专利名称：船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台的制作方法
技术领域：
本发明 涉及一种船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台。
背景技术：
海洋蕴含着丰富的资源，海洋资源是人类赖以生存的源泉。开发海洋资源成为世界各国未来发展的重大战略方向，为了更好地进行海洋资源开发，发展船舶技术是重要的技术基础和条件。近年来，美国、德国、日本、英国、印度等大国为了缓解国内资源短缺问题， 纷纷进军海洋资源开发，高度重视海洋资源开发战略，积极发展高新海洋技术，打造大型及超大型新型海洋船舶和工作平台，竞相争夺海洋资源。在我国，为了促进船舶经济和航运事业的发展，保障我国东南海域领土和海洋资源安全，迫切需要加强船舶理论和技术的创新。近年来，随着船舶的发展，大型和超大型油轮、海洋资源开采储运船舶、科考船舶、航空母舰及大型舰船等大型化船舶的技术参数变得越来越大，其持续航行功率达到60000多马力，船舶长度超过300m，吨位超过3X 105t和推进轴系直径在500mm以上。伴随着船舶推进装置的功率、尺寸等技术参数的大型化方向发展，船舶推进装置的工作可靠性、机舱综合噪声舒适度等新要求倍受船舶设计、建造、船检、 港监和航运等部门以及船员的高度重视和关注，对推进装置的运动动力学特性与其轴系校中、轴承支承、船体变形、船体振动、密封装置、主机工况、底座安装等多因素之间的耦合关系提出了新的技术问题，需要运用更完善、更精确的新理论进行船舶推进装置的性能论证和设计优化。若大型和超大型船舶的推进装置出现了故障，就有可能造成巨大的损失，甚至成为灾难，因此，加强超大船舶推进装置与船体之间的耦合动力学理论研究，既有重要的理论意义，又有船舶运输、国防装备和海洋资源开发战略等工程的迫切需要，其研究成果将会对国家的发展发挥重要作用。由于船舶大型化，近年来不少船舶在航行中屡屡产生尾管异常声响、尾管轴承烧熔、主机曲轴断裂、船体与机舱噪声大等故障，仅CCS上海船级社近三年内检验的大型油船、液化气体船、集装箱船和散货船等大型船舶出现此类故障高达数十起，严重影响推进装置的安全使用，从现有的船舶规范和理论去查找故障原因，无法查明故障具体产生的机理， 这说明大型化船舶的故障对现有的船舶规范和理论提出了需要进一步完善和发展的要求。船舶推进装置是一个多支承易变形的大尺度、大质量惯性动力学系统。在这个系统中，主机和推进器的质量惯性集中，位于推进轴系的两端，传动轴由多道轴承支承，位于系统中间，整个推进动力系统安装在船体上，船体的变形、各底座的变位不协调以及船舶的装载与运动状态等因素均对推进装置的工作状态、可靠性和运行性能产生不可忽视的影响。在船舶推进装置与船体这个复杂的动力学系统中，各参数之间的耦合作用和影响对小型船舶的影响不是很明显，而对于大型和超大型油轮、大型舰船、航母等大型船舶则成了不可忽视的新理论问题。大型船舶的出现，推进装置中的主机和推进方式有了新的发展，船舶主机除了低速内燃机外，新型大功率燃气轮机、电力推进装置、混合动力和多机并车等在船上尤其是民用船舶上得到积极应用，这种新型大功率主机及其推进装置-船体的耦合关系成了船舶大型化进程中必须面对的新问题，船舶轴系校中、振动和机舱综合舒适度如何评定成了一个技术难题。同时，大型船舶推进装置-船体动力学系统(如图1所示)具有自身的动力学特殊性，一是船舶推进动力装置-船体结构具有强耦合性，是一个由往复运动和回转运动复合而成的复杂大惯性、大尺寸动力学系统，运动的脉动性和冲击性大，一般常规的转子—— 轴承动力学理论还不能解决船舶推进装置中的动力学问题；二是船舶推进装置——船体系统工作在具有流动性的水上或水下，船体结构变形、装载和船体运动通过底座对船舶推进装置的轴系对中、振动发生耦合作用，影响船舶推进装置运行的可靠性和稳定性。所以船舶推进装置与船体间的耦合动力学系统的行为更复杂，耦合影响因素更多，存在需要深入研究的科学问题。 总之，大型船舶推进装置与船体耦合系统动力学研究，对于船舶性能和航运技术发展具有重要的理论研究和工程应用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台。