CN115059732B - 一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构，艉轴承减振结构设在艉轴承的衬套与船体之间；艉轴承减振结构由内到外依次包括轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套，轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套共轴心布设，轴瓦设在艉轴承的衬套上，外衬套置于船体的尾部轻壳体结构内；减振层由若干层橡胶层和金属层组成。确定艉轴承减振结构动刚度，在艉轴承衬套外部设置由多层减振橡胶层和不锈钢结构隔片组成的减振结构，通过橡胶材料、尺寸、铺层、不锈钢隔片等设计实现艉轴承最优动刚度，同时金属层可以减小艉轴承减振橡胶层变形，保证减振橡胶层受力均匀，满足轴系运行对中和安装要求，降低船舶轴系横向振动向船体结构的传递。

Description

一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构及设计方法
技术领域
本发明涉及船舶振动噪声控制领域，具体涉及一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构及设计方法。
背景技术
推进系统噪声是船舶低速工况最主要的噪声源，呈现出低频宽带与低频线谱叠加特征。目前船舶桨-轴系统横向振动噪声控制面临的问题主要为：1)轴系横向振动声辐射能量大，是船舶振动噪声控制的瓶颈技术；2)目前船舶艉轴承材料硬度较高，螺旋桨横向激励力传导增强，不利于横向振动控制；3)传统艉轴承减振设计仅考虑了轴系振动传递，没有考虑轴承支撑刚度对螺旋桨横向激励力的影响，控制效果不佳；同时发挥减振作用的橡胶为超弹性材料，橡胶减振材料变形大、还容易产生集中应力，不利于轴系对中和安装控制，难以满足工程要求。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构及设计方法，有效降低船舶桨轴系统横向振动声辐射。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构，艉轴承减振结构设在艉轴承的衬套与船体之间，其特征在于：艉轴承减振结构由内到外依次包括轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套，轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套共轴心布设，轴瓦设在艉轴承的衬套上，外衬套置于船体的尾部轻壳体结构内；减振层由若干层橡胶层和金属层组成。
按上述技术方案，橡胶层和金属层交替布设，橡胶层和金属层的数量取值范围在4～20层。
按上述技术方案，橡胶层和金属层的数量选取6层，从内向外依次为轴瓦、内衬套、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、外衬套。
按上述技术方案，减振橡胶层采用硬度为65～75的天然或丁晴橡胶材质。
按上述技术方案，减振橡胶单层的厚度取值范围为1mm～3mm。
按上述技术方案，金属层的厚度取值范围为0.5mm～2mm。
一种如权利要求1-6任一所述降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：
S1：确定艉轴承减振结构动刚度；
S2：根据减振结构动刚度要求和变形控制要求确定橡胶层和金属层数量。
按上述技术方案，S11：根据船舶螺旋桨设计方案，建立艉轴承支撑刚度k的螺旋桨激励力CFD计算模型，得到螺旋桨激励力随支撑刚度k的变化关系F(k,ω)；
S12：根据船舶轴系和艉部船体结构方案，建立轴系结构和尾部船体结构振动传递动力学有限元计算模型，计算得到桨毂垂向激励，艉轴承垂向振动传递频响随支撑刚度k的变化关系H(k,ω)；
S13：计算低频段螺旋桨激励作用下艉轴承振动加速度响应总级La(k)为：
La(k)＝F(k,ω)·H(k,ω)
让低频段艉轴承结构振动加速度总级La(k)取最小值，即可确定艉轴承最优支撑动刚度k0的值。
本发明具有以下有益效果：
1、尾轴承减振结构安装于艉轴承衬套与船体之间，由多层同心环状橡胶层和金属层组成。以螺旋桨激励艉轴承结构部位低频段振动加速度响应总级最小为目标函数优化确定艉轴承减振结构动刚度，然后在艉轴承衬套外部设计由多层减振橡胶层和不锈钢结构隔片组成的减振结构，通过橡胶材料、尺寸、铺层、不锈钢隔片等设计实现艉轴承最优动刚度，同时金属层可以减小艉轴承减振橡胶层变形，保证减振橡胶层受力均匀，满足轴系运行对中和安装要求，降低船舶轴系横向振动向船体结构的传递。
附图说明
图1是本发明提供实施例的艉轴承减振结构安装图；
图2是本发明提供实施例的艉轴承减振结构图；
图3是本发明提供实施例的图2中B-B的剖视图；
图4是本发明提供实施例的减振橡胶层结构设计；
图中，1、艉轴承减振结构；2、船体；3、艉轴；4、螺旋桨；5、轴瓦；6、内衬套；7、外衬套；8、橡胶层；9、金属层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图4所示，本发明提供的一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构，艉轴承减振结构1设在艉轴承的衬套与船体2之间，艉轴承套装在艉轴3上，艉轴通过艉轴承减振结构和艉轴承支承，螺旋桨4安装在艉轴上。艉轴承减振结构由内到外依次包括轴瓦5、内衬套6、减振层以及外衬套7，轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套共轴心布设，轴瓦设在艉轴承的衬套上，外衬套置于船体的尾部轻壳体结构内；减振层由若干层橡胶层8和金属层9组成。在本实施方式中，橡胶层主要用于减振，从而降低振动传导；金属层主要起减小橡胶减振层变形和保证橡胶减振层变形均匀的作用。本实施方式中在相邻两个金属层之间至少设置一层橡胶层，也可设置多层橡胶层，优选设置一层。
