CN115325088A - 一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置 - Google Patents

一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置 Download PDF

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刘彦
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Abstract

本发明公开了一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置，包括船体和推进轴系，推进轴系沿船体的前进方向上布设，在推进轴系上设有若干个中间轴承；包括主动减振结构和振动控制系统，主动减振结构设在中间轴承外部，位于中间轴承和船体之间；主动减振结构内部设有主动元件，主动元件与振动控制系统电性相连。通过振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动；主动元件提供横向动态控制力(指代推进轴系的径向方向)，可主动抑制螺旋桨横向激励通过推进轴系向船体的传递，具有兼顾宽带减振与线谱控制的优点。压电作动器，相比于其他主动元件，具有响应速度快、体积小、推力大、运动平稳、工作可靠等优点。

Description

一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置
技术领域
本发明涉及船舶减振降噪技术领域，具体涉及一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置。
背景技术
随着现代船舶向大型化发展，一方面主机功率提高，使得推进轴系传递的扭矩和推力提升，导致螺旋桨激励力大大增加；另一方面推进轴系长、跨度大，导致轴系横向振动固有频率下降，使得螺旋桨叶频有可能接近横向振动的共振转速区间，推进轴系横向振动通过多支承传递至船体并诱导其产生的低频声辐射，已经上升到不容小觑的程度。
针对船舶推进轴系的振动控制，首要的还是保证推进轴系的基本功能，使船舶的操纵性不受影响，不造成过多的推力损失；同时要考虑推进轴系的抗冲击性能，减振装置要设计的便于安装和维护，不占用过多的空间和重量。推进轴系横向振动一般有两条思路：一是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；二是在推进轴系优化设计的基础上，增加相应的减振装置。在结构设计已经大体确定的情况下，增加相应的减振装置是一个较为实用的方法。目前大都采用被动控制技术，其不需要外界能源，装置结构较简单，易实现，经济性与可靠性好，但由于船舶艉部振动的复杂性及对振动水平的高要求，被动控制技术低频时振动控制效果差，不能适应外界振动特性的变化，因而使得振动被动控制技术的应用受到限制。而能够监测结构振动特性且适时做出响应的主动控制装置具有低频效果突出、环境适应性强等潜在优点，在船舶振动与噪声控制中已有一定的应用。
目前对轴系横向振动传递控制的研究主要集中于主动电磁吸振、电磁轴承减振等，占用空间大且控制力难以大幅提升；此外，长轴系的支承多，传递路径复杂，控制的轴承数量较多。长轴系导致轴系横向振动固有频率下降，使得螺旋桨叶频有可能接近横向振动的共振转速区间，推进轴系横向振动容易通过多支承传递至船体并诱导其产生的低频声辐射。若对轴系横向振动进行控制，既要提供轴系静态支承又要保证轴系对中，因而减振装置刚度难以降低，其控制效果也极其有限。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置，具有响应速度快、体积小、推力大、运动平稳、工作可靠等优点。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置，包括船体和推进轴系，推进轴系沿船体的前进方向上布设，在推进轴系上设有若干个中间轴承；其特征在于：包括主动减振结构和振动控制系统，主动减振结构设在中间轴承外部，位于中间轴承和船体之间；主动减振结构内部设有主动元件，主动元件与振动控制系统电性相连，振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动。
按上述技术方案，主动减振结构包括基座、主动元件以及轴承座，基座固定设在船体上，轴承座通过螺纹连接的方式固定设在基座上，中间轴承设在轴承座内；主动元件位于基座和轴承座之间。
按上述技术方案，动元件采用压电作动器，压电作动器设在推进轴系的左右两侧和底部，压电作动器一端与基座相连，另一端与轴承座相连。
按上述技术方案，压电作动器包括轴承座两侧水平方向的压电作动器和轴承座底部竖直方向的压电作动器，压电作动器的轴线与推进轴系的轴线相交。
按上述技术方案，设于水平方向的压电作动器和设于垂直方向的压电作动器均在轴承座的长度方向上关于轴承座的中点对称布设，且推力轴系两侧水平的压电作动器对中安装；压电作动器以柔性铰链连接的方式与基座相连；压电作动器均为预压状态安装。
按上述技术方案，振动控制系统包括控制器、功率放大器和传感器，传感器设在基座上，且紧邻压电作动器布设；功率放大器与压电作动器电性相连，控制器与功率放大器和传感器均电性相连；控制器通过传感器实时监测基座的振动信号，从而通过功率放大器控制压电作动器产生控制力，用于消除推力轴系的振动。
