CN212220526U - 一种针对推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统 - Google Patents
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Abstract
推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统，包括轴系、推力盘、基础，轴系的后端连接螺旋桨，前端通过柔性联轴器连接机组，轴系上连接推进法兰，推进法兰的前端连接推力轴承，推力轴承的前端连接推力盘，推力盘与基础之间设有若干个低刚度元件，推力盘与基础之间还设有若干个可控阻尼，每个可控阻尼与低刚度元件配对成组；推力盘上设有振动传感器，振动传感器的输出端连接数据采集卡，数据采集卡的输出端连接工控机，工控机的输出端连接可控阻尼的控制端。本实用新型将变阻尼的半主动控制技术应用于隔振系统，可在抑制低频段共振的同时，在高频段也取得较好的隔振效果。
Description
技术领域
本实用新型属于舰船推进系统隔振领域，特别地，涉及一种针对推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统。
背景技术
螺旋桨推进是潜艇和水下航行器的主要推进方式。潜艇在水中运动，不可避免地在艉部形成不均匀的伴流场。螺旋桨在不均匀伴流场中工作会产生脉动推力，经推进轴系、推力轴承及其基座传递到壳体，引起壳体产生振动，进而形成水下声辐射。国内外的相关研究主要是从两方面对推进轴系纵向振动进行控制:一个方面是减振，即减小推进轴系的振动响应；另一个方面是隔振，即通过隔振，减小经推力轴承传递至艇体的二次激励力。
振动控制技术可以分为：被动控制、半主动控制和主动控制。其中，半主动控制技术具有能耗低、系统简单可靠和稳定性好等特点，受到更多的重视。
目前在推进轴系纵向振动半主动控制研究中，发明专利CN102878237A中公开了一种组合式磁流变弹性体船舶轴系纵振智能吸振器，该发明利用磁流变弹性体的剪切模量可调特性，提出一种新型船用磁流变弹性体动力吸振器，该吸振器刚度可控，基于变刚度技术，让吸振器的固有频率追踪激励力的频率，实现变转速工况下对船舶轴系纵向振动的有效控制，可以在较宽的频段实现较好隔振的效果。但由于实际吸振器的变刚度范围较小，因此只能在较小的频率范围内实现控制。
发明专利CN102878237A的本质是将振动的半主动控制技术与减振技术相结合，以减小推进轴系的振动响应，其动力学模型如图2所示。而将振动的半主动控制技术与隔振技术相结合，减小经推力轴承传递至艇体的二次激励力方面，目前尚无有效的解决方案。针对这种情况，本实用新型针对推进轴系纵向振动，将振动的半主动控制技术与隔振技术相结合，提出一种基于可控阻尼器的半主动控制隔振系统，通过变阻尼技术，减小经推力轴承传递至艇体的二次激励力，其动力学模型如图2所示。
本实用新型的优势在于：由于抑制了隔振系统在低频段的共振振幅，使得隔振频段大幅度向低频拓展，且中高频段的隔振效果大幅度提高。
发明内容
本实用新型要解决上述现有技术存在的问题，提出一种针对推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统。可在低频段大大提高隔振系统的隔振效果，使隔振频段大幅度向低频段扩展，同时也提高了在中高频段的隔振效果。
本实用新型所述的推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统，包括轴系5、推力盘8、基础11，轴系5的后端连接螺旋桨4，前端通过柔性联轴器12连接机组13，轴系5上连接推进法兰6，推进法兰6的前端连接推力轴承7，推力轴承7的前端连接推力盘8，推力盘8与基础11之间设有若干个低刚度元件9，其特征在于：推力盘8与基础11之间还设有若干个可控阻尼器10，每个可控阻尼器10与低刚度元件9配对成组；推力盘8上设有振动传感器18，振动传感器18 的输出端连接数据采集卡17，数据采集卡17的输出端连接工控机16，工控机 16的输出端连接可控阻尼器10的控制端；
可控阻尼器10在得电状态时，其阻尼为大阻尼；失电状态时，其阻尼为小阻尼或无阻尼。当可控阻尼器10传导给基础11的阻尼力与低刚度元件9传导给基础11的弹簧力的方向相同时，工控机16向可控阻尼器10输出低电平信号，关闭可控阻尼器10；当所述阻尼力和弹簧力的方向相反，且两者矢量和的绝对值大于弹簧力的绝对值之时，关闭可控阻尼器；当所述阻尼力和弹簧力的方向相反，且当所述阻尼力和弹簧力的矢量和的绝对值小于弹簧力的绝对值之时，则开启所述可控阻尼器10。
在所述推力盘和所述基础之间安装一个或者多个的低刚度隔振元件和可控阻尼器。
优选地，在激振力的频率在0-50Hz，工控机16的开关控制算法数学表达式：
