一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置及测试方法

1.本发明属于船舶机械振动测试领域，具体涉及一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置及测试方法。


背景技术：

2.船舶推进系统中，推进轴系连接电机和螺旋桨，将电机发出的功率传递给螺旋桨，并将螺旋桨旋转产生的推力传递给船体，实现船舶前进。船舶轴系振动会引起电机以及船体振动,影响船舶航行安全。传统的船舶轴系振动分析是指轴系的扭转振动、回旋振动纵向振动以及这三种振动之间的耦合振动。船舶轴系在安装时不可避免的存在偏差导致轴系不对中的情况发生，非对中轴系在运转时会产生剧烈振动严重影响船舶使用，掌握船舶轴系因安装、碰撞等不可避免因素导致轴系不对中而产生的振动响应，可为船舶防护及运行提供支撑。因此设计一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，可模拟船舶由于安装、碰撞、使用所造成推进轴系不对中振动试验，为船舶轴系设计、使用及维修提供实质性帮助。
3.通过对现有文献及专利检索发现，与本发明类似的公开资料主要包括：1、实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置（授权公布号：cn106996871b）；2、船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法（授权公布号：cn108827630b）；3、基于船舶推进系统特性船体艉部结构垂向振动试验（噪声与振动控制. 2014,34(06)）。
4.文献1公开了一种实尺度船舶推进轴系振动传递特性试验装置，可在轴系旋转时实现轴向静推力、轴向和径向动态力加载以及扭矩负载，同时还具有轴系对中状态调节功能，可进行不同校中状态下轴承支反力测量﹑基座振动测量以及轴系振动及其传递特性测试，但难以实现船舶轴系多个方向复杂非对中试验，且不能实现桨轴尺寸调节，只适用于特定的螺旋桨推进轴系结构，与本发明之间存在明显差异。文献2公开了船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，将实际轴系转化为数据描述，得到参数ansys命令流，进行模态计算求解固有频率与固有振型；设定求解频率范围与载荷步长；进行响应计算，得出螺旋桨各阶叶频次激励下轴系关键点角位移随轴系转速的变化曲线、合位移等值曲线，但该方法适用于船舶仿真计算领域。文献3以实船为研究对象，以不同螺旋桨转速为变量研究船体艉部结构在主推进系统不同工况条件下的垂向振动规律，虽然试验具有参考性，但在试验前期需要对测点选取、试验时大量布线、试验后的数据处理，经济成本较高且不能模拟推进轴系不对中的条件。
5.综上所述，目前已公开可检索的文献、专利与本发明之间存在较大差异，集中体现在结构形式、实现功能和经济成本等方面。因此，本发明设计了一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，具备结构简单、适用范围广、经济成本低、贴合实际等特点，对于船舶推进轴系非对中振动测试的开展具有重要意义。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提供一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置及测试方
法，模拟螺旋桨轴系因安装、碰撞、运行过程导致轴系状态变化下径向振动、振幅以及轴向位置的非对中振动状态，本发明结构简单、适用范围广、经济成本低、贴合实际，可为船舶轴系设计、安装、维护提供理论和技术支持。