模拟船机轴在实际工作过程中因船舱壁变形对其产生的影响，为船机轴的结构及其安装方式的优化设计提供依据，该试验台主要针对船机轴试验专门开发设计的，可设置多个激振点，每个激振点分两个方向，能真实的模拟船机轴的实际工作状况。本发明是通过以下的技术方案实现一种船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台(参见图2和图3)，该试验台主要由驱动电机、减速机、试件安装支架、激振器、测控系统和摇摆系统组成；所述的测控系统由工控机、力传感器、数据传输系统和控制仪组成，力传感器将采集到的数据通过数据传输系统输入工控机，在用户界面进行显示，并根据用户输入通过控制仪对激振器进行操作；所述的摇摆系统由三轴伺服控制系统和三轴摇摆台组成，通过三轴伺服控制系统来控制摇摆台的运动；所述的驱动电机连接在减速机上，通过弹性联轴器与试件轴连接在一起，试件轴两端各设一个固定支承架支承，试件轴中间多处安放浮动支承，试件安装支架下方放置摇摆台，所述的激振器有多组，安装在试件安装支架上。本发明的技术方案中，所述的激振器包括竖直激振器和水平激振器，对各支承点做两向激振，所述的竖直激振器和水平激振器各激振头前配力传感器，形成激振力环闭测控系统，并按用户的要求输入来控制相位差。本发明的技术方案中，驱动电机使用常见的工业用电，供电电压为AC380V，频率为 50Hz。驱动电机的输出轴进入减速机减速，减速机的输出轴通过弹性联轴器带动机轴转动， 且尾轴上可附加相应的载荷，通过激振器获得所需振动频率。本发明的技术方案中，激振器由液压油源提供能量，测控系统中的控制仪通过比例阀控制输出能量的大小，安装在激振器头部前端头前端的力传感器检测实际输出能量的大小，控制参数和实时测量值同时由显示设备显示。本发明的试验台的用法，其安装在试件安装支架上激振器，不同组的激振器同时使用，或只选用其中几组使用，其激振力大小由控制液压油源的控制仪通过比例阀控制，各激振点相位差通过对各激振器通断来控制。本发明的试验台的用法，摇摆台与激振器分别控制，摇摆台通过三轴伺服系统来控制，激振器由液压油源提供能量，由控制仪通过比例阀控制，安装在激振器头部前端头前端的 力传感器提供反馈，摇摆台为船机轴提供海洋波浪的模拟，激振器用于模拟机轴的局部受力。本发明的试验台的用法，测控时使用多通道激振测控系统对试件轴的振动频率进行测量。本发明的技术方案中，三轴伺服控制系统通过改变三轴摇摆台的内、中、外3个框的转角来完成船舶横摇、纵摇、艏摇三自由度运动的模拟，内框转动模拟船舶的横摇(0° 士45° )运动，中框的转动模拟纵摇(0° 士20° )运动、外框的转动模拟艏摇(0° 士 15° )运动。本发明的试验台的用法，试件轴的负载通过加载装置获得。本发明所达到的有益效果(1)校正被试件传递的功率、扭矩。(2)轴系校中。(3)考核尾轴、尾管的抗磨损能力。(4)考核轴上密封件在摇摆过程中的密封能力。(5)船机轴的抗冲击载荷能力。
图1推进装置安装模型图2试验台结构主视示意3试验台结构俯视示意中1驱动电机、2减速机、3弹性联轴器、4轴端支承架、5竖直激振器、6水平激振器、7试件轴、8试件安装支架。
具体实施例方式船机轴安装在船舱壁的支承点上，当船舱受外力作用，舱壁变形，使得轴的支承点产生相对位移或相对位移趋势，采用附图2、3所示的船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台装置模拟上述工况，检验试件轴在上述工况下的设计合理性、可靠性、并对其寿命进行预测。
具体实施方式
如下1)驱动电机1的输出轴进入减速机2减速，减速机2的输出轴通过弹性联轴器3 带动试件轴7转动，试件轴7的两端各设一个轴端支承架4固定支承，轴中安放了五处浮动支承(以五处浮动支承为例)，由五组激振器(一个竖直激振器5和一个水平激振器6为一组，共五组)支承并激振，如图2、3所示，五组激振器可同时使用，也可以只用其中几组，以便满足用户不同支承点数的需求。激振器由液压油源提供能量，由控制仪通过比例阀控制，安装在激振器头部前端的力传感器提供反馈，控制参数和实时测量值同时直观地反映在显示器上，这样就能完全复现船机轴在工作情况下的受力情况，并完成校正被试件轴传递的功率、扭矩；轴系校中；尾轴、尾瓦的抗磨损能力的测试。
