CN113532818A - 一种基于颗粒阻尼器的轴系试验台架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于颗粒阻尼器的轴系试验台架，包括变频电机、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器、右轴、力传感器装置、激振装置和试验平台；所述变频电机的电机轴通过联轴器与转速扭矩仪相连，转速扭矩仪通过联轴器与左轴的一端相连，左轴的另一端与颗粒阻尼器的一端相连，颗粒阻尼器的另一端与右轴的一端相连，右轴的另一端与力传感器装置相连，力传感器装置通过连接杆与激振装置相连；所述变频电机的电机轴、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器和右轴同轴布置。本发明的有益效果为：采用激励装置来激励颗粒阻尼器，以产生不同频率与振幅的纵向振动，可以在旋转的同时产生纵向振动，真实模拟了船舶螺旋桨给轴系带来的纵向的振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验设备，具体涉及一种基于颗粒阻尼器的轴系试验台架。
背景技术
船舶轴系在外力作用下会产生轴系纵向振动，轴系纵向振动除了造成传动齿轮和曲轴故障及推力轴承损伤外，还会将激振力传递给船体，使得外壳体产生振动和辐射低频噪声，极大的影响舰船的声隐性能。若轴系纵向振动与轴系的其他振动耦合，还会形成扭转-纵向耦合振动、纵向-横向耦合振动等，严重地影响轴系的安全运行。
目前，舰船轴系纵向振动的抑制主要有被动、半主动和主动控制等方法，例如安装各种减振器、吸振器，或者通过磁流体、电磁装置等方式进行主动控制，但这些减振设备体积和质量较大，需占用较多的有限船舱空间，有的还需要提供动力能量、控制复杂，这对于空间、载重量要求特别苛刻的舰船的轴系安装、维护，以及可靠运行等造成一定困难。
因此，必须采取措施限制轴系的纵向振动。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可模拟水下航行器推进轴系纵向振动的基于颗粒阻尼器的轴系试验台架。
本发明采用的技术方案为：一种基于颗粒阻尼器的轴系试验台架，包括变频电机、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器、右轴、力传感器装置、激振装置和试验平台；所述变频电机的电机轴通过联轴器与转速扭矩仪相连，转速扭矩仪通过联轴器与左轴的一端相连，左轴的另一端与颗粒阻尼器的一端相连，颗粒阻尼器的另一端与右轴的一端相连，右轴的另一端与力传感器装置相连，力传感器装置通过连接杆与激振装置相连；所述变频电机的电机轴、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器和右轴同轴布置；所述变频电机、转速扭矩仪和激振装置分别通过对应的支架安装在试验平台上。
按上述方案，所述颗粒阻尼器包括筒体、两块隔板和阻尼颗粒，所述筒体与左轴和右轴同轴布置，左轴和右轴分别与筒体的两端相连；所述隔板间隔安装在筒体内，且隔板板面与筒体的轴线垂直；两块隔板之间的区域为阻尼腔，阻尼腔上开设有颗粒装卸口；所述阻尼颗粒填充在阻尼腔内。
按上述方案，所述筒体两端贯通且为可拆卸的剖分式结构；所述左轴与筒体连接的一端设有左环形凸台，左环形凸台可伸入筒体内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定；所述右轴与筒体连接的一端设有右环形凸台，右环形凸台可伸入筒体内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定。
