CN117825026A - 一种参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力学实验设备领域，一种参数可调的磁水复合轴承‑转子非线性动力学试验台，包括驱动电机及减速机；联轴器，其动力输入端与所述驱动电机及减速机的输出端连接；推力轴，其第一端与所述联轴器的输出端连接；艉轴，其第一端与所述推力轴的第二端连接；螺旋桨模拟盘，且安装在所述艉轴的第二端；激振组件，连接在所述螺旋桨模拟盘。该试验台可以通过研究不同支点位置、支点承载力的推进轴系布置方案，获取非线性振动测试单元测量的关键数据。
Description
技术领域
本发明涉及力学实验设备领域，特别是一种参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台。
背景技术
推进轴系是某型舰艇动力系统的重要组成部分。其中轴系设备产生的机械振动不仅影响自身的工作性能，还会通过轴承座传递到舰艇壳体，引起艇体振动和噪声。推进轴系振动的传递途径复杂，能量交换形式多样，涉及纵向、横向、扭转方向单一振动，以及它们之间的运动耦合，还涉及轴系上不同设备之间的动力学关联、耦合效应。作为激振力由螺旋螺旋桨端传递到壳体结构上的传递途径，轴系的振动特性分析至关重要。国内相关学者的研究阐述了船舶艉部激励与螺旋桨—轴—船体系统振动噪声的映射关系。由于船舶螺旋螺旋桨在不均匀伴流场中工作，螺旋螺旋桨将对轴系产生轴频和叶频的激励将引起船舶推进轴系纵向振动，另外，轴系扭转振动也可以引起轴系的纵向振动。因此，通过试验验证轴系振动模型及计算方法非常必要。
磁水复合轴承转子动力学试验台是典型的单转子、双支点柔性转子结构。其典型特点是艉支点采用磁水复合轴承，在磁-固-流耦合、定常力、非定常力干扰下运行，因此其动力学问题特别复杂与突出，转轴的涡动和柔性变形与轴承、磁场、流体耦合效应会使系统的动力学行为与稳定性变得异常复杂。因此有必要结合磁-固-流多物理场耦合特点，设计一种参数可调的磁水复合轴承转子非线性动力学试验台。在轴系实际运行情况下，磁水复合轴承可能由于其径向间隙过小，艉部承载力过大而导致轴瓦-轴套发生接触，产生具有强非线性特点的碰摩状态。
现有技术还没有类似的实验设备。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，该试验台可以通过研究不同支点位置、支点承载力的推进轴系布置方案，获取非线性振动测试单元测量的关键数据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，包括
驱动电机及减速机；
联轴器，其动力输入端与所述驱动电机及减速机的输出端连接；
推力轴，其第一端与所述联轴器的输出端连接；
艉轴，其第一端与所述推力轴的第二端连接；
螺旋桨模拟盘，且安装在所述艉轴的第二端；
激振组件，连接在所述螺旋桨模拟盘。
作为优选的，所述电机与联轴器中间设置有扭矩传感器。
作为优选的，所述联轴器为永磁联轴器。
作为优选的，所述艉轴靠近第一端处设置有滑动轴承和滑动轴承轴向位置调整滑台，所述滑动轴承安装在所述滑动轴承轴向位置调整滑台的移动部，所述滑动轴承套装在所述推力轴的外部。
作为优选的，所述艉轴靠近螺旋桨模拟盘一侧设置有磁水复合轴承。
作为优选的，所述磁水复合轴承上设置有第一压力传感器。
作为优选的，所述激振组件包括激振器和伺服驱动器，其中所述激振器安装在螺旋桨模拟盘背向艉轴一侧的端面处，所述伺服驱动器与所述激振器连接。
作为优选的，所述螺旋桨模拟盘安装有可调节重量的配重片及配重螺栓。
作为优选的，所述螺旋桨模拟盘和所述激振器的连接处设置有轴承，该轴承为调心滚子轴承。
作为优选的，所述激振器处设置有第二压力传感器。
使用本发明的有益效果是：
本发明能够模拟转子在螺旋桨模拟装置提供的定常力、非定常力等干扰下，分析转子临界转速、振型、不平衡响应等非线性动力学特性，能够为大型船舶推进轴系转子系统动力学仿真计算、试验设计提供参考依据。