按上述技术方案，推力轴系包括设在船体上的螺旋桨、艉轴承、轴、推力轴承、弹性联轴器以及电机，螺旋桨、轴、弹性联轴器以及电机依次首位相连，轴通过艉轴承、中间轴承以及推力轴承设在船体上，尾轴承设在船体的艉部，中间轴承设在船体的内部，推力轴承设在中间轴承和联轴器之间。
本发明具有以下有益效果：
1、通过振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动；主动元件提供横向动态控制力(指代推进轴系的径向方向)，可主动抑制螺旋桨横向激励通过推进轴系向船体的传递，具有兼顾宽带减振与线谱控制的优点。
2、在中间轴承上设置压电作动器作为主动元件，通过压电作动器提供横向动态控制力可以调整轴承横向动态作用力，从而主动抑制螺旋桨横向激励通过轴及其基座向船体的传递。压电作动器，相比于其他主动元件，具有响应速度快、体积小、推力大、运动平稳、工作可靠等优点。
3、设置在基座上的传感器用于测量基座的水平和垂向加速度响应；控制器采集传感器信号，相应产生控制信号并输出至对应的功率放大器独立驱动轴承座两侧水平方向的压电作动器和轴承座底部竖直方向的压电作动器产生控制力，实时控制轴的横向振动经轴承座向船体的传递。
附图说明
图1是本发明提供实施例的长轴系中间轴承的主动减振装置布置方案示意图；
图2是本发明提供实施例的主动减振结构的主视图；
图3是本发明提供实施例的主动减振结构的俯视图；
图4是本发明提供实施例的主动减振结构的控制原理图；
图中，1、螺旋桨；2、艉轴承；3、轴；4、中间轴承；5、推力轴承；6、弹性联轴器；7、电机；8、船体；9、轴承座；10、基座；11、水平方向的压电作动器；12、竖直方向的压电作动器；13、控制器；14、功率放大器；15、传感器。
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2所示，本发明提供的一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置，包括船体8和推进轴系，推进轴系沿船体的前进方向上布设，在推进轴系上设有若干个中间轴承4。包括主动减振结构和振动控制系统，主动减振结构设在中间轴承外部，位于中间轴承和船体之间；主动减振结构内部设有主动元件11和12，主动元件与振动控制系统电性相连，振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动。
本实施方式通过振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动；主动元件提供横向动态控制力(指代推进轴系的径向方向)，可主动抑制螺旋桨横向激励通过推进轴系向船体的传递，具有兼顾宽带减振与线谱控制的优点。
进一步，主动减振结构包括基座10、主动元件以及轴承座9，基座固定设在船体上，轴承座通过螺纹连接的方式固定设在基座上，中间轴承设在轴承座内；主动元件位于基座和轴承座之间。主动减振结构具有结构紧凑、安装方便的特点，适用于含有多个中间轴承的长轴系振动抑制
进一步，动元件采用压电作动器，压电作动器设在推进轴系的左右两侧和底部，压电作动器一端与基座相连(图中实施例压电作动器一端与基座通过柔性铰链连接的方式相连)，另一端与轴承座相连(图中实施例压电作动器另一端与轴承座通过螺纹连接的方式相连)。主动减振结构在不影响轴系对中条件下，通过调节压电作动器的动态控制力，可主动抑制螺旋桨水平和垂向激励通过中间轴轴及其基座向船体的传递，且具有兼顾宽带减振与线谱控制的优点。
进一步，压电作动器包括轴承座两侧水平方向的压电作动器11和轴承座底部竖直方向的压电作动器12，压电作动器的轴线与推进轴系的轴线相交
进一步，设于水平方向的压电作动器和设于垂直方向的压电作动器均在轴承座的长度方向上关于轴承座的中点对称布设，且推力轴系两侧水平的压电作动器对中安装。在单一水平方向或垂直方向上，可以设置一个或者多个压电作动器，根据需求设置。图中实施例在推进轴系两侧的水平方向和下方的垂直方向上均使用一个压电作动器，压电作动器设在轴承座的中点处；若在单个方向上采用若干个压电作动器，则压电作动器在轴承座的长度方向上关于轴承座的中点对称布设。压电作动器以柔性铰链连接的方式与基座相连，用于补偿垂直于控制力方向的位移；压电作动器均为预压状态安装。
进一步，振动控制系统包括控制器13、功率放大器14和传感器15，传感器设在基座上，且紧邻压电作动器布设。功率放大器与压电作动器电性相连，控制器与功率放大器和传感器均电性相连；控制器通过传感器实时监测基座的振动信号，从而通过功率放大器控制压电作动器产生控制力，用于消除推力轴系的振动。传感器采用加速度传感器，分别用于测量基座的水平和垂向加速度响应；控制器采集传感器信号，相应产生控制信号并输出至对应的功率放大器独立驱动轴承座两侧水平方向的压电作动器和轴承座底部竖直方向的压电作动器产生控制力，实时控制轴的横向振动经轴承座向船体的传递。
进一步，推力轴系包括设在船体上的螺旋桨1、艉轴承2、轴3、推力轴承5、弹性联轴器6以及电机7，螺旋桨、轴、弹性联轴器以及电机依次首位相连，轴通过艉轴承、中间轴承以及推力轴承设在船体上，尾轴承设在船体的艉部，中间轴承设在船体的内部，推力轴承设在中间轴承和联轴器之间。
本发明的工作原理：
设置在基座上的传感器用于测量基座的水平和垂向加速度响应；控制器采集传感器信号，相应产生控制信号并输出至对应的功率放大器独立驱动轴承座两侧水平方向的压电作动器和轴承座底部竖直方向的压电作动器产生控制力，实时控制轴的横向振动经轴承座向船体的传递。
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 (7)