上式中，c为所述可控阻尼器10的阻尼值，v为所述推力盘8的速度，k为所述低刚度元件9的刚度，x为所述推力盘8的位移；
在激振力的频率超过50Hz之后，由于频率较高，且可控阻尼器存在一定的响应时间，所述控制算法将失去作用，此时关闭可控阻尼器10，使系统处于低阻尼状态，可以获得较好的隔振效果。
本实用新型所述的可控阻尼器只有两种阻尼状态：得电状态时，其阻尼为大阻尼，阻尼系数为con；失电状态时，其阻尼为小阻尼(或无阻尼)，阻尼系数为coff。针对所述可控阻尼器，必须要提出合适的控制策略及算法。本实用新型根据隔振系统中所述推力盘的位移和速度进行运算，然后根据计算结果切换可控阻尼器的开或关，使可控阻尼器处于得电、失电状态，实现对隔振系统阻尼参数的调整，进而减少振动轴系传向舰体。
本实用新型所用的开关控制算法所依据的控制策略如下所述。激振力通过所述隔振系统传至所述基础的力主要有弹簧力和阻尼力两部分组成。当两者的方向相同之时，关闭所述可控阻尼器；若两者的方向相反，且当阻尼力和弹簧力矢量和的绝对值大于弹簧力绝对值之时，同样关闭所述可控阻尼器；若两者的方向相反，且当阻尼力和弹簧力矢量和的绝对值和小于弹簧力绝对值之时，则开启所述可控阻尼器。
当激振力的频率较高时，由于可控阻尼器存在一定的响应时间，控制算法将不起作用，此时应关闭阻尼器，使系统处于低阻尼状态。
本实用新型的开关控制算法的数学表达式如下：
上式中的c为所述可控阻尼器的阻尼值，v为所述推力盘的速度，k为所述低刚度元件的刚度，x为所述推力盘的位移。可控阻尼器有对应的工作电压(例如24V)，得电时对应高阻尼，失电时对应低阻尼。上式阻尼值c事实上只有两个值，con和 coff，con时对应得电状态，coff对应为失电状态。
使用该开关控制算法，降低了共振频率附近力传递率的幅值，大大提高在共振频段附近的隔振效果；同时隔振系统的共振频率变得更小，将隔振频带向低频带拓展，在高频段也能有较好的隔振效果。
本实用新型的关键点是：
隔振系统的共振现象导致其在低频段的隔振效果较差，增大系统阻尼可以抑制低频段的共振，但同时会导致高频段的隔振效果变差。将变阻尼的半主动控制技术应用于隔振系统，可在抑制低频段共振的同时，在高频段也取得较好的隔振效果。
本实用新型的优点是：
1、由于抑制了隔振系统在低频段的共振振幅，使得隔振频段大幅度向低频拓展，且中高频段的隔振效果大幅度提高。
2、具有能耗低、系统简单可靠和稳定性好等特点
附图说明：
图1是本实用新型的结构示意图。4是螺旋桨，5是推进轴系，6是推力法兰，7是推力轴承，8是推力盘，9是低刚度元件，10是可控阻尼器，11是基础， 12是柔性联轴器、13是机组。
图2是发明专利CN102878237A中系统的结构示意图。14是动力吸振器、 15代表刚性连接。
图3是本实用新型控制系统结构示意图：16是工控机、17、是数据采集卡、 18是振动传感器，同时还包括图1中的可控阻尼器10；
图4是不采取隔振措施和本实用新型实施例的仿真结果对比图。曲线二是不采取隔振措施时的力传递率曲线，曲线一是使用本实用新型之后的力传递率曲线。
具体实施方式
以下有特定的具体实施例说明本实用新型的实施方案，熟悉此技术领域的人士可由本说明书容易的了解本实用新型的优点和作用。
参照附图1和附图3，一种针对推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统，包括轴系5、推力盘8、基础11，轴系5的后端连接螺旋桨4，前端通过柔性联轴器12连接机组13，轴系5上连接推进法兰6，推进法兰6的前端连接推力轴承7，推力轴承7的前端连接推力盘8，推力盘8与基础11之间设有若干个低刚度原件9，其特征在于：推力盘8与基础11之间还设有若干个可控阻尼器10，每个可控阻尼器10与低刚度原件9配对成组；推力盘8上设有振动传感器18，振动传感器18的输出端连接数据采集卡17，数据采集卡17的输出端连接工控机16，工控机16的输出端连接可控阻尼器10的控制端。
本实用新型的控制部分主要由振动传感器3、数据采集卡2和工控机1和可控阻尼器10组成。通过振动传感器3采集到推进系统中所述推力盘8的振动情况，经过数据采集卡2传到工控机3，再由工控机3根据既定的开关控制算法控制可控阻尼器10的开与关，实时改变系统的阻尼特性，进而改变隔振系统的频响特性，最终达到提高推进系统纵向振动隔振系统隔振效果的目的。
下面结合附图1进一步说明本实用新型的具体技术方案。机组13通过柔性联轴器12带动轴系5进而带动螺旋桨4转动，产生推进力。推力经过推力轴承 7之后，再经由在基础11和推力盘8之间安装的低刚度元件9和可控阻尼器10 传到基础11上。应当说明的是，低刚度元件9和可控阻尼器10的数量是可以变化的，以适应不同的载荷。
