CN113685487A - 一种双通道轴系横向振动主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道轴系横向振动主动控制装置，该装置包含：加速度传感器一、二和三；振动控制器；信号放大器一、二和三；功率放大器一和二；电磁作动器一和二；以及作动器支架。其中，电磁作动器一、二通过作动器支架与中间轴承座连接，加速度传感器一、二和三分别将测得的振动加速度电信号传输至信号放大器一、二和三进行放大，经信号放大器一、二和三传输至振动控制器，振动控制器进行频谱分析和特征信号提取后获得振动信息；加速度传感器三提取轴系振动信号作为参考信号，电磁作动器一、二产生与轴系振动频率大小相同，方向相反的力用于抵消轴系振动，实现对多个方向的轴系横向振动的控制。

Description

一种双通道轴系横向振动主动控制装置

技术领域

本发明涉及一种轴系横向振动主动控制装置，具体涉及一种双通道轴系横向振动主动控制装置。

背景技术

轴系是动力传送的主要设备，它将主机和执行件(如船桨)有效连接，并且形成一套完整的动力体系，使设备(如船舶)正常行驶。当轴系出现主机力传递不均匀、力矩和安装不能对中、材料加工不精确等现象时，就会使轴系产生不平衡的状态，出现横向振动(此外，螺旋桨在不均匀的流场中工作，会引起船舶尾部的扰动，使船舶出现共振和局部振动)。严重的横向振动可能会引起轴系的弯曲应力过大，而使其断裂，危害人体生命。

目前，控制推进轴系横向振动一般有两种方法，具体如下：

(1)基于结构动力学原理在推进轴系结构设计中进行优化调整，主要是规避共振频率区间，通过改变外界激励频率来避免共振，如果外界激励频率是固定不变的，则可以通过改变轴系中某项参数(如改变轴承支撑刚度、支撑位置)，改变系统的固有频率，避开共振区域，达到减小系统响应和控制设备振动的目的。当共振现象不可避免时，可降低系统振动响应，例如轴稳定运行转速大于临界转速时，为了尽可能降低共振产生的破坏，就要快速越过共振区域，缩短在共振区域的运转时间，降低系统振动响应；

(2)对推进轴系结构附加控制器进行控制，包括被动、半主动以及主动控制等手段，控制横向振动响应幅值。被动控制即增加系统阻尼，消耗共振时产生的能量，实现减小振幅，降低共振影响的目标，例如安装轴承支撑时增大隔振器的阻尼等。

由于动力学优化设计方法的作用有限，而被动控制存在低频段无法控制的局限性，很有必要对推进轴系横向振动主动控制策略展开研究。现有的主动控制技术常用在控制轴系纵向振动方面，而用主动控制方法控制横向振动目前研究较少。并且由于横向振动的方向多变，相比纵向振动仅在轴系径向一个维度运动，其控制难度更高，运用简单的单通道横向振动控制效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道轴系横向振动主动控制装置，通过振动控制装置控制两个电磁作动器输出与轴系振动方向相反、频率相同的力，从而达到从多个方向控制轴系横向振动的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了一种双通道轴系横向振动主动控制装置，该装置包含：加速度传感器一、加速度传感器二、加速度传感器三、振动控制器、信号放大器一、信号放大器二、信号放大器三、功率放大器一、功率放大器二、电磁作动器一、电磁作动器二和作动器支架；其中，所述电磁作动器一和电磁作动器二分别固定在作动器支架的垂直方向和水平方向上，且所述电磁作动器一和电磁作动器二与中间轴承座连接；所述加速度传感器一和加速度传感器二分别布置在所述中间轴承座的垂直方向和水平方向上，所述加速度传感器一用于测定中间轴承座在垂直方向的振动加速度，所述加速度传感器二用于测定中间轴承座在水平方向的振动加速度；所述加速度传感器三设置在艉轴承座上，用于采集艉轴轴系的横向振动频率；且，所述加速度传感器一、加速度传感器二和加速度传感器三分别与信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三通过总线连接，所述加速度传感器一和加速度传感器二分别将测得的中间轴承座的振动加速度信号传输至所述信号放大器一和信号放大器二进行放大，所述加速度传感器三将测得的艉轴承座的振动加速度信号传输至所述信号放大器三进行放大；所述信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三均与所述振动控制器通过总线连接，所述信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三分别将放大的电信号传输至所述振动控制器，所述信号放大器三放大后的轴系振动信号作为参考信号，所述振动控制器将放大的电信号进行频谱分析和特征信号提取后获得振动信息，该振动信息包括：振动频率、幅值、振动方向信息，并且所述振动控制器依据提取的中间轴承座的振动信息及参考信号的振动频率合成相应的两个控制振动信号；所述振动控制器与所述功率放大器一和功率放大器二均通过总线连接，所述振动控制器将两个控制振动信号分别传输给功率放大器器一和功率放大器二；所述功率放大器一和功率放大器二分别与电磁作动器一和电磁作动器二通过总线连接，所述功率放大器器一和功率放大器二将控制振动信号传输给电磁作动器一和电磁作动器二，从而在垂直方向和水平方向均产生与中间轴承座振动方向相反的作用力，用于抵消轴系振动。

