CN111442051A - 一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置 - Google Patents

一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置，包括套装在推力轴上并与推力轴密封配置的壳体、安设在壳体内的推力块、与推力块相对设置的纵向减振结构、与减振结构相配置的液压管路、液压机、推力检测控制模块，所述推力块与推力轴相抵接，所述纵向减振结构包括活塞缸、活塞杆、减振元件、活塞缸端盖，所述活塞杆的一端伸出活塞缸外与推力块相抵接，另一端置入活塞缸内，所述减振元件的一端与活塞杆相抵接，另一端与活塞缸端盖相抵接。通过本装置在舱内提供反向的等效的静推力，补偿螺旋桨和深水压力给轴系带来的静推力，使得减振元件仅传递并衰减螺旋桨脉动激励力，对桨轴系统的纵向振动控制向大幅低频扩展。

Description

一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置
技术领域
本发明涉及一种船舶主轴系设备，具体涉及一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置。
背景技术
推进系统纵向振动是船舶艉部低频振动噪声的重要来源之一，这种振动以低频为主，其强弱与轴系动力学特性密切相关，欲改善船舶舒适性和声隐身性，须对主要由螺旋桨激励力引起的推进系统纵向振动及其与船体艉部结构的耦合振动进行控制。船舶轴系推力传递通道也是螺旋桨脉动激励力传递通道，轴系纵向振动控制一般是在推力传递通道上串联减振结构，在传递轴系静推力的同时，通过减振结构的设计控制轴系纵向刚度，调节轴系纵向固有频率，进而降低非共振区的振动响应。
轴系纵向振动模型可简化为单自由度系统，减振结构动刚度是该单自由度系统振动特性的决定因素。线性隔振理论表明，当系统固有频率低于激振频率1/√2时，系统才能发挥隔振效果。轴系纵向振动控制主要以低频段，一般以不超过100Hz范围为控制对象，理论上系统纵向动刚度越低，纵向第一阶固有频率也越低，对系统低频纵向减振越有利。这就需要桨轴系统具有较低的动刚度。
对于常规减振结构，如橡胶、碟形弹簧，因其在动载荷下存在一定的阻尼作用产生能量损耗，其动刚度一般大于静刚度(即刚度动静比大于1)，螺旋弹簧最优状态也仅能做到接近于1。桨轴系统的低动刚度需求就意味着系统必须具有更低静刚度。
但由于轴系推进载荷的存在，系统静刚度的降低将引起轴系纵向位移的增加，对密封装置、联轴器、齿轮箱等相关设备的正常使用极为不利，特别是对于潜器一类特殊船舶装备，其需承受舷外海水的静推力，且静水推力将随潜器深度逐渐增加，甚至数倍于推进器推力。该推力使得轴系纵向窜动位移可能会超出相关设备使用极限，因此需要设法减小轴系纵向窜动位移。
上述低动刚度和低纵向窜动位移之间的矛盾成为轴系被动隔振技术的瓶颈，限制了桨轴系统低频隔振控制范围和使用效果
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置，其能够提供轴系所承受反向等效的推力，平衡螺旋桨、水压等给轴系的静推力，使得减振元件仅承受螺旋桨激励脉动力，可有效分离静态载荷力和动态激励力，使得轴系纵向减振不再受减振元件承载能力的限制，可使得轴系纵向振动控制向低频甚至超低频大幅扩展。
发明所采用的技术方案为：一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置，其特征在于：包括套装在推力轴上并与推力轴密封配置的壳体、安设在壳体内的推力块、与推力块相对设置的纵向减振结构、与减振结构相配置的液压管路、液压机、推力检测控制模块，所述推力块与推力轴固定连接，所述纵向减振结构包括活塞缸、与活塞缸相配置的活塞杆、与活塞杆相配置的减振元件、与活塞缸端部相配置的活塞缸端盖，所述活塞杆的一端伸出活塞缸外与推力块相抵接，另一端置入活塞缸内，所述减振元件的一端与活塞杆相抵接，另一端与活塞缸端盖相抵接，所述活塞缸端盖与壳体相连，所述液压管路与活塞缸内腔连通，所述推力检测控制模块采集轴系转速信号、潜器潜深信号，通过处理器换算成轴系所受的推力，并控制伺服液压机施加液压力，通过活塞杆向推力块主动施加反向推力，平衡轴系推力。
