一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统的制作方法

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统。

背景技术：

对于直接传动形式的船舶而言，主推进轴系是其动力装置必不可少的组成部分，包括从主机输出端推力轴承到推进器之间的传动轴以及轴上的附件。主推进轴系作为扭矩推力的转换装置，其主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力传递给船体进而推动船舶航行。

船舶推进轴系是一个连续弹性体，螺旋桨在不均匀的尾流场中旋转产生的不均匀推力以及主机装置产生的不均匀轴向力，使推力轴系产生不均的轴向位移，这种现象便是船舶上常见的推力轴系轴向振动。船舶推进轴系轴向振动会导致主机、传动装置和轴系的故障，如采油机曲轴弯曲疲劳损坏、推力轴承松动以及传动齿轮的磨损等，严重的还会导致机架振动，并且引起船舶上层建筑的振动。很多民用实船测试表明，推进轴系的轴向振动是引起上层建筑纵向振动的主要原因之一。

减小振动的方法一般分为主动控制和被动控制。振动被动控制技术由于不需要外界提供能量，装置结构简单，易于实现，经济型和可靠性好，且在许多工程场合下对较宽频率范围内的振动均有较好的控制效果。但是随着舰船和潜艇的隐身性能要求的逐步提高，振动被动控制的局限性逐渐暴漏出来。例如隔振器的阻尼对提高隔振效果不利，同时过低的系统频率需要较低的刚度配合，会导致静变形过大和失稳问题。但是振动主动控制可以自动跟踪外扰频率变化，可以有效控制低频振动，具有效果好、适应性强等潜在优势。

振动主动控制是在现代理论控制基础上发展起来的，其发展大致分为三个阶段：初级阶段(上世纪80年代)主要是主动控制理论算法研究，分析结构主动控制的方法和效果；第二阶段(上世纪90年代)是结构振动主动控制试验研究阶段，研究各种作动器和制动器；第三阶段(上世纪90年代后至今)是工程应用阶段。

舰船动力装置的低频振动线谱能量较大，是振动主动控制技术在船舶工程领域内的主要应用对象。上世纪80年代，神户大学就研制出船用柴油机双层主动隔振装置，已应用于实船并取得良好的隔振效果；川崎重工采用电磁式主动执行机构代替液压伺服机构，研制针对柴油发电机组的主动隔振技术；瑞典和澳大利亚的学者对舰船的主、辅机主动消振技术进行相关研究，通过拾取振源的转速和相位，驱动电机带动二个反向旋转的偏置质量产生频率、大小及相位可自动调节的主动控制力对主、辅机的振动进行主动控制，研制的电磁式和电动式主动控制作动器已用于控制舰船舰部甲板、动力装置和浮筏的低频振动。国内哈尔滨工程大学动力装置工程技术研究所对舰船主辅机动力装置主动隔振和主动吸振技术、海水泵主动隔振技术、管路主动吸振技术和甲板类结构主动消振技术等进行过相关理论与试验研究，并研制出多种主动控制作动器。

就目前而言，船舶推进轴系振动的主动控制主要存在以下问题：不能满足螺旋桨的独特要求，也不能有效地控制轴系激励，存在较大的磨损，维护保养成本高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统，该系统通过安装在推力轴承基座上的双向主动电磁控制器来施加作用力，双向主动电磁控制器的独特性能可以满足螺旋桨的独特要求，并在控制轴系激励方面有效，在操作期间没有磨损，维护保养成本低。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统，所述控制系统安装在船舶推进轴系上，所述船舶推进轴系包括弹性联轴器、船舶动力装置、轴承基座、径向轴承、螺旋桨和推力轴承，上述部件沿着推力轴系轴向分布，所述推力轴承位于轴承基座上，用于将船舶动力装置中的动力传输到螺旋桨上；所述控制系统包括双向主动电磁控制组件，所述双向主动电磁控制组件安装在推力轴承的基座上，用于根据轴向振动进行双向施加轴向力，减少轴系运转过程中带来的轴向振动。