2)将步骤1)中的设备固定在摇摆台上，即可实现所有预定的功能。摇摆台与激振器系统分别控制，摇摆台为船机轴提供海洋波浪的模拟，激振器模拟船机轴的局部受力，从而该船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台可更真实的模拟被试试件轴的工作环境。
权利要求
1.船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台，其特征在于该试验台主要由驱动电机 (1)、减速机(2)、试件安装支架(8)、激振器、测控系统和摇摆系统组成；所述的测控系统由由工控机、力传感器、数据传输系统和控制仪组成，力传感器将采集到的数据通过数据传输系统输入工控机，在用户界面进行显示，并根据用户输入通过控制仪对激振器进行操作；所述的摇摆系统由三轴伺服控制系统和三轴摇摆台组成，通过三轴伺服控制系统来控制摇摆台的运动；所述的驱动电机(1)连接在减速机(2)上，通过弹性联轴器(3)与试件轴(7)连接在一起，试件轴(7)两端各设一个固定支承架(4)支承，试件轴中间多处安放浮动支承， 试件安装支架(8)下方放置摇摆系统，所述的激振器有多组，安装在试件安装支架(8)上。
2.根据权利要求1所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台，其特征在于所述的激振器包括竖直激振器(5)和水平激振器(6)，对各支承点做两向激振，所述的竖直激振器和水平激振器各激振头前配力传感器，形成激振力环闭测控系统，并按用户的要求输入来控制相位差。
3.根据权利要求1所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学实验台，其特征在于驱动电机使用的供电电压为AC 380V,频率为50Hz。
4.根据权利要求2所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学实验台，其特征在于激振器由液压油源提供能量，测控系统中的控制仪通过比例阀控制输出能量的大小，安装在激振器头部前端的力传感器检测实际输出能量的大小，控制参数和实时测量值同时由显示设备显不。
5.根据权利要求1或2所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台的应用，其特征在于安装在试件安装支架(8)上激振器，其激振力大小由控制液压油源的控制仪通过比例阀控制，各激振点相位差通过对各组激振器的通断来控制，不同组的激振器同时使用， 或只选用其中几组使用。
6.权利要求1或2所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学实验台的应用，其特征在于摇摆台与激振器分别控制，摇摆台通过三轴伺服系统来控制，激振器由液压油源提供能量，由控制仪通过比例阀控制，安装在激振器头部前端的力传感器提供反馈，摇摆台为船机轴提供海洋波浪的模拟，激振器模拟机轴的局部受力。
7.根据权利要求1或2所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学实验台的应用，其特征在于使用多通道激振测控系统对机轴的振动频率进行实时测量。
8.根据权利要求所述的船舶推进装置与船体的耦合动力学实验台的应用，其特征在于试件轴的负载通过加载装置获得。
全文摘要
本发明涉及一种船舶推进装置与船体的耦合动力学试验台。试验台主要由驱动电机、减速机、试件安装支架、激振器、力传感器、测控系统、摇摆系统组成；驱动电机经减速机减速，通过弹性联轴器带动被试件轴转动，被试件轴两端各设一个固定支承点，轴中多处安放浮动支承；试件安装支架下方放置摇摆台。本试验台针对船机轴试验开发设计，浮动支承设置了激振点，每个激振点可产生两个方向的激振，可测量外加载荷、轴承支承力、轴功率、轴系振动等数据，通过还原机轴在实际使用中因舱壁受外力作用而对其产生的影响，从而为轴的结构及安装方式的优化设计提供依据。
文档编号G01M13/04GK102221461SQ20111015512
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者严新平, 刘正林, 宗成强, 朱汉华, 李志雄, 袁成清, 郭智威 申请人:武汉理工大学