本发明能够通过拧动磁水复合轴承永磁体上方支架的螺栓，调节该轴承径向方向的磁力，模拟磁水复合轴承轴瓦-轴套发生接触而产生具有强非线性特点的碰摩工况。揭示磁水复合轴承转-静子碰摩工况机理，为今后实际推进轴系的转子动力学设计，预测出现碰摩状态后的非线性动力学行为提供参考数据及试验支撑。
本发明能够通过非线性振动测试单元所测量的磁水复合轴承转子时域信号，频域信号，轴心轨迹等参数，充分了解磁水复合轴承沿径向磁力大小对转子非线性动力学特性的影响；滑动轴承轴向位置对转子非线性动力学特性的影响；揭示磁-固-流多物理场耦合作用下，轴系-基座子系统之间的能量传递及振动耦合作用。在一定程度上可减少大型船舶推进轴系的试验件数量，揭示转子非线性动力学响应机理和有效地控制轴系的非线性振动。
附图说明
图1是本发明实施例参数可调的磁水复合轴承转子非线性动力学试验台结构示意图。
图2是本发明实施例参数可调的磁水复合轴承转子结构示意图。
图3是本发明实施例螺旋桨模拟装置结构示意图。
图4是本发明实施例驱动电机及减速机和扭矩传感器结构示意图。
附图说明：
1-驱动电机及减速机、2-扭矩传感器、3-永磁联轴器、4-滑动轴轴向位置调整滑台、5-滑动轴承、6-永磁推力轴承、7-水箱、8-磁水复合轴承、9-螺旋桨模拟盘、10-激振器、11-伺服驱动器、12-光学平台、13-艉轴、14-第一压力传感器、15-配重片及配重螺栓、16-调心滚子轴承、17-第二压力传感器、18-电机轴。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
如图1-图4所示，本实施例提出的参数可调的磁水复合轴承8-转子非线性动力学试验台，驱动电机及减速机1作为艉轴13的驱动装置，驱动电机及减速机1包括一个驱动电机和一个减速器，其中驱动电机的输出轴与减速机的输入端连接，减速机的输出端通过转矩传感器、永磁联轴器3与推力轴连接在一起，推力轴上装有的滑动轴承5、永磁推力轴承6两个轴承，推力轴与艉轴13的第一端通过法兰连接。
艉轴13的第二端连接螺旋桨模拟盘9，艉轴13靠近螺旋桨模拟盘9一侧安装磁水复合轴承8，螺旋桨模拟盘9的另外一侧连接激振器10和伺服驱动器11，并通过一个调心滚子轴承16连接在一起。螺旋桨模拟盘9与激振器10、伺服驱动器11通过一个调心滚子轴承16连接在一起，将激振器10、伺服驱动器11的激励力作用到螺旋桨模拟盘9上。伺服驱动器11的输出端为电机轴18。驱动电机的支座、扭矩传感器2的支座、滑动轴承5的支座、推力轴承支座、磁水复合轴承8的支座、磁水复合轴承8使用的水箱7、激振器10的基座均安装于所述光学平台上12。
上述的磁水复合轴承8可调节该轴承沿径向方向的磁力大小，永磁体上方布有的第一压力传感器14测量在工作情况下永磁体的磁吸力大小。其调节方式是，通过拧动该磁水复合轴承8上侧支架的螺栓调整永磁体与轴套的距离，调节该轴承沿径向方向的磁力大小。
另外，滑动轴承5沿轴向的位置可通过其下方的滑动轴轴向位置调整滑台4进行调节。
螺旋桨模拟盘9、激振器10和伺服驱动器11构成螺旋桨模拟装置，模拟螺旋桨的定常力、非定常力。螺旋桨模拟盘9上布有配重片及配重螺栓15，用于模拟螺旋桨的偏载。
本实施例中还设置有多个类型的传感器，其中电涡流位移传感器的数量为4个；加速度传感器的数量为6个；压力传感器的数量为2个。2个电涡流位移传感器布置于成对布置于磁水复合轴承8一侧，2个电涡流位移传感器成对布置于推力轴承一侧，用于测量轴系水平方向和垂直方向的动力学响应；3个加速度传感器通过磁座吸附在永磁推力轴承6上、3个加速度传感器通过磁座吸附在滑动轴承5基座上，用于测量转子的加速度。另外，扭矩传感器2位于电机与联轴器中间，用于测量驱动电机及减速机1输出扭矩及转速。力传感器位于磁水复合轴承8永磁体上方，用于测量在工作情况下磁水复合轴承8中的永磁体的磁力大小。
激振装置包括激振器10、伺服驱动器11、配重片及配重螺栓15和第二压力传感器17、螺旋桨模拟盘9与激振器10、伺服驱动器11通过一个调心滚子轴承16连接在一起，激振器10、伺服驱动器11、配重片及配重螺栓15等定常力、非定常力均通过螺旋桨模拟盘9作用到轴系上。