1.一种船舶长轴系中间轴承主动减振装置，包括船体和推进轴系，推进轴系沿船体的前进方向上布设，在推进轴系上设有若干个中间轴承；其特征在于：包括主动减振结构和振动控制系统，主动减振结构设在中间轴承外部，位于中间轴承和船体之间；主动减振结构内部设有主动元件，主动元件与振动控制系统电性相连，振动系统通过监测船体振动信号，控制主动元件产生控制力抵消推进轴系的横向振动。
2.根据权利要求1所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：主动减振结构包括基座、主动元件以及轴承座，基座固定设在船体上，轴承座通过螺纹连接的方式固定设在基座上，中间轴承设在轴承座内；主动元件位于基座和轴承座之间。
3.根据权利要求2所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：主动元件采用压电作动器，压电作动器设在推进轴系的左右两侧和底部，压电作动器一端与基座相连，另一端与轴承座相连。
4.根据权利要求3所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：压电作动器包括轴承座两侧水平方向的压电作动器和轴承座底部竖直方向的压电作动器，压电作动器的轴线与推进轴系的轴线相交。
5.根据权利要求4所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：设于水平方向的压电作动器和设于垂直方向的压电作动器均在轴承座的长度方向上关于轴承座的中点对称布设，且推力轴系两侧水平的压电作动器对中安装；压电作动器以柔性铰链连接的方式与基座相连；压电作动器均为预压状态安装。
6.根据权利要求4所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：振动控制系统包括控制器、功率放大器和传感器，传感器设在基座上，且紧邻压电作动器布设；功率放大器与压电作动器电性相连，控制器与功率放大器和传感器均电性相连；控制器通过传感器实时监测基座的振动信号，从而通过功率放大器控制压电作动器产生控制力，用于消除推力轴系的振动。
7.根据权利要求4所述的船舶长轴系中间轴承主动减振装置，其特征在于：推力轴系包括设在船体上的螺旋桨、艉轴承、轴、推力轴承、弹性联轴器以及电机，螺旋桨、轴、弹性联轴器以及电机依次首位相连，轴通过艉轴承、中间轴承以及推力轴承设在船体上，尾轴承设在船体的艉部，中间轴承设在船体的内部，推力轴承设在中间轴承和联轴器之间。
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