CN113335488A - 一种双级纵向隔振的轴系 - Google Patents

一种双级纵向隔振的轴系 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶推进系统设计领域，具体公开了一种双级纵向隔振的轴系，从艉向艏分别布置有：螺旋桨，艉后轴承，艉轻壳体结构，艉轴，艉前轴承，耐压体结构，艉轴密封装置，纵向隔振器，隔振推力轴承，中间轴，中间轴承，弹性联轴器，推进电机等。通过设置纵向隔振器和隔振推力轴承，使整个轴系形成双级纵向隔振系统，双级隔振系统的质量比u设计为0.5～1，且设计时尽可能增大质量比、刚度比设计为u+1，使轴系可在二阶固有频率之外的中高频段具有比单级隔振系统更优的隔振效果，降低船舶尾部桨‑轴系统产生的振动噪声。

Description

一种双级纵向隔振的轴系
技术领域
本发明涉及船舶推进系统设计领域，具体涉及一种双级纵向隔振的轴系。
背景技术
桨-轴系统振动引发的艉部噪声问题是船舶设计领域的控制重点和难点，螺旋桨在不均匀流场中旋转时，其产生的推力中存在一定交变分量，形成纵向激励力，对轴系产生一定激励，并通过轴系-推力轴承向船体传递，引起船体振动并引发噪声。
传统轴系纵向振动控制一般采用单级隔振的形式，在振动传递路径中设置隔振结构，通过调节桨-轴系统首阶固有频率低于考核频段，控制螺旋桨激励力引发的纵向振动通过轴系向船体结构的传递。
但这种采用单级隔振的纵向振动控制设计存在一定的设计弊端：仅适于首阶固有频率的振动控制，其隔振能力限制较大，尤其对于桨-轴系统二阶固有频率之外的中高频段隔振效果局限性更强。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种双级纵向隔振的轴系，在二阶固有频率之外的中高频段具有比单级隔振系统更优的隔振效果，可进一步提升轴系纵向振动控制能力，降低船舶尾部桨-轴系统产生的振动噪声。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双级纵向隔振的轴系，包括艉轴和中间轴，其特征在于：艉轴的艏端和中间轴的艉端通过纵向隔振器固定连接，所述艉轴上从艉向艏依次布置有螺旋桨、艉后轴承、艉轻壳体结构、艉前轴承、耐压体结构、艉轴密封装置，所述螺旋桨布置于艉轴最艉端，所述艉轴由艉后轴承和艉前轴承共同支撑，所述艉后轴承安装在艉轻壳体结构内，所述艉前轴承安装在耐压体结构内，所述艉轴密封装置安装在耐压体结构内部最艉端；
所述中间轴上从艉向艏依次布置有隔振推力轴承、中间轴承、弹性联轴器、推进电机，所述中间轴由隔振推力轴承和中间轴承共同支撑，所述隔振推力轴承位于中间轴中部，所述中间轴承位于中间轴艏部，所述中间轴最艏端通过弹性联轴器连接推进电机；
所述轴系从纵向隔振器中部向艉至螺旋桨为双级隔振系统的第一级，从纵向隔振器中部向艏至弹性联轴器为双级隔振系统的第二级；
所述轴系整体及各部件的设计需满足双级隔振系统质量比和刚度比的控制要求。
优选的，所述纵向隔振器包括艉连接轴段和艏连接轴段，艉连接轴段与艉轴的艏端固定相连，艏连接轴段与中间轴的艉端固定相连，所述艉连接轴段和艏连接轴段的相连端面内圆相互套接，相连端面外圆通过连接紧固件组固定连接，所述艉连接轴段的相连端面内圆上设有纵向限位块组，相连端面外圆上设有与连接紧固件组对应的纵向隔振元件组，所述艉连接轴段与艏连接轴段套接处的间隙布置有径向限位圈。
优选的，所述连接紧固件组由多个连接紧固件沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述纵向隔振元件组由多个纵向隔振元件沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个连接紧固件的安装位置分别设有一个对应纵向隔振元件，所述纵向限位块组由多个纵向限位块沿轴心线周向呈环形均匀分布构成。
优选的，所述连接紧固件、纵向隔振元件、纵向限位块的数量均为偶数个，所述纵向隔振元件为低刚度弹簧元件，决定了纵向隔振器的纵向刚度。
优选的，所述隔振推力轴承包括推力环、支撑环、壳体，所述推力环套在中间轴上，在推力环的两侧对称依次设置有推力块组、隔振平衡块组，所述推力块组、隔振平衡块组布置在支撑环内，支撑环外侧轴段上套有支撑轴瓦，所述支承环和支撑轴瓦均布置在壳体内部。
优选的，所述推力块组由多个推力块沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述隔振平衡块组由多个隔振平衡块沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个推力块外侧分别对应连接一个隔振平衡块，所述壳体纵向的两端均布置有端面油封。