按上述方案，所述筒体采用具有透明的有机玻璃材料制作。
按上述方案，所述阻尼腔的上下两侧对称各设一个颗粒装卸口，所述颗粒装卸口为矩形，采用开口板条封堵；开口板条开设两个螺纹孔，开口板条通过螺纹孔和隔板连接。
按上述方案，所述左轴与颗粒阻尼器连接的一端通过左直线轴承和左深沟滚动轴承支撑，左直线轴承安装在左直线轴承座上，左深沟滚动轴承安装在左深沟滚动轴承座上；所述左直线轴承座的顶部设有左支撑板，左支撑板的端部连接有左深沟滚动轴承座；左深沟滚动轴承座与左轴承座之间增设有左弹簧，左弹簧套设在左轴上，左轴穿过开设于左限位板上的安装孔后与颗粒阻尼器相连；所述左弹簧的最大外径不小于左轴承的外径，左弹簧的一端与左轴承座的端面压紧，左弹簧的另一端与左深沟滚动轴承座压紧。
按上述方案，所述右轴与颗粒阻尼器连接的一端通过右直线轴承支撑，右直线轴承的两侧各设一个右深沟滚动轴承与右轴配合，右直线轴承安装在右直线轴承座上，右深沟滚动轴承安装在右深沟滚动轴承座上；所述右直线轴承座的顶部设有右支撑板，右支撑板的两端部各安装一个右深沟滚动轴承座，右深沟滚动轴承座与右直线轴承座之间增设有右弹簧，右弹簧套设在右轴上，右轴穿过开设于右限位板上的安装孔后与颗粒阻尼器相连；所述右弹簧的最大外径不小于右轴承的外径，右弹簧的一端与右轴承座的端面压紧，右弹簧的另一端与右深沟滚动轴承座压紧。
按上述方案，左直线轴承座和右直线轴承座分别通过轴承座支架安装在试验平台上。
按上述方案，所述联轴器为牙嵌联轴器。
按上述方案，所述联轴器与左轴键连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用激励装置来激励颗粒阻尼器，以产生不同频率与振幅的纵向振动，可以在旋转的同时产生纵向振动(现有的试验台架只能在不旋转的情况下提供的纵振)，真实模拟了船舶螺旋桨给轴系带来的纵向的振动。
2、本发明中左轴和右轴分别安装有弹簧，以模拟水下航行器推进轴系的刚度，可使轴系纵向振动快速恢复，能够真实模拟船舶轴系的刚度。
3、本发明中颗粒阻尼器的筒体为阻尼器的壳体，其材料选用具有较高强度、透明的有机玻璃，以便于观测阻尼器内的颗粒运动状态。
4、本发明中筒体设计为剖分式，便于隔板的拆卸、调距，以及阻尼颗粒的填充和更换；通过颗粒阻尼试验装置的振动测试系统，可以进行颗粒阻尼器实验装置的纵向振动的位移、振动加速度、阻尼比、减振等参数的测试和分析。
5、本发明结构简单，通过变频电机和激励器来实现轴系的纵向振动，操作方便；通过电力来进行试验，体现了环保的概念。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的总体结构示意图。
图2为本实施例中筒体俯视图。
图3为本实施例中筒体截面示意图。
图4为本实施例中开口板条的结构示意图。
图5为本实施例中左轴结构示意图。
图6为本实施例中右轴结构示意图。