考虑系统的力传递率，提出以减小系统力传递率为目的的控制策略。激振力通过所述隔振系统传至所述基础11的力主要由弹簧力和阻尼力两部分组成，这两个力的方向不可控，但是其大小是可以改变的，当以上所述弹簧力和阻尼力的方向相同之时，关闭可控阻尼器10；当两者的方向相反，且当阻尼力和弹簧力之矢量和的绝对值大于弹簧力的绝对值之时，同样关闭可控阻尼器10；当两者的方向相反，当且当阻尼力和弹簧力之矢量和小于弹簧力的绝对值之时，则开启可控阻尼器10。
当激振力的频率较高时，由于可控阻尼器存在一定的响应时间，控制算法将不起作用，此时应关闭阻尼器，使系统处于低阻尼状态。
在0-50Hz，根据上述控制策略可以推导得到如下的开关控制算法数学表达式：
上式中，c为所述可控阻尼器10的阻尼值，v为所述推力盘8的速度，k为所述低刚度元件9的刚度，x为所述推力盘8的位移。
在超过50Hz之后，由于频率较高，且可控阻尼器存在一定的响应时间，所述控制算法将失去作用，此时关闭可控阻尼器10，使系统处于低阻尼状态，可以获得较好的隔振效果。
使用所述的开关控制算法，并结合所述实施例，在Matlab/Simulink模块中搭建系统的模型进行仿真分析。实施例的结构参数如表1所示。
表1实施例结构参数
由图4的仿真结果表明：使用所述的开关控制算法，可以大大降低共振频率附近力传递率的幅值，提高在共振频段附近的隔振效果；同时隔振系统的共振频率变得更小，将隔振频带向低频带拓展，在高频段也能有较好的隔振效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统，包括轴系(5)、推力盘(8)、基础(11)，轴系(5)的后端连接螺旋桨(4)，前端通过柔性联轴器(12)连接机组(13)，轴系(5)上连接推进法兰(6)，推进法兰(6)的前端连接推力轴承(7)，推力轴承(7)的前端连接推力盘(8)，推力盘(8)与基础(11)之间设有若干个低刚度元件(9)，其特征在于：推力盘(8)与基础(11)之间还设有若干个可控阻尼器(10)，每个可控阻尼器(10)与低刚度元件(9)配对成组；推力盘(8)上设有振动传感器(18)，振动传感器(18)的输出端连接数据采集卡(17)，数据采集卡(17)的输出端连接工控机(16)，工控机(16)的输出端连接可控阻尼器(10)的控制端；
可控阻尼器(10)在得电状态时，其阻尼为大阻尼；失电状态时，其阻尼为小阻尼或无阻尼；当可控阻尼器(10)传导给基础(11)的阻尼力与低刚度元件(9)传导给基础(11)的弹簧力的方向相同时，工控机(16)向可控阻尼器(10)输出低电平信号，关闭可控阻尼器(10)；当所述阻尼力和弹簧力的方向相反，且两者矢量和的绝对值大于弹簧力的绝对值之时，关闭可控阻尼器；若所述阻尼力和弹簧力的方向相反，且当所述阻尼力和弹簧力的矢量和的绝对值小于弹簧力的绝对值之时，则开启所述可控阻尼器(10)。
2.如权利要求1所述的推进轴系纵向振动的半主动控制隔振系统，其特征在于：在激振力的频率在0-50Hz，工控机(16)的开关控制算法数学表达式是：
上式中，c为所述可控阻尼器(10)的阻尼值，v为所述推力盘(8)的速度，k为所述低刚度元件(9)的刚度，x为所述推力盘(8)的位移；可控阻尼器有对应的工作电压，得电时对应高阻尼，失电时对应低阻尼；con时对应得电状态，coff对应为失电状态；
在激振力的频率超过50Hz之后，工控机(16)输出低电平，关闭可控阻尼器(10)。
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| CN113247225A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-08-13 | 中国舰船研究设计中心 | 一种水下航行器柔性推进系统及水下航行器 |
| CN115076222A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-20 | 中国舰船研究设计中心 | 一种推力与支撑功能解耦的推力轴承纵向减振装置 |
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| CN113247225A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-08-13 | 中国舰船研究设计中心 | 一种水下航行器柔性推进系统及水下航行器 |
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| CN115076222B (zh) * | 2022-06-29 | 2024-04-12 | 中国舰船研究设计中心 | 一种推力与支撑功能解耦的推力轴承纵向减振装置 |
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