本参数可调的磁水复合轴承8-转子非线性动力学试验台还包括数据采集系统、以及控制分析单元。具体的，电涡流位移传感器、加速度传感器、压力传感器和扭矩传感器2均通过电路连接在数据采集系统，数据采集系统可以接收上述电涡流位移传感器、加速度传感器、压力传感器和扭矩传感器2发送的模拟信号，并将上述的模拟信号转换为数字信号，数据采集系统将数字信号发送至控制分析单元，控制分析单元接收上述的数字信号，并将上述数字信号数字化、或图形化的显示。
控制分析单元还可直接控制或采集驱动电机及减速机1、磁水复合轴承8磁力大小、激振器10输出的激振力、伺服驱动器11的轴向静推力、以及转子径向、轴向的位移等参数。使用者可在控制分析单元的用户界面进行显示所测量的磁水复合轴承8转子时域信号、频域信号、轴心轨迹等参数并根据用户输入通过控制电脑对驱动电机及减速机1中的驱动电机、激振器10、伺服驱动器11进行操作。
本次研制的试验台可同时调节磁水复合轴承8沿径向的磁力大小，滑动轴承5轴向的位置两种参数，模拟碰摩工况。通过非线性振动测试单元所测量的磁水复合轴承8转子时域信号，频域信号，轴心轨迹等参数，对比并修正理论模型、有限元模型的磁刚度，水膜刚度、阻尼随轴系偏心变化等非线性参数，可以验证处于多物理场耦合、强非线性受力状态的转子分析方法的准确性，为今后实际推进轴系的转子动力学计算提供参考数据及试验支撑。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以做出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：包括
驱动电机及减速机；
联轴器，其动力输入端与所述驱动电机及减速机的输出端连接；
推力轴，其第一端与所述联轴器的输出端连接；
艉轴，其第一端与所述推力轴的第二端连接；
螺旋桨模拟盘，安装在所述艉轴的第二端；
激振组件，连接在所述螺旋桨模拟盘。
2.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述电机与联轴器中间设置有扭矩传感器。
3.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述联轴器为永磁联轴器。
4.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述推力轴靠近第一端处设置有滑动轴承和滑动轴承轴向位置调整滑台，所述滑动轴承安装在所述滑动轴承轴向位置调整滑台的移动部，所述滑动轴承套装在所述推力轴的外部。
5.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述艉轴靠近螺旋桨模拟盘一侧设置有磁水复合轴承。
6.根据权利要求5所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述磁水复合轴承上设置有第一压力传感器。
7.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述激振组件包括激振器和伺服驱动器，其中所述激振器安装在螺旋桨模拟盘背向艉轴一侧的端面处，所述伺服驱动器与所述激振器连接。
8.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述螺旋桨模拟盘安装有可调节重量的配重片及配重螺栓。
9.根据权利要求7所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述螺旋桨模拟盘和所述激振器的连接处设置有轴承，该轴承为调心滚子轴承。
10.根据权利要求1所述的参数可调的磁水复合轴承-转子非线性动力学试验台，其特征在于：所述激振器处设置有第二压力传感器。
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