图中：1-变频电机、2-联轴器、3-转速扭矩仪、4-左支撑板、5-左弹簧、6-左轴、7-右轴、8-右直线轴承、9-隔板、10-筒体、11-阻尼颗粒、12-颗粒阻尼器、13-右支撑板、14-电机轴、15-力传感器装置、16-激振装置、17-激振支架、18-试验平台、19-右轴承座、20-颗粒装卸口、21-开口板条、22-左直线轴承、23-左轴承座、24-右弹簧、25-左深沟滚动轴承座、26-左深沟滚动轴承、27-右深沟滚动轴承座、28-右深沟滚动轴承。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种基于颗粒阻尼器12的轴系试验台架，包括变频电机1、转速扭矩仪3、左轴6、颗粒阻尼器12、右轴7、力传感器装置15、激振装置16和试验平台18；所述变频电机1的电机轴14通过联轴器2与转速扭矩仪3相连，转速扭矩仪3通过联轴器2与左轴6的一端相连，左轴6的另一端与颗粒阻尼器12的一端相连，颗粒阻尼器12的另一端与右轴7的一端相连，右轴7的另一端与力传感器装置15相连，力传感器装置15通过连接杆与激振装置相连；所述变频电机1的电机轴14、转速扭矩仪3、左轴6、颗粒阻尼器12和右轴7同轴布置，保证试验台架能旋转及沿轴向振动。本发明中，变频电机1的电机轴14通过联轴器2带动整个轴系转动，通过控制变频电机1旋转的转速来模拟船舶轴系各种工况。
本实施例中，所述转速扭矩仪3用于检测转速和扭矩；所述力传感器装置15用于测量相关力学参数；所述变频电机1、转速扭矩仪3分别通过对应的支架安装在试验平台18上，激振装置16通过激振支架17安装在试验平台18上。所述联轴器2为牙嵌联轴器2，使轴向有±8mm的伸缩量，以满足纵向激励振幅的要求；所述联轴器2与左轴6键连接，通过键传递转速，工作时，左轴6能沿联轴器2作轴向相对运动。
优选地，所述颗粒阻尼器12包括筒体10、两块隔板9和阻尼颗粒11，所述筒体10与左轴6和右轴7同轴布置，左轴6和右轴7分别与筒体10的两端相连；所述隔板9间隔安装在筒体10内(其中一块隔板9通过周向均布的螺栓固定，另外一块隔板9设计为活动式)，且隔板9板面与筒体10的轴线垂直；两块隔板9之间的区域为阻尼腔，阻尼腔上开设有颗粒装卸口20；所述阻尼颗粒11填充在阻尼腔内。
本发明中，如图2和图3所示，所述筒体10两端贯通；所述左轴6与筒体10连接的一端设有左环形凸台(如图5所示)，左环形凸台可伸入筒体10内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定(螺栓连接左环形凸台和筒体10端部)；所述右轴7与筒体10连接的一端设有右环形凸台(如图6所示)，右环形凸台可伸入筒体10内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定(螺栓连接右环形凸台和筒体10端部)。本实施例中，筒体10端部通过均布的六个螺栓分别与左环形凸台和右环形凸台相连。
本实施例中，所述筒体10采用具有高强度、透明的有机玻璃材料制作，便于高速摄像机观测阻尼颗粒11的运动状态。所述筒体10为可拆卸的剖分式结构，便于隔板9的拆卸和调距。所述阻尼腔的上下两侧对称各设一个颗粒装卸口20，所述颗粒装卸口20为矩形，采用开口板条21封堵，如图4所示；开口板条21开设两个螺纹孔，开口板条21通过螺纹孔和隔板9连接。在填充和更换颗粒时，先停止运行变频电机1和激励器停止运行，拆除颗粒装卸口20处的开口板条21后装卸阻尼颗粒11。通过调整阻尼颗粒11的种类及数量，可研究阻尼颗粒11之间、阻尼颗粒11与筒体10壁面之间的碰撞和摩擦状况。
优选地，所述左轴6与颗粒阻尼器12连接的一端通过左直线轴承22和左深沟滚动轴承26支撑，左直线轴承22安装在左直线轴承座23上，左深沟滚动轴承26安装在左深沟滚动轴承座25上；所述左直线轴承座23的顶部设有左支撑板4，左支撑板4的端部连接有左深沟滚动轴承座25；左深沟滚动轴承座25与左轴承座23之间增设有左弹簧5，左弹簧5套设在左轴6上，左轴6穿过开设于左限位板25上的安装孔后与颗粒阻尼器12相连；所述左弹簧5的最大外径不小于左轴承22的外径，左弹簧5的一端与左轴承座23的端面压紧，左弹簧5的另一端与左深沟滚动轴承座25压紧。