按上述技术方案，还设有蓄能器，所述蓄能器与液压管路相连接。
按上述技术方案，所述纵向减振结构安设在支撑套环内，所述支撑套环内部装有支撑轴瓦，所述的支撑轴瓦内部套装推力轴。
按上述技术方案，所述纵向减振结构为多个，沿支撑套环的周向均匀布设。
按上述技术方案，所述支撑套环为一端设有开口，另一端设有活塞杆穿装孔的套环状结构。
按上述技术方案，所述推力块安设在的轴肩端部的周向位置，所述推力块周向布设位置和个数与减振结构相对应。
按上述技术方案，所述壳体的两端分别通过端面油封与推力轴密封配置。
按上述技术方案，在壳体的上设有用于推力轴承的滑油输入和输出的润滑油进出口
按上述技术方案，所述活塞杆与活塞缸端盖之间设有间隙。
按上述技术方案，所述减振元件为套装在活塞杆杆体上的减振弹簧。
本发明所取得的有益效果为：本发明主要安装于船舶桨轴主推进轴系上，在舱内提供反向的等效的静推力，补偿螺旋桨和深水压力给轴系带来的静推力，使得减振元件仅传递并衰减螺旋桨脉动激励力，对桨轴系统的纵向振动控制向大幅低频扩展；通过设置蓄能器可避免动态激励力传递过程中不会产生压力波动；通过在活塞杆与活塞缸端盖之间设置有一定间隙，以限制瞬时冲击状态下轴系大幅窜动，防止因轴系冲击造成的设备过载损坏，进一步提高了本装置的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置示意图。
图2为本图1中的A-A剖视图；
图3为本发明实施例提供的纵向减振结构示意图。
图中：1、推力轴，2、端面油封，3、壳体，4、推力块，5、支撑套环，6、纵向减振结构，7、支撑轴瓦，8、液压管路，9、蓄能器，10、伺服液压机，11、推力监测控制模块，12、活塞杆，13、减振弹簧，14、活塞缸，15、活塞缸端盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本实施例提供了一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置，包括套装在推力轴上1并与推力轴1密封配置的壳体3、安设在壳体3内的推力块4、与推力块4相对设置的纵向减振结构、与减振结构相配置的液压管路8、伺服液压机10、推力检测控制模块11。在推力轴1上套设有支撑套环5，所述支撑套环5通过支撑轴瓦7套装在推力轴1上，所述推力块为弧形块状结构，所述推力块为八块或六块组成，其均布布设在轴肩端部的周向方向，所述推力块4的前端与推力轴1的轴肩相抵接，后端和在支撑套环上活塞杆端头点接触(球面接触)，内侧和外侧分别通过支撑套环及壳体内壁限位。通过设置了推力块4、支撑轴瓦7，用于保证轴系推力载荷、重量载荷从旋转的轴系向静止结构的传递。支撑套环5为一端设有开口用于安装纵向减振结构，另一端设有活塞杆穿装孔的套环状结构，在支撑套环5内设有与推力块数量一致的纵向减振结构，纵向减振结构沿轴心线周向均匀分布；所述纵向减振结构包括活塞缸14、与活塞缸14相配置的活塞杆12、套装在活塞杆上的减振弹簧13、与活塞缸端部相配置的活塞缸端盖15，所述活塞杆12的一端伸出活塞缸外与推力块4相抵接，另一端置入活塞缸14内，所述减振弹簧13的一端与活塞杆12相抵接，另一端与活塞缸14端盖相抵接，所述活塞缸端盖15与壳体相连，在壳体上设有穿装孔，在活塞盖端盖上的穿装孔，所述液压管路8通过壳体3上的穿装孔及活塞盖端盖上的穿装孔与活塞缸内腔相连通，纵向减振结构6的活塞杆12、伺服液压机10之间的液压管路8中充满液压油，可实现液压油压力在整个管路内部的直接传递。壳体3上下设置有滑油进出口，用于推力块4、支撑轴瓦7的润滑和冷却。壳体3两端安装有端面油封2，用于保证腔内滑油的密封。所述推力检测控制模块11采集轴系转速信号、潜器潜深信号，通过螺旋桨推力特性曲线和潜器密封面结构尺寸等换算(处理器换算)出轴系所受的静态推力，并控制伺服液压机10的压力值，通过活塞杆12向推力块4主动施加反向推力，主动平衡轴系所受静态推力，实现轴系所受载荷力的传递。