优选的，所述推力块、隔振平衡块的数量均为6个或8个，所述隔振平衡块为低刚度弹簧元件，决定了隔振推力轴承的纵向刚度。
优选的，所述双级隔振系统质量比控制要求指双级隔振系统的质量比u设计为0.5～1，且设计时保证质量比尽可能大。即：
Figure BDA0003133051580000031
式中：
m1为纵向隔振器之纵向隔振元件向艉旋转轴段部分参振质量，含螺旋桨并包含其运转附连水；
m2为纵向隔振器之纵向隔振元件向艏至弹性联轴器之间旋转轴段部分参振质量，含弹性联轴器从动端质量。设计中应尽可能将纵向隔振器向艇艉布置，增加系统质量比。
优选的，所述双级隔振系统刚度比控制要求指双级隔振系统的刚度比v设计为1.5～2，且保证等于质量比+1。即：
Figure BDA0003133051580000032
式中：
k1为纵向隔振器之周向多个纵向隔振元件的组合动刚度；
k2为隔振推力轴承之周向多个隔振平衡块的组合动刚度。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1、通过设置纵向隔振器和隔振推力轴承，使整个轴系形成双级纵向隔振系统，并且按照质量比和刚度比的控制要求进行设计，使得该轴系在二阶固有频率之外的中高频段具有比单级隔振系统更优的隔振效果；
2、通过在纵向隔振器中设置纵向隔振元件，并在隔振推力轴承中设置隔振平衡块，可降低轴系纵向刚度，使轴系纵向固有频率降低，错开与螺旋桨的共振，进一步减小轴系纵向振动的传递；
3、纵向隔振元件和隔振平衡块均为低刚度弹簧元件，其刚度可变且工作行程固定，当船舶处于非高速航行状态时，隔振系统具备很好的隔振效果；当船舶处于高速航行状态时，轴系推力使得纵向隔振元件和隔振平衡块压紧至刚性接触状态，隔振系统的隔振能力降低，从而控制轴系综合窜动位移以保护其他设备使用安全。
附图说明
图1为本发明的一种双级纵向隔振的轴系布置图；
图2为本发明的纵向隔振器示意图；
图3为本发明的隔振推力轴承示意图；
图4为本发明的双级隔振系统结构模型简图；
图5为单级-双级隔振系统力传递率对比图。
图中：1、螺旋桨；2、艉后轴承；3、艉轻壳体结构；4、艉轴；5、艉前轴承；6、耐压体结构；7、艉轴密封装置；8、纵向隔振器；9、隔振推力轴承；10、中间轴；11、中间轴承；12、弹性联轴器；13、推进电机；14、艉连接轴段；15、径向限位圈；16、纵向隔振元件；17、纵向限位块；18、艏连接轴段；19、连接紧固件；20、推力环；21、端面油封；22、支撑轴瓦；23、推力块；24、隔振平衡块；25、壳体；26、支撑环。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示，一种双级纵向隔振的轴系，包括艉轴4和中间轴10，艉轴4的艏端和中间轴10的艉端通过纵向隔振器8固定连接。
其中，所述艉轴4上从艉向艏依次布置有螺旋桨1、艉后轴承2、艉轻壳体结构3、艉前轴承5、耐压体结构6、艉轴密封装置7。螺旋桨1布置于艉轴4最艉端，艉轴4由艉后轴承2和艉前轴承5共同支撑，艉后轴承2安装在艉轻壳体结构3内，艉前轴承5安装在耐压体结构6内，艉轴密封装置7安装在耐压体结构6内部最艉端。
同时，所述中间轴10上从艉向艏依次布置有隔振推力轴承9、中间轴承11、弹性联轴器12、推进电机13，所述中间轴10由隔振推力轴承9和中间轴承11共同支撑，所述隔振推力轴承9位于中间轴10中部，所述中间轴承11位于中间轴10艏部，所述中间轴10最艏端通过弹性联轴器12连接推进电机13。
所述轴系通过纵向串联布置了纵向隔振器8、隔振推力轴承9两组隔振设备，形成了双级纵向隔振系统，共同衰减螺旋桨纵向激励力通过轴系向艇体结构的传递，所述轴系从纵向隔振器8中部向艉至螺旋桨1为双级隔振系统的第一级，从纵向隔振器8中部向艏至弹性联轴器12为双级隔振系统的第二级。
如图2所示，所述纵向隔振器8包括艉连接轴段14和艏连接轴段18，艉连接轴段14与艉轴4的艏端通过螺栓固定相连，艏连接轴段18与中间轴10的艉端通过螺栓固定相连，纵向隔振器8整体随轴系同步转动。所述艉连接轴段14和艏连接轴段18的相连端面内圆相互套接，相连端面外圆通过连接紧固件组固定连接，具体可为螺栓连接。所述艉连接轴段14的相连端面内圆上设有纵向限位块组，相连端面外圆上设有与连接紧固件组对应的纵向隔振元件组，所述艉连接轴段14与艏连接轴段18套接处的间隙布置有径向限位圈15。