优选地，所述右轴7与颗粒阻尼器12连接的一端通过右直线轴承8支撑，右直线轴承8的两侧各设一个右深沟滚动轴承28与右轴7配合；右直线轴承8安装在右直线轴承座19上，右深沟滚动轴承28安装在右深沟滚动轴承座27上；所述右直线轴承座19的顶部设有右支撑板13，右支撑板13的两端部各安装一个右深沟滚动轴承座27，右深沟滚动轴承座27与右直线轴承座19之间增设有右弹簧24，右弹簧24套设在右轴7上，右轴7穿过开设于右限位板26上的安装孔后与颗粒阻尼器12相连；所述右弹簧24的最大外径不小于右轴承8的外径，右弹簧24的一端与右直线轴承座19的端面压紧，右弹簧24的另一端与右深沟滚动轴承座27压紧。本发明中，左弹簧5和右弹簧24用于模拟水下航行器推进轴系的刚度，使轴系的纵向振动快速恢复。左直线轴承22和右直线轴承8均为直线轴承，保证一定的间隙，使得轴在轴承中能自由滑动；直线轴承对应配置的轴承座为直线轴承座，两个轴承座分别通过轴承座支架安装在试验平台18上。
本实施例中，变频电机1的标称功率为5.5kw，同步转速为90-1920r/min。激振装置16为现有技术，包括激振器和功率放大器，二者配合使用。激振器包括弹簧、动圈、铁芯、磁钢、磁极板和壳体，采用南京航空航天大学振动工程研究所开发的HEV-50高能激振器，尺寸为φ109×133mm，最大激振力为50N，频宽范围为0～3000Hz，最大振幅为±5mm，力常数不小于16N/A。功率放大器型号为HEAS-50，由前置放大器、驱动放大器和末级功率放大器三部分组成；在给定的失真率条件下，该功率放大器输出功率能满足驱动激振器的要求；此为现有技术，这里不再赘述。
本发明中，所述激振装置16控制输出电流，提供激励频率和振幅，模拟螺旋桨所带来的激励频率和振幅，变频电机1不转动时可以模拟处于系泊状态时舰船轴系受到风浪或水流作用产生的纵振状况，研究阻尼颗粒11与隔板9、阻尼颗粒11与筒体10壁面、阻尼颗粒11与阻尼颗粒11之间的碰撞和摩擦状况，探讨系统参数(粒径、质量填充比、腔体轴向长度等)、激励参数(激励频率和振幅)和运行工况(转速等)等对颗粒阻尼抑振的影响规律。激振装置16控制输出电流，提供激励频率和振幅,驱动变频电机1模拟舰船正常航行时舰船轴系受到风浪或水流作用产生的纵振状况，变频电机1带动舰船轴系旋转，阻尼腔内会有两种运动，一是绕着腔体轴线旋转；二是沿着纵向作周期性简谐振动；在阻尼腔转动和纵向激励振动作用下，阻尼颗粒11会与筒体10壁面和隔板9产生碰撞阻尼和摩擦阻尼，消耗阻尼腔的部分振动能量，产生抑制腔体振动的作用；激励颗粒阻尼器12产生不同的频率和振幅的纵向振动，可研究激励频率和振幅等参数对颗粒阻尼器12试验装置纵向抑振的影响规律。
本发明由变频电机1带动轴系旋转，同时设置直线轴承和深沟滚动轴承实现左轴6和右轴7的旋转运动和轴向运动。设置激振装置16控制输出电流，模拟螺旋桨所带来的激励频率和振幅，通过驱动变频电机1的启停可以模拟处于航行状态和系泊状态舰船轴系受到风浪或水流作用产生的纵振状况，激励颗粒阻尼器12产生不同的频率和振幅的纵向振动。通过传感器装置和相关的检测仪器，可以进行颗粒阻尼器12实验台的纵向振动的位移、振动加速度、阻尼比、减振比等参数的测试和分析，用于颗粒阻尼抑振机理的研究，从而研究激励频率和振幅等参数对颗粒阻尼器12试验装置纵向抑振的影响规律；开发可靠、长寿命、高效的颗粒阻尼器12，可为解决船舶轴系纵向振动提供科学技术依据。