本实施例中，轴系承受的推力主要有两部分组成：1)舱外海水压力挤压轴系穿舱截面带来的静水推力和螺旋桨推进力中静态力分量(统称静态推力)，2)螺旋桨推进过程中给轴系施加的动态激励力。桨轴系统运行过程中产生的动态激励力通过推力轴、推力块传递至活塞杆12，再通过减振弹簧13传递至壳体3，进而传递至船体结构。根据轴系此受力特性，推力轴承内部设置两部分并联结构共同承受推力：1)设置纵向减振结构，通过伺服液压机10施加压力，使得活塞杆对推力块产生反向推力，平衡轴系所受静态推力；2)设置减振弹簧13，减振弹簧13传递螺旋桨激励力中的脉动力分量，通过减振元件的刚度设计，可以实现轴系纵向振动的隔离。由于减振弹簧仅承受脉动力分量，不承受轴系静态载荷，其设计刚度可大幅降低，可实现轴系纵向振动控制向低频段(10Hz以内)甚至超低频段(5Hz以内)的大幅扩展。
本实施例中还设有蓄能器9，所述蓄能器9与液压管路8相连接。管路之间布置的蓄能器9可以容纳轴系微量脉动过程中产生的压力波动，使得管路内压力不受轴系微量脉动的影响。上述布置可保证活塞杆12向推力块4施加的反向推力稳定。此外，活塞缸-蓄能器-伺服液压机系统理论上等同于系统并联一套动刚度为零，静刚度极大的刚度元件，使得系统刚度动静比参数大幅降低。
本实施例中，纵向减振结构内部活塞杆12与端盖15之间设置有一定间隙，以限制瞬时冲击状态下轴系大幅窜动，防止因轴系冲击造成的设备过载损坏。
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 (10)

1.一种主动推力平衡式轴系纵向减振装置，其特征在于：包括套装在推力轴上并与推力轴密封配置的壳体、安设在壳体内的推力块、与推力块相对设置的纵向减振结构、与减振结构相配置的液压管路、液压机、推力检测控制模块，所述推力块与推力轴相抵接，所述纵向减振结构包括活塞缸、与活塞缸相配置的活塞杆、与活塞杆相配置的减振元件、与活塞缸端部相配置的活塞缸端盖，所述活塞杆的一端伸出活塞缸外与推力块相抵接，另一端置入活塞缸内，所述减振元件的一端与活塞杆相抵接，另一端与活塞缸端盖相抵接，所述活塞缸端盖与壳体相连，所述液压管路与活塞缸内腔连通，所述推力检测控制模块采集轴系转速信号、潜器潜深信号，通过处理器换算成轴系所受的推力，并控制伺服液压机施加液压力，通过活塞杆向推力块主动施加反向推力，平衡轴系推力。
2.根据权利要求1所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：还设有蓄能器，所述蓄能器与液压管路相连接。
3.根据权利要求1或2所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述纵向减振结构安设在支撑套环内，所述支撑套环内部装有支撑轴瓦，所述的支撑轴瓦内部套装推力轴。
4.根据权利要求3所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述纵向减振结构为多个，沿支撑套环的周向均匀布设。
5.根据权利要求3所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述支撑套环为一端设有开口，另一端设有活塞杆穿装孔的套环状结构。
6.根据权利要求3所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述推力块安设在轴肩端部的周向位置，所述推力块周向布设位置和个数与减振结构相对应。
7.根据权利要求1或2所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述壳体的两端分别通过端面油封与推力轴密封配置。
8.根据权利要求1或2所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：在壳体的上设有用于推力轴承的滑油输入和输出的润滑油进出口。
9.根据权利要求1或2所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述活塞杆与活塞缸端盖之间设有间隙。
10.根据权利要求1或2所述的主动推力平衡轴系纵向减振装置，其特征在于：所述减振元件为套装在活塞杆杆体上的减振弹簧。
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