7.技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的螺旋桨轴系非对中振动试验装置，包括试验台、非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、螺旋桨轴、螺旋桨试验模型、水槽、电机传动结构及振动测试系统；所述非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、电机等依次安装在试验台支架上；所述螺旋桨轴穿过非对中轴系调节夹具和轴向力承力结构，两端分别联接电机传动结构和螺旋桨试验模型；所述非对中轴系调节夹具用于实现螺旋桨推进轴系平行不对中、偏角不对中以及平行偏角不对中等结构状态；所述螺旋桨试验模型伸出试验台并浸入水槽，用于模拟螺旋桨真实负载环境；所述振动测试系统包括电涡流位移传感器、转矩转速传感器、振动加速度传感器以及变频器。
8.使用时，试验台位于最下方与地面连接，起固定作用；非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、电机等依次安装在试验台支架上，其中非对中轴系调节夹具可实现螺旋桨推进轴系平行不对中、偏角不对中以及平行偏角不对中等结构状态；电机为螺旋桨提供动力，阻尼弹簧减振器位于电机下方，减小电机自身振动对试验结果的误差；在试验台螺旋桨安装端固定一个装有液体的水槽，用于模拟螺旋桨真实负载环境；振动测试系统由电涡流位移传感器、转矩转速传感器、振动加速度传感器以及变频器组成；除一体化结构外，其他结构均采用螺栓连接。
9.进一步的，根据实际情况选择水槽中的液体，基于船舶轴系大小调节螺旋桨轴长度以及尺寸，并安装固定、调节非对中轴系调节夹具、滑动轴承尺寸以及电机传动结构位置实现不同长度、不同尺寸螺旋桨轴系试验准备工作；更进一步的，可在试验台上方布置多个非对中轴系调节夹具，实现螺旋桨轴间复杂多重不对中试验工况，使试验工况更全面；更进一步的，在螺旋桨轴系周围布置相同个数的电涡流位移传感器，测试推进轴承径向振动、振幅以及轴向位置，分析螺旋桨轴系不对中状态下的振动情况。
10.在承力结构面板两侧以及试验台面板两侧布置振动加速度传感器，对测试数据进行整理，分析桨轴激励下的结构振动响应，模拟桨轴船耦合作用下的结构振动特性；在电机前方桨轴上安装转矩转速传感器，可精确测量轴承连接处扭矩、螺旋桨试验模型转速；更进一步的，在螺旋桨轴系非对中振动试验的过程中，通过变频器调节电机工作电源频率，进而实现电机转速的调节，支撑开展不同转速下的轴系振动试验。
11.有益效果：本发明的螺旋桨轴系非对中振动试验台及测试方法，不仅可进行空载状态下螺旋桨推进轴系不对中条件下的振动测试，且可根据实际情况选择不同环境下螺旋桨推进轴系不对中振动试验；更进一步，可在试验台上方布置多个非对中轴系调节夹具，实现螺旋桨轴间复杂多重不对中试验工况，试验工况更全面，为船舶轴系设计、安装、维护提供理论和技术支持。
附图说明
12.图1 本发明实施例的螺旋桨轴系非对中振动试验装置的结构图；图2 非对中轴系调节夹具立体图；图3 非对中轴系调节夹具剖面图；图4 轴向力承力结构立体图；图5 轴向力承力结构剖面图；图6电机传动结构立体图；图7 试验台立体图；图中：1．水槽；2. 非对中轴系调节夹具；3. 振动加速度传感器；4. 试验台；5. 电机传动结构；6. 轴向力承力结构；7.电涡流位移传感器；8.螺旋桨试验模型；9.滑动轴承座；10.垂向调节锁紧螺栓；11.水平调节锁紧螺栓；12.垂向调节螺杆；13.水平调节螺杆；14.滑动轴承；15.高度调节上滑块；16.调节面板；17.高度调节上滑块；18.垂向调节限位柱；19.垂向调节螺杆座；20.水平调节螺杆座；21.轴承座；22.轴承压盖；23.双列推力球轴承；24.轴承锁紧螺母；25.骨架油封密封圈；26.螺旋桨主轴；27.联轴器；28.电机；29.转矩转速传感器；30.传感器底座；31.电机底座；32. 阻尼弹簧减振器；33.电机传动结构底板；34.固定孔；35.基座脚垫；36.滑动轨道。
具体实施方式