进一步地，所述双向主动电磁控制组件包括位移传感器、信息分析控制器、功率放大器和双向主动电磁控制器；所述位移传感器安装在推力轴承上，用于对轴系轴向位移进行测量，并将位移信号传递给信号分析控制器；所述信号分析控制器的两端分别连接位移传感器和功率放大器，用于将位移传感器传递过来的位移信号转换为电信号并将电信号传递给功率放大器；所述功率放大器的输出端与双向主动电磁控制器相连，用于将电信号电压进行放大并将放大后的电信号传送给双向主动电磁控制器；所述双向主动电磁控制器位于推力轴承附近的轴系上，用于产生双向的轴向力。

优选地，所述信号分析控制器包括两个模块，分别是信号转化模块和控制模块，所述信号转化模块将位移传感器传递过来的位移信号转化为电信号，所述控制模块通过一组算法控制确定双向主动电磁控制器上的轴向力。

优选地，所述双向主动电磁控制器包括两个单向主动电磁控制器，分别是第一单向主动电磁控制器和第二单向主动电磁控制器；所述第一单向主动电磁控制器和第二单向主动电磁控制器结构相同，位于推进轴系上径圈的两侧，分别由第一控制电流和第二控制电流来控制；每个单向主动电磁控制器只产生引力，两个单向主动电磁控制器产生的合力为双向主动电磁控制器最终的作用力。

优选地，每个单向主动电磁控制器主要由线圈骨架、线圈、电磁铁和外壳构成；所述线圈缠绕在线圈骨架上，所述线圈骨架固定在电磁铁上，最终置于外壳之中。

优选地，所述信号分析控制器通过控制第一控制电流和第二控制电流来分别控制第一单向主动电磁控制器和第二单向主动电磁控制器。

优选地，所述双向主动电磁控制器的负载能力可达40n/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)结构合理，电磁控制器可以根据轴向振动来施加轴向力，可以有效减少轴系运转过程中带来的轴向振动。

(2)综合性解决了螺旋桨轴系轴向振动的情况，对减小轴系振动的控制有明显的效果，通过最终的电磁控制器来施加控制力。

(3)双向主动电磁控制器的负载能力可达到20n/cm²甚至40n/cm²，轴系轴向振动的频率范围也在双向电磁控制器范围内。

(4)在操作期间没有磨损，双向主动电磁控制器的摩擦损失很小，保养和成本也很低。

附图说明

图1是本发明所提供的一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统的结构示意图。

图2是本发明所提供的一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统总双向主动电磁控制器的结构示意图。

附图标记说明：1、位移传感器；2、信息分析控制器；3、功率放大器；4、双向主动电磁控制器；4-1、第一单向主动电磁控制器；4-2、第二单向主动电磁控制器；5、双向主动电磁控制组件；6、弹性联轴器；7、船舶动力装置；8、轴承基座；9、径向轴承；10、螺旋桨；11、推力轴承；12、径圈；i1、第一控制电流；i2、第二控制电流。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明公开了一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统，所述控制系统安装在船舶推进轴系上，所述船舶推进轴系包括弹性联轴器6、船舶动力装置7、轴承基座8、径向轴承9、螺旋桨10和推力轴承11，上述部件沿着推力轴系轴向分布，所述推力轴承11位于轴承基座8上，用于将船舶动力装置7中的动力传输到螺旋桨10上；所述控制系统包括双向主动电磁控制组件5，所述双向主动电磁控制组件5安装在推力轴承11的基座上，用于根据轴向振动进行双向施加轴向力，减少轴系运转过程中带来的轴向振动。

具体地，所述双向主动电磁控制组件5包括位移传感器1、信息分析控制器2、功率放大器3和双向主动电磁控制器4；所述位移传感器1安装在推力轴承11上，用于对轴系轴向位移进行测量，并将位移信号传递给信号分析控制器2；所述信号分析控制器2的两端分别连接位移传感器1和功率放大器3，用于将位移传感器1传递过来的位移信号转换为电信号并将电信号传递给功率放大器3；所述功率放大器3的输出端与双向主动电磁控制器4相连，用于将电信号电压进行放大并将放大后的电信号传送给双向主动电磁控制器4；所述双向主动电磁控制器4位于推力轴承11附近的轴系上，用于产生双向的轴向力。