进一步，橡胶层和金属层交替布设，橡胶层和金属层的数量取值范围在4～20层。
进一步，橡胶层和金属层的数量选取6层，从内向外依次为轴瓦、内衬套、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、外衬套。
进一步，减振橡胶层采用硬度为65～75的天然或丁晴橡胶材质，金属层采用不锈钢隔片。
进一步，减振橡胶单层的厚度取值范围为1mm～3mm，本装置中橡胶层厚度可以不一致。
进一步，金属层的厚度取值范围为0.5mm～2mm，主要起减小橡胶减振层变形和保证橡胶减振层变形均匀的作用。
一种如权利要求1-6任一所述降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：
S1：以螺旋桨激励艉轴承结构部位低频段振动加速度响应总级最小为目标函数优化确定艉轴承减振结构动刚度；
S2：根据减振结构动刚度要求和变形控制要求确定橡胶层和金属层数量，根据橡胶的材料，橡胶层厚度，金属片的厚度，建立有限元动刚度计算模型，然后计算动刚度，当选择的方案动刚度计算与S1中最优值基本一致时，即可确定橡胶层和金属层数量。
进一步，S11：根据船舶螺旋桨设计方案，建立艉轴承支撑刚度k的螺旋桨激励力CFD计算模型，得到螺旋桨激励力随支撑刚度k的变化关系F(k,ω)；
S11：根据船舶螺旋桨设计方案，建立艉轴承支撑刚度k的螺旋桨激励力CFD计算模型，得到螺旋桨激励力随支撑刚度k的变化关系F(k,ω)；
S12：根据船舶轴系和艉部船体结构方案，建立轴系结构和尾部船体结构振动传递动力学有限元计算模型，计算得到桨毂垂向激励，艉轴承垂向振动传递频响随支撑刚度k的变化关系H(k,ω)；
S13：计算低频段螺旋桨激励作用下艉轴承振动加速度响应总级La(k)为：
La(k)＝F(k,ω)·H(k,ω)
让低频段艉轴承结构振动加速度总级La(k)取最小值，即可确定艉轴承最优支撑动刚度k0的值，从而降低轴系横向振动传递。
本发明的工作原理：
尾轴承减振结构安装于艉轴承衬套与船体之间，由多层同心环状橡胶层和金属层组成。以螺旋桨激励艉轴承结构部位低频段振动加速度响应总级最小为目标函数优化确定艉轴承减振结构动刚度，然后在艉轴承衬套外部设计由多层减振橡胶层和不锈钢结构隔片组成的减振结构，通过橡胶材料、尺寸、铺层、不锈钢隔片等设计实现艉轴承最优动刚度，同时金属层可以减小艉轴承减振橡胶层变形，保证减振橡胶层受力均匀，满足轴系运行对中和安装要求，降低船舶轴系横向振动向船体结构的传递。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，艉轴承减振结构设在艉轴承的衬套与船体之间；艉轴承减振结构由内到外依次包括轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套，轴瓦、内衬套、减振层以及外衬套共轴心布设，轴瓦设在艉轴承的衬套上，外衬套置于船体的尾部轻壳体结构内；减振层由若干层橡胶层和金属层组成；其特征在于：其设计步骤为：
S1：确定艉轴承减振结构动刚度，具体为：
S11：根据船舶螺旋桨设计方案，建立艉轴承支撑刚度k的螺旋桨激励力CFD计算模型，得到螺旋桨激励力随支撑刚度k的变化关系F(k，ω)；
S12：根据船舶轴系和艉部船体结构方案，建立轴系结构和尾部船体结构振动传递动力学有限元计算模型，计算得到桨毂垂向激励，艉轴承垂向振动传递频响随支撑刚度k的变化关系H(k，ω)；
S13：计算低频段螺旋桨激励作用下艉轴承振动加速度响应总级La(k)为：
La(k)＝F(k，ω)·H(k，ω)
让低频段艉轴承结构振动加速度总级La(k)取最小值，即可确定艉轴承最优支撑动刚度k0的值；
S2：根据减振结构动刚度要求和变形控制要求确定橡胶层和金属层数量。
2.根据权利要求1所述的降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：橡胶层和金属层交替布设，橡胶层和金属层的数量取值范围在4～20层。
3.根据权利要求1所述的降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：橡胶层和金属层的数量选取6层，从内向外依次为轴瓦、内衬套、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、减振橡胶层、不锈钢隔片、外衬套。
4.根据权利要求1所述的降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：减振橡胶层采用硬度为65～75的天然或丁晴橡胶材质。
5.根据权利要求1所述的降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：减振橡胶单层的厚度取值范围为1mm～3mm。
6.根据权利要求1所述的降低船舶轴系横向振动的艉轴承减振结构的设计方法，其特征在于：金属层的厚度取值范围为0.5mm～2mm。
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