13.实施例：本实施例的试验装置如图1所示，整体结构长4220mm，宽800mm，高935mm，由水槽1、螺旋桨试验模型8、螺旋桨主轴26、非对中轴系调节夹具2、轴向力承力结构6、电机传动结构5以及试验台4七大主要部分组成；其中试验台底座4位于最下方，与地面相连保障试验装置稳定性；在试验装置末端地面上固定水槽1，并将螺旋桨试验模型8浸泡在水槽1中，其中水槽可根据实际情况选择液体，模拟真实航行情况下流体作用；使试验更贴近真实情况。在试验台4上方依次安装非对中轴系调节夹具2、轴向力承力结构6、电机传动结构5，并通过螺旋桨主轴26与螺旋桨试验模型8相连接；除一体化结构外，各结构、装置之间均采用螺栓连接，结构简单拆装方便。
14.根据设计要求，水槽1整体结构长800mm，宽800mm，高1000mm，水槽1位于试验装置末端固定在地面上，顶面开口，右侧开孔通过螺旋桨主轴26与螺旋桨试验模型8相连，主要模拟真实情况下流体对螺旋桨的影响，且其中液体可根据实际试验情况进行更换；在螺旋桨尾轴设置多道密封环，环与环之间填充空气、润滑油，并且施加压力从而达到与密封装置外部水的压力一致，达到防水的效果。
15.螺旋桨主轴26主要分三块，左右两块长540mm、直径50mm，中间桨轴直径50mm，长度可根据螺旋桨轴系长短设计，其中左右两块首尾分别与螺旋桨试验模型8、电机28连接，另外两端分别设置自锁死螺纹与中间轴连接，防止螺旋桨转动时连接处松弛，导致试验结果存在误差。中间轴长度可根据试验需求进行加工；电机传动装置底座通过螺栓与试验台相连，且在试验台上方安装滑动轨道，可根据螺旋桨轴长度进行调整，可实现不同长度螺旋桨轴系振动试验，并在螺旋桨轴中部布置两个电涡流位移传感器，用于测试推进轴径向振动、振幅以及轴向位置，分析螺旋桨轴系不对中状态下的振动情况。
16.如图2和图3所示，非对中轴系调节夹具2采用一体化结构，整体结构长800mm，宽520mm，高500mm，主要包括滑动轴承9、高度调节上滑块15、调节面板16、高度调节下滑块17、垂向调节限位柱18五大主要结构；其中底板位于调节装置的最底部，与试验台4连接保证整体结构稳定，由高度调节上滑块15、调节面板16、高度调节下滑块17、垂向调节限位柱18组成的结构位于底板中部，主要起模拟推进轴平行不对中、偏角不对中以及平行偏角不对中等试验结构状态；最后滑动轴承9固定在高度调节上滑块15之上，各结构、装置之间均采用螺栓连接；在试验台4上布置几组相同的非对中轴系调节夹具2，通过非对中轴系调节夹具2上的垂向调节螺杆12和水平调节螺杆13实现螺旋桨轴间复杂多重不对中试验工况。
17.如图4和图5所示，轴向力承力结构6整体结构长700mm，宽350mm，高500mm，底板厚30mm，底板上方开8个开孔直径为20mm的固定孔，用于与电机传动装置底座固定；在轴承座21上开6个开孔直径为20mm的固定孔，用于固定轴承压盖22；在轴向力承力结构6上布置振动加速度传感器，测试螺旋桨振动传递至推力轴承的振动响应。
18.如图6所示，电机传动结构5整体结构长1250mm，宽650mm，高695mm，电机传动装置底座厚20mm，电机底座31厚40mm；前者上方开16个开孔直径为8mm的固定孔，后者上方开8个开孔直径为10mm的固定孔，用于阻尼弹簧减振器32的安装固定，阻尼弹簧减振器32主要起减振的作用，减小电机自身振动对试验结果的误差。
19.如图7所示，试验台4整体结构长4220mm，宽800mm，高200mm，在试验台4上表面设置滑动轨道36，用于电机传动结构5的移动；并在试验台4上方开20个20mm的固定孔，分别用于非对中轴系调节夹具2以及轴向力承力结构6的安装固定；在靠近电机传动结构5一侧开16个8mm的固定孔，用于电机传动结构5的安装固定；在试验台底部设置方型基座脚垫35，垫高装置便于安装，并在试验台上表面布置振动加速度传感器，分析桨轴激励下的结构振动响应。
20.使用上述试验装置测试螺旋桨轴系非对中振动的方法，包括以下步骤步骤一、根据不同船舶螺旋桨推进轴系实际情况，调节螺旋桨轴长度以及尺寸，并基于桨轴长度调整电机传动结构位置，完成试验结构安装，需避免随着螺旋桨转动，轴承之间存在松动；根据船舶航行区域不同，选择水槽中的流体介质；步骤二、通过调节试验装置上的非对中轴系调节夹具，实现螺旋桨轴间平行不对中、偏角不对中、平行偏角不对中等功能；并在试验台上方布置多个非对中轴系调节夹具，模拟推进轴系复杂多重不对中情况；步骤三、在两两非对中轴系调节夹具之间，布置相同个数的电涡流位移传感器，测试推进轴径向振动、振幅以及轴向位置，分析螺旋桨轴系不对中状态下的振动情况；在承力结构面板两侧以及试验台面板两侧布置振动加速度传感器，对测试数据进行整理，分析桨轴激励下的结构振动响应，模拟桨轴船耦合作用下的结构振动特性；在电机前方桨轴上安装转矩转速传感器，精确测量轴承连接处扭矩、螺旋桨试验模型转速。