优选地，所述作动器支架包括：顶板、侧板、支承杆、夹紧杆、顶杆一、顶杆二；其中，所述顶板通过支承杆固定连接在中间轴承座的顶部，顶板的中间设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器一；所述支承杆的底端设置有外螺纹，与中间轴承座螺纹连接，该支承杆用于支撑所述顶板并传递电磁作动器一输出的作动力；所述侧板处于顶板和中间轴承座的两侧，侧板通过所述夹紧杆固定在中间轴承座的两侧，并与顶板固定连接，侧板上设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器二；一个侧板内侧中间的孔固定有顶杆一，顶杆一的末端设置有螺纹，顶杆一与顶杆二螺纹连接，顶杆二通过调节旋出的长度卡抵至中间轴承座，顶杆二用来传递中间轴承座侧面的作动力。

优选地，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

优选地，所述振动控制器包括：振动加速度信号分析子模块和控制信号发生子模块；所述振动加速度信号分析子模块与信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三均连接，所述振动加速度信号分析子模块用于接收信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三传输的放大的电信号，并通过快速FFT进行实时频谱分析获得振动加速度信号的实时频谱特征，以获得振动信息；所述控制信号发生子模块与振动加速度信号分析子模块连接，振动加速度信号分析子模块将获得的中间轴承座的振动信息和参考信号的振动频率传输给控制信号发生子模块，控制信号发生子模块基于Fx-LMS算法的自适应前馈控制对误差信号进行运算得出两个相应的控制振动信号。

本发明的双通道轴系横向振动主动控制装置，具有以下优点：

本发明的装置采用电磁式主动控制，通过在中间轴承座上外加作动器支架将2个惯性式电磁作动器连接在轴系上，通过主动控制模块产生的两个控制信号驱动两个作动器产生与轴系横向振动频率相同、方向相反的力，抑制从螺旋桨传递到轴系上的激振力，有效降低轴系横向振动从而最终降低船体结构振动响应。该装置作用在传动轴系的中间轴承座上，避免了一般对轴承基座进行控制时需要对轴进行拆解破坏其结构的缺点，并运用适当的控制算法时，不仅对低频线谱有效，同时对宽带随机激励也有较好的控制效果。

本发明的主动控制系统有两个次级通道，每个次级通道包括一套“传感器→信号放大器→控制器→功率放大器→电磁作动器”，每个次级通道控制一个电磁作动器，只能输出一个方向的力，装置中两个次级通道分别控制两个相互垂直的电磁作动器，从而输出力互相垂直，可控制多个方向的轴系横向振动。