其中，所述连接紧固件组由多个连接紧固件19沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述纵向隔振元件组由多个纵向隔振元件16沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个连接紧固件19的安装位置分别设有一个对应纵向隔振元件16，所述纵向限位块组由多个纵向限位块17沿轴心线周向呈环形均匀分布构成。
同时，所述连接紧固件19、纵向隔振元件16、纵向限位块17的数量均为偶数个，本实施例取6个或8个，所述纵向隔振元件16为低刚度弹簧元件，决定了纵向隔振器8的纵向刚度。
如图3所示，所述隔振推力轴承9包括推力环20、支撑环26、壳体25，所述推力环20套在中间轴10上，在推力环20的两侧对称依次设置有推力块组、隔振平衡块组，所述推力块组、隔振平衡块组布置在支撑环26内，支撑环26外侧轴段上套有支撑轴瓦22，所述支承环26和支撑轴瓦22均布置在壳体25内部。壳体25底部安装在船体基座上，整个隔振推力轴承9不随轴系同步转动。
其中，所述推力块组由多个推力块23沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述隔振平衡块组由多个隔振平衡块24沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个推力块23外侧分别对应连接一个隔振平衡块24，所述壳体25纵向的两端均布置有端面油封21。
同时，所述推力块23、隔振平衡块24的数量均为6个或8个，所述隔振平衡块24为低刚度弹簧元件，决定了隔振推力轴承9的纵向刚度。
如图4所示，为所述双级纵向隔振系统的结构模型简图，所述双级隔振系统的设计满足质量比控制要求，具体指双级隔振系统的质量比u设计为0.5～1，且设计时保证质量比尽可能大。即：
Figure BDA0003133051580000061
式中：
m1为纵向隔振器8之纵向隔振元件16向艉旋转轴段部分参振质量，含螺旋桨并包含其运转附连水；
m2为纵向隔振器8之纵向隔振元件16向艏至弹性联轴器12之间旋转轴段部分参振质量，含弹性联轴器12从动端质量。设计中应尽可能将纵向隔振器8向艇艉布置，增加系统质量比。
同时，所述双级隔振系统的设计还满足刚度比控制要求，具体指双级隔振系统的刚度比v设计为1.5～2，且保证等于质量比+1。即：
Figure BDA0003133051580000062
式中：
k1为纵向隔振器8之周向多个纵向隔振元件16的组合动刚度；
k2为隔振推力轴承9之周向多个隔振平衡块24的组合动刚度。
本实施例中，轴系的纵向振动关键参数设计如下：
1)纵向隔振器8之纵向隔振元件16向艉旋转轴段部分参振质量m1约为4000kg(含螺旋桨并包含其运转附连水)，纵向隔振器8之纵向隔振元件16向艏至弹性联轴器12之间旋转轴段部分参振质量m2约为4000kg(含弹性联轴器12从动端质量)。质量比u＝1满足双级隔振系统质量比控制要求。
2)纵向隔振器8之纵向隔振元件16的动刚度k1＝1.28×107N/m，隔振推力轴承9之隔振平衡块24的动刚度k2＝2.55×107N/m，刚度比v＝2满足双级隔振系统刚度比控制要求。
按上述质量、刚度设计参数进行隔振系统力传递率计算，不考虑系统阻尼的影响，并与m＝8000kg，k＝1.5×107N/m的单级隔振系统力传递率对比分析，具体如图5所示。
从图5可以看出，应用双级隔振系统前后，系统首阶固有频率一致，在约23Hz处系统力传递率一致(-20dB)，在23Hz以上频段双级隔振系统隔振效果优于单级隔振系统，具体效果如下：40Hz处双级隔振系统力传递率低10dB，100Hz处双级隔振系统力传递率低22.6dB，1000Hz处双级隔振系统力传递率低44.5dB。
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 (9)

1.一种双级纵向隔振的轴系，包括艉轴(4)和中间轴(10)，其特征在于：艉轴(4)的艏端和中间轴(10)的艉端通过纵向隔振器(8)固定连接，所述艉轴(4)上从艉向艏依次布置有螺旋桨(1)、艉后轴承(2)、艉轻壳体结构(3)、艉前轴承(5)、耐压体结构(6)、艉轴密封装置(7)，所述螺旋桨(1)布置于艉轴(4)最艉端，所述艉轴(4)由艉后轴承(2)和艉前轴承(5)共同支撑，所述艉后轴承(2)安装在艉轻壳体结构(3)内，所述艉前轴承(5)安装在耐压体结构(6)内，所述艉轴密封装置(7)安装在耐压体结构(6)内部最艉端；
所述中间轴(10)上从艉向艏依次布置有隔振推力轴承(9)、中间轴承(11)、弹性联轴器(12)、推进电机(13)，所述中间轴(10)由隔振推力轴承(9)和中间轴承(11)共同支撑，所述隔振推力轴承(9)位于中间轴(10)中部，所述中间轴承(11)位于中间轴(10)艏部，所述中间轴(10)最艏端通过弹性联轴器(12)连接推进电机(13)；