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于颗粒阻尼器的轴系试验台架，其特征在于，包括变频电机、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器、右轴、力传感器装置、激振装置和试验平台；所述变频电机的电机轴通过联轴器与转速扭矩仪相连，转速扭矩仪通过联轴器与左轴的一端相连，左轴的另一端与颗粒阻尼器的一端相连，颗粒阻尼器的另一端与右轴的一端相连，右轴的另一端与力传感器装置相连，力传感器装置通过连接杆与激振装置相连；所述变频电机的电机轴、转速扭矩仪、左轴、颗粒阻尼器和右轴同轴布置；所述变频电机、转速扭矩仪和激振装置分别通过对应的支架安装在试验平台上。
2.如权利要求1所述的轴系试验台架，其特征在于，所述颗粒阻尼器包括筒体、两块隔板和阻尼颗粒，所述筒体与左轴和右轴同轴布置，左轴和右轴分别与筒体的两端相连；所述隔板间隔安装在筒体内，且隔板板面与筒体的轴线垂直；两块隔板之间的区域为阻尼腔，阻尼腔上开设有颗粒装卸口；所述阻尼颗粒填充在阻尼腔内。
3.如权利要求2所述的轴系试验台架，其特征在于，所述筒体两端贯通且为可拆卸的剖分式结构；所述左轴与筒体连接的一端设有左环形凸台，左环形凸台可伸入筒体内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定；所述右轴与筒体连接的一端设有右环形凸台，右环形凸台可伸入筒体内部，并通过周向间隔布置的螺栓连接固定。
4.如权利要求2所述的轴系试验台架，其特征在于，所述筒体采用具有透明的有机玻璃材料制作。
5.如权利要求2所述的轴系试验台架，其特征在于，所述阻尼腔的上下两侧对称各设一个颗粒装卸口，所述颗粒装卸口为矩形，采用开口板条封堵；开口板条开设两个螺纹孔，开口板条通过螺纹孔和隔板连接。
6.如权利要求2所述的轴系试验台架，其特征在于，所述左轴与颗粒阻尼器连接的一端通过左直线轴承和左深沟滚动轴承支撑，左直线轴承安装在左直线轴承座上，左深沟滚动轴承安装在左深沟滚动轴承座上；所述左直线轴承座的顶部设有左支撑板，左支撑板的端部连接有左深沟滚动轴承座；左深沟滚动轴承座与左轴承座之间增设有左弹簧，左弹簧套设在左轴上，左轴穿过开设于左限位板上的安装孔后与颗粒阻尼器相连；所述左弹簧的最大外径不小于左轴承的外径，左弹簧的一端与左轴承座的端面压紧，左弹簧的另一端与左深沟滚动轴承座压紧。
7.如权利要求6所述的轴系试验台架，其特征在于，所述右轴与颗粒阻尼器连接的一端通过右直线轴承支撑，右直线轴承的两侧各设一个右深沟滚动轴承与右轴配合，右直线轴承安装在右直线轴承座上，右深沟滚动轴承安装在右深沟滚动轴承座上；所述右直线轴承座的顶部设有右支撑板，右支撑板的两端部各安装一个右深沟滚动轴承座，右深沟滚动轴承座与右直线轴承座之间增设有右弹簧，右弹簧套设在右轴上，右轴穿过开设于右限位板上的安装孔后与颗粒阻尼器相连；所述右弹簧的最大外径不小于右轴承的外径，右弹簧的一端与右轴承座的端面压紧，右弹簧的另一端与右深沟滚动轴承座压紧。
8.如权利要求7所述的轴系试验台架，其特征在于，左直线轴承座和右直线轴承座分别通过轴承座支架安装在试验平台上。
9.如权利要求1所述的轴系试验台架，其特征在于，所述联轴器为牙嵌联轴器。
10.如权利要求1所述的轴系试验台架，其特征在于，所述联轴器与左轴键连接。
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