附图说明

图1为本发明双通道轴系横向振动主动控制装置的结构示意图。

图2为本发明的控制模块的逻辑结构示意图。

图3为本发明的作动器支架的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种双通道轴系横向振动主动控制装置，如图1所示，为本发明的双通道轴系横向振动主动控制装置的结构示意图，该主动控制装置包括：3个加速度传感器(加速度传感器一、加速度传感器二和加速度传感器三)、1个振动控制器、3个信号放大器(信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三)、2个功率放大器(功率放大器一和功率放大器二)、2个电磁作动器(电磁作动器一和电磁作动器二)和1个作动器支架。其中，电磁作动器一和电磁作动器二分别固定在作动器支架的垂直方向和水平方向上，电磁作动器一和电磁作动器二与中间轴承座连接，加速度传感器一和加速度传感器二分别布置在中间轴承座的垂直方向和水平方向上，加速度传感器一用于测定中间轴承座在垂直方向的振动加速度，加速度传感器二用于测定中间轴承座在水平方向的振动加速度，加速度传感器一和加速度传感器二分别将测量得到的中间轴承座的振动加速度信号输出至信号放大器一和信号放大器二进行放大。信号放大器一和信号放大器二均与振动控制器通过总线连接，信号放大器一和信号放大器二将放大的电信号传输至振动控制器，振动控制器将放大的电信号进行频谱分析和特征信号提取后获得振动信息，振动信息包括：振动频率、幅值、振动方向信息。加速度传感器三布置在艉轴轴承座上，用于采集艉轴轴系的横向振动频率，与信号放大器三通过总线连接，加速度传感器三提取的轴系振动信号作为参考信号，经信号放大器三放大后传输给振动控制器。振动控制器与功率放大器一和功率放大器二也通过总线连接，振动控制器依据提取的中间轴承座的振动信息及参考信号的振动频率合成相应的两个控制振动信号，并将两个控制振动信号分别传输给功率放大器器一和功率放大器二。功率放大器一和功率放大器二分别与电磁作动器一和电磁作动器二通过总线连接，功率放大器一和功率放大器二将控制振动信号分别传输给电磁作动器一和电磁作动器二，从而在垂直方向和水平方向均产生与中间轴承座振动方向相反的作用力，抵消掉轴系振动。

本发明的装置通过振动控制器和电磁作动器产生与轴系横向振动方向相反、频率相同的力，达到有效降低轴系横向振动的目的。

上述作动器支架包括：顶板10、侧板20、支承杆30、夹紧杆40、顶杆一50、顶杆二60。其中，顶板10通过4个支承杆30固定连接在中间轴承座的顶部，顶板10的中间设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器一。支承杆30的底端设置有外螺纹，可直接将轴承座原有的螺栓替换成该支承杆30，支承杆30在支撑顶板10的同时也起到了传递电磁作动器一输出的作动力的作用(垂直方向)。侧板20处于顶板10和中间轴承座的两侧，侧板20通过4个夹紧杆40固定在中间轴承座的两侧，并与顶板10固定连接，侧板20上设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器二。夹紧杆40两端螺纹长，可适用多种尺寸的轴承座。其中，一个侧板内侧中间的孔固定有顶杆一50，顶杆一50上的螺纹可连接顶杆二60，顶杆二60通过调节旋出的长度顶在中间轴承座上，用来传递中间轴承座侧面的作动力(水平方向)。

上述加速度传感器为压电式加速度传感器。

上述振动控制器包括：振动加速度信号分析子模块和控制信号发生子模块。其中，振动加速度信号分析子模块与信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三连接，振动加速度信号分析子模块用于接收信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三传输的放大的电信号，并通过快速FFT进行实时频谱分析获得振动加速度信号的实时频谱特征，控制信号发生子模块用于接收振动加速度信号分析子模块提取的振动信息，并产生控制振动信号；控制信号发生子模块与振动加速度信号分析子模块连接，振动加速度信号分析子模块将获得的振动信息以及目标控制振动频率传输给控制信号发生子模块，控制信号发生子模块通过Fx-LMS算法和自适应前馈控制对误差信号进行运算得出2个相应的控制振动信号。

上述电磁作动器的工作原理为：当功率放大器一和功率放大器二传输的交变电流通过时，电磁作动器一和电磁作动器二的动子能上下运动，相邻永磁体间同极性相对，永磁体通过导磁外壁和两侧的导磁体形成闭合磁路，相邻线圈间通电方向相反形成同一方向的对外电磁力，通过调节线圈的通电频率和方向即可使动子输出力与轴系振动方向相反、频率相同，从而达到控制轴系横向振动的目的。

本发明的双通道轴系横向振动主动控制装置的具体工作方式，如下：

当螺旋桨在船舶艉部不均匀流场中运转时，流体产生的周期和随机激振力作用在螺旋桨上。横向激振力则通过艉轴、中间轴及推力轴传递到推力盘，然后通过推力块传递到推力轴承壳体并最终传递到船体结构上，引起船体发生振动。