所述轴系从纵向隔振器(8)中部向艉至螺旋桨(1)为双级隔振系统的第一级，从纵向隔振器(8)中部向艏至弹性联轴器(12)为双级隔振系统的第二级；
所述轴系整体及各部件的设计满足双级隔振系统质量比和刚度比的控制要求。
2.根据权利要求1所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述纵向隔振器(8)包括艉连接轴段(14)和艏连接轴段(18)，艉连接轴段(14)与艉轴(4)的艏端固定相连，艏连接轴段(18)与中间轴(10)的艉端固定相连，所述艉连接轴段(14)和艏连接轴段(18)的相连端面内圆相互套接，相连端面外圆通过连接紧固件组固定连接，所述艉连接轴段(14)的相连端面内圆上设有纵向限位块组，相连端面外圆上设有与连接紧固件组对应的纵向隔振元件组，所述艉连接轴段(14)与艏连接轴段(18)套接处的间隙布置有径向限位圈(15)。
3.根据权利要求2所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述连接紧固件组由多个连接紧固件(19)沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述纵向隔振元件组由多个纵向隔振元件(16)沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个连接紧固件(19)的安装位置分别设有一个对应纵向隔振元件(16)，所述纵向限位块组由多个纵向限位块(17)沿轴心线周向呈环形均匀分布构成。
4.根据权利要求3所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述连接紧固件(19)、纵向隔振元件(16)、纵向限位块(17)的数量均为偶数个，所述纵向隔振元件(16)为低刚度弹簧元件，决定了纵向隔振器(8)的纵向刚度。
5.根据权利要求1所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述隔振推力轴承(9)包括推力环(20)、支撑环(26)、壳体(25)，所述推力环(20)套在中间轴(10)上，在推力环(20)的两侧对称依次设置有推力块组、隔振平衡块组，所述推力块组、隔振平衡块组布置在支撑环(26)内，支撑环(26)外侧轴段上套有支撑轴瓦(22)，所述支承环(26)和支撑轴瓦(22)均布置在壳体(25)内部。
6.根据权利要求5所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述推力块组由多个推力块(23)沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，所述隔振平衡块组由多个隔振平衡块(24)沿轴心线周向呈环形均匀分布构成，每个推力块(23)外侧分别对应连接一个隔振平衡块(24)，所述壳体(25)纵向的两端均布置有端面油封(21)。
7.根据权利要求6所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述推力块(23)、隔振平衡块(24)的数量均为6个或8个，所述隔振平衡块(24)为低刚度弹簧元件，决定了隔振推力轴承(9)的纵向刚度。
8.根据权利要求1所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述双级隔振系统质量比控制要求指双级隔振系统的质量比u设计为0.5～1，且设计时保证质量比尽可能大。即：
Figure FDA0003133051570000021
式中：
m1为纵向隔振器(8)之纵向隔振元件(16)向艉旋转轴段部分参振质量，含螺旋桨并包含其运转附连水；
m2为纵向隔振器(8)之纵向隔振元件(16)向艏至弹性联轴器(12)之间旋转轴段部分参振质量，含弹性联轴器(12)从动端质量。设计中应尽可能将纵向隔振器(8)向艇艉布置，增加系统质量比。
9.根据权利要求1所述的一种双级纵向隔振的轴系，其特征在于：所述双级隔振系统刚度比控制要求指双级隔振系统的刚度比v设计为1.5～2，且保证等于质量比+1。即：
Figure FDA0003133051570000031
式中：
k1为纵向隔振器(8)之周向多个纵向隔振元件(16)的组合动刚度；
k2为隔振推力轴承(9)之周向多个隔振平衡块(24)的组合动刚度。
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