具体地，所述信号分析控制器2包括两个模块，分别是信号转化模块和控制模块，所述信号转化模块将位移传感器1传递过来的位移信号转化为电信号，所述控制模块通过一组算法控制确定双向主动电磁控制器4上的轴向力。

具体地，如图2所示，所述双向主动电磁控制器4包括两个单向主动电磁控制器，分别是第一单向主动电磁控制器4-1和第二单向主动电磁控制器4-2；所述第一单向主动电磁控制器4-1和第二单向主动电磁控制器4-2结构相同，位于推进轴系上径圈12的两侧，分别由第一控制电流i1和第二控制电流i2来控制；每个单向主动电磁控制器只产生引力，两个单向主动电磁控制器产生的合力为双向主动电磁控制器4最终的作用力。

具体地，每个单向主动电磁控制器主要由线圈骨架、线圈、电磁铁和外壳构成；所述线圈缠绕在线圈骨架上，所述线圈骨架固定在电磁铁上，最终置于外壳之中。

具体地，所述信号分析控制器2通过控制第一控制电流i1和第二控制电流i2来分别控制第一单向主动电磁控制器4-1和第二单向主动电磁控制器4-2。

具体地，所述双向主动电磁控制器4的负载能力可达40n/cm²。

实施例

一种用于船舶推进轴系振动的双向主动电磁控制系统，包括双向主动电磁控制组件5、弹性联轴器6、船舶动力装置7、轴承基座8、径向轴承9、螺旋桨10和推力轴承11，这些部件沿着推力轴系轴向分布，其目的是将主机中的动力传输到螺旋桨上。其中双向主动电磁控制组件5又包括位移传感器1、信息分析控制器2、功率放大器3和双向主动电磁控制器4，双向主动电磁控制器4又由两个单向主动电磁控制器、即第一单向主动电磁控制器4-1和第二单向主动电磁控制器4-2组成。两个单向主动电磁控制器分别由两个独立的电流(第一控制电流i1和第二控制电流i2)来控制，并分别由信号分析控制器2来控制，每个单向主动电磁控制器只产生引力，两个单向主动电磁控制器产生的合力为双向主动电磁控制器4最终的作用力。

本装置的工作原理如下：在轴系运转期间，包括螺旋桨在内的各种激励使轴系产生了轴向位移。安装在推力轴承11上的位移传感器1可以对轴系轴向位移进行测量，并将位移信号传递给信号分析控制器2。接着信号分析控制器2将电信号传递给功率放大器3，功率放大器3将信号分析控制器2传来的电信号电压进行放大，通过选择合适的功率放大器3，可以消除电流对电压的不必要的非线性依赖性。这里使用的功率放大器提供了一个电流输出反馈电路，可以连续检测负载的电流消耗，然后将检测反馈到控制电路以启动调节来补偿电流损失。最后电信号传到了双向主动电磁控制器4，双向主动电磁控制器4由两个单向的主动电磁控制器组成，每个单向主动电磁控制器分别由两个电流控制，单向主动电磁控制器各自产生引力，双向主动电磁控制器最终产生的控制力为两个单向主动电磁控制器的合力。

所述信号分析控制器2分为两个模块，分别是信号转化模块和控制模块，信号转化模块将移传感器1传来的位移信号转化为电信号，控制模块则通过一组算法控制，确定如何以及何时在单向主动电磁控制器上分配力。

所述双向主动电磁控制器4由两个单向主动电磁控制器组成，两个单向主动电磁控制器由信号分析控制器2通过一种算法来控制，当双向主动电磁控制器4发出最大控制力时，则控制单向主动电磁控制器中的电流一个为最大电流，另一个则为零。控制器由线圈骨架、线圈、电磁铁和外壳构成，线圈缠绕在线圈骨架上，线圈骨架固定在电磁铁上，最终置于外壳之中。双向主动电磁控制器4通过信号分析控制器2的控制，对控制单向主动电磁控制器的电流进行合理化分布，使得控制器最终的合力输出相比较传统单向控制器而言，更为灵敏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。