为了对螺旋桨激振力导致的轴系和船体的横向振动进行控制，本发明通过布置在中间轴承座上的加速度传感器实时监测其振动情况，并将振动加速度信号其作为控制误差信号，通过信号线传递到振动控制器中进行实时频谱分析。结合加速度传感器采集的艉轴轴系振动频率作为参考信号，在振动控制器中运用相应的控制算法产生控制信号，再将控制信号通过功率放大器中放大后输入到电磁式作动器。作动器产生相应的控制力作用到中间轴承基座上，产生同轴系纵向振动方向相反的控制力，从而减小轴系的纵向振动，并以此达到减小传递到推力轴承上的横向振动并最终减小船体振动的目的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种双通道轴系横向振动主动控制装置，其特征在于，该装置包含：加速度传感器一、加速度传感器二、加速度传感器三、振动控制器、信号放大器一、信号放大器二、信号放大器三、功率放大器一、功率放大器二、电磁作动器一、电磁作动器二和作动器支架；

其中，所述电磁作动器一和电磁作动器二分别固定在作动器支架的垂直方向和水平方向上，且所述电磁作动器一和电磁作动器二与中间轴承座连接；

所述加速度传感器一和加速度传感器二分别布置在所述中间轴承座的垂直方向和水平方向上，所述加速度传感器一用于测定中间轴承座在垂直方向的振动加速度，所述加速度传感器二用于测定中间轴承座在水平方向的振动加速度；所述加速度传感器三设置在艉轴承座上，用于采集艉轴轴系的横向振动频率；且，所述加速度传感器一、加速度传感器二和加速度传感器三分别与信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三通过总线连接，所述加速度传感器一和加速度传感器二分别将测得的中间轴承座的振动加速度信号传输至所述信号放大器一和信号放大器二进行放大，所述加速度传感器三将测得的艉轴承座的振动加速度信号传输至所述信号放大器三进行放大；

所述信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三均与所述振动控制器通过总线连接，所述信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三分别将放大的电信号传输至所述振动控制器，所述信号放大器三放大后的轴系振动信号作为参考信号，所述振动控制器将放大的电信号进行频谱分析和特征信号提取后获得振动信息，该振动信息包括：振动频率、幅值、振动方向信息，并且所述振动控制器依据提取的中间轴承座的振动信息及参考信号的振动频率合成相应的两个控制振动信号；

所述振动控制器与所述功率放大器一和功率放大器二均通过总线连接，所述振动控制器将两个控制振动信号分别传输给功率放大器器一和功率放大器二；

所述功率放大器一和功率放大器二分别与电磁作动器一和电磁作动器二通过总线连接，所述功率放大器器一和功率放大器二将控制振动信号传输给电磁作动器一和电磁作动器二，从而在垂直方向和水平方向均产生与中间轴承座振动方向相反的作用力，用于抵消轴系振动。

2.根据权利要求1所述的双通道轴系横向振动主动控制装置，其特征在于，所述作动器支架包括：顶板(10)、侧板(20)、支承杆(30)、夹紧杆(40)、顶杆一(50)、顶杆二(60)；

其中，所述顶板(10)通过支承杆(30)固定连接在中间轴承座的顶部，顶板(10)的中间设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器一；所述支承杆(30)的底端设置有外螺纹，与中间轴承座螺纹连接，该支承杆(30)用于支撑所述顶板(10)并传递电磁作动器一输出的作动力；

所述侧板(20)处于顶板(10)和中间轴承座的两侧，侧板(20)通过所述夹紧杆(40)固定在中间轴承座的两侧，并与顶板(10)固定连接，侧板(20)上设置有若干孔，该孔用来安装电磁作动器二；一个侧板内侧中间的孔固定有顶杆一(50)，顶杆一(50)的末端设置有螺纹，顶杆一(50)与顶杆二(60)螺纹连接，顶杆二(60)通过调节旋出的长度卡抵至中间轴承座，顶杆二(60)用来传递中间轴承座侧面的作动力。

3.根据权利要求1所述的双通道轴系横向振动主动控制装置，其特征在于，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的双通道轴系横向振动主动控制装置，其特征在于，所述振动控制器包括：振动加速度信号分析子模块和控制信号发生子模块；

所述振动加速度信号分析子模块与信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三均连接，所述振动加速度信号分析子模块用于接收信号放大器一、信号放大器二和信号放大器三传输的放大的电信号，并通过快速FFT进行实时频谱分析获得振动加速度信号的实时频谱特征，以获得振动信息；

所述控制信号发生子模块与振动加速度信号分析子模块连接，振动加速度信号分析子模块将获得的中间轴承座的振动信息和参考信号的振动频率传输给控制信号发生子模块，控制信号发生子模块基于Fx-LMS算法的自适应前馈控制对误差信号进行运算得出两个相应的控制振动信号。

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