有静刚度大、作动位移小、作动力大等特点的智能材料结构，且以串联方式布置在轴承基座系统中。其中，静刚度大的特点能够满足船舶轴系静态校中的要求，即满足轴承基座支撑轴系时的静位移小；作动位移小的特点能够满足船舶轴系动态校中的要求，即满足轴承基座支撑轴系运转时的动位移小；作动力大的特点能够满足大型船舶轴系的应用；作动器在传递路径上的串联布置方式能够直接对振动传递力进行控制。

另外，采用主动控制的方式控制作动器进行作动力的输出，不仅可以自动跟踪通过轴承基座传递的振动力的频率变化，还能同时有效控制低频振动传递力。同时，以直接传递的动态力为控制反馈信号，与现有技术中以轴心位置或船体振动加速度等间接量为控制反馈信号的方式相比，具有直观性和易评价性的优点。

另外，将主动控制作动系统与轴承基座进行一体化设计，节省安装空间，且安装方式灵活，既可直接设计为轴承基座安装在船体舱内结构上，也可在已有的基座结构基础上叠加安装进行改装，与其他如轴承基座敷设约束阻尼等现有控制方式的兼容性较高。

另外，智能材料作动器的形状和尺寸大小可针对实际使用情况自由定制，即作动器自身的刚度和作动特性可以自由定制。同时智能材料作动器及其安装组件在本发明的技术方案中可以仅布置1套，也可以在轴承基座上、下安装板之间按需要并联布置多套，能够实现不同的组合，具有根据需要调节安装刚度并提高安装稳定性和使用可靠性的优点。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，包括：轴承基座安装组件、智能材料作动器组件、动态力传感器组件、主动测控系统；

所述轴承基座安装组件包括轴承基座上面板和轴承基座下面板；所述轴承基座上面板与轴承底板紧固连接，所述轴承基座下面板与船体基座上的安装面或船舱结构紧固连接；

所述智能材料作动器组件包括智能材料作动器、作动器上安装板、作动器下紧固件、作动器下安装板；所述智能材料作动器以串联方式布置在系统内输出作动力；所述智能材料作动器的上部与所述作动器上安装板紧固连接，所述作动器上安装板与所述轴承基座上面板紧固连接；所述智能材料作动器的下部通过所述作动器下紧固件与所述作动器下安装板紧固连接；

所述动态力传感器组件包括动态力传感器、动态力传感器上压板、预紧螺母、预紧螺栓、动态力传感器下压板；所述动态力传感器通过所述预紧螺母和所述预紧螺栓串联在所述动态力传感器组件内，采用预紧方式进行安装；所述动态力传感器的上表面与所述动态力传感器上压板采用预紧方式连接，所述动态力传感器上压板与所述作动器下安装板紧固连接；所述动态力传感器的下表面与所述动态力传感器下压板采用预紧方式连接；所述动态力传感器下压板与所述轴承基座下面板紧固连接；

所述主动测控系统包括依次连接的动态力传感器电荷放大器、采集模块、A/D转换器、低通滤波器、主动控制器、D/A转换器、输出模块、智能材料作动器功率放大器；所述动态力传感器与所述动态力传感器电荷放大器连接，所述智能材料作动器功率放大器与所述智能材料作动器连接。

2.根据权利要求1所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述动态力传感器测量传递路径中的动态力模拟信号，所述动态力模拟信号经所述动态力传感器电荷放大器放大后传递至所述采集模块，通过所述A/D转换器、所述低通滤波器处理后传递至所述主动控制器，所述主动控制器通过处理数据并运行主动控制算法输出数字控制信号，所述数字控制信号通过所述D/A转换器转换后经所述输出模块输出为模拟控制指令信号，所述模拟控制指令信号经所述智能材料作动器功率放大器放大后驱动所述智能材料作动器进行作动力的输出。

3.根据权利要求1所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述轴承基座上面板与径向轴承底板通过螺栓紧固连接。

4.根据权利要求1所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述动态力传感器布置在所述动态力传感器上压板和所述动态力传感器下压板之间，所述动态力传感器的上表面和下表面与所述动态力传感器上压板和所述动态力传感器下压板在预紧力作用下通过接触压力安装；所述预紧螺栓穿过所述动态力传感器中心的开孔，通过两端的螺纹连接所述预紧螺母和所述动态力传感器下压板；所述预紧螺母放置在所述动态力传感器上压板的开口中，通过对所述预紧螺母施加预定大小扭矩进行旋紧，将预紧力施加在所述动态力传感器的上表面和下表面来完成对所述动态力传感器的预紧安装。

5.根据权利要求1所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述智能材料作动器的上部通过螺纹与所述作动器上安装板紧固连接。

6.根据权利要求1所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述动态力传感器组件完成安装后，所述动态力传感器下压板通过螺栓与所述轴承基座下面板紧固连接，所述作动器下安装板通过螺栓与所述动态力传感器上压板紧固连接，所述轴承基座上面板通过螺栓与所述作动器上安装板紧固连接。

7.根据权利要求1至6任一所述的基于智能材料可控制轴承力传递的主动隔振基座系统，其特征在于，所述主动控制器以控制各路输入信号综合最小化为优化目标，通过处理数据并运行主动控制算法输出数字控制信号。