技术特征：
1.一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，其特征在于：包括试验台、非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、螺旋桨轴、螺旋桨试验模型、水槽、电机传动结构及振动测试系统；所述非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、电机等依次安装在试验台支架上；所述螺旋桨轴穿过非对中轴系调节夹具和轴向力承力结构，两端分别联接电机传动结构和螺旋桨试验模型；所述非对中轴系调节夹具用于实现螺旋桨推进轴系平行不对中、偏角不对中以及平行偏角不对中等结构状态；所述螺旋桨试验模型伸出试验台并浸入水槽，用于模拟螺旋桨真实负载环境；所述振动测试系统包括电涡流位移传感器、转矩转速传感器、振动加速度传感器以及变频器。2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置及测试方法，其特征在于：通过试验台上的非对中轴系调节夹具，在水平和垂直方向调节螺旋桨主轴，实现螺旋桨主轴在水平和垂直方向的中心偏移，模拟螺旋桨主轴非对中情况下，轴系径向振动、振幅以及轴向位置变化；且非对中轴系调节夹具通过螺栓与试验台支架相连，方便拆装；在试验台上方布置多个非对中轴系调节夹具，实现螺旋桨轴间复杂多重不对中试验工况。3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，其特征在于：所述水槽位于螺旋桨安装端，将螺旋桨试验模型浸没其中，在螺旋桨尾轴设置多道密封环，环与环之间填充空气、润滑油，并且施加压力从而达到与密封装置外部水的压力一致；并将试验模型、电机通过螺旋桨轴相连组成螺旋桨推进轴系统；基于船舶航行区域选择水槽中所装液体，模拟真实流体情况下，螺旋桨轴系振动情况。4.根据权利要求1所述的一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，其特征在于：试验台上方螺旋桨轴一端与螺旋桨试验模型相连，另一端与电机相连，与中间螺旋桨轴相连位置设置自锁死螺纹，中间轴左右两端均设置自锁死螺纹，与两端桨轴相连；中间轴长度根据试验需求进行加工；电机传动装置底座通过螺栓与试验台相连，且在试验台上方安装滑动轨道，根据螺旋桨轴长度进行调整。5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置，其特征在于：所述振动测试系统中的电涡流位移传感器是一种非接触的线性化计量工具，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集轴系径向振动、振幅以及轴向位置等螺旋桨轴振动状态的多种参数；转矩转速传感器可精确测量轴承连接处扭矩、螺旋桨试验模型转速；振动加速度传感器布置于轴向力承力结构以及试验台表面，用于分析桨轴激励下的结构振动响应，模拟桨轴船耦合作用下的结构振动特性；所述变频器调节电机工作电源频率，进而实现电机转速的调节，支撑开展不同转速下的轴系振动试验。6.根据权利要求1所述的螺旋桨轴系非对中振动试验装置测试螺旋桨轴系非对中振动的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据不同船舶螺旋桨推进轴系实际情况，调节螺旋桨轴长度以及尺寸，并基于桨轴长度调整电机传动结构位置，完成试验结构安装，需避免随着螺旋桨转动，轴承之间存在松动；根据船舶航行区域不同，选择水槽中的流体介质；步骤二、通过调节试验装置上的非对中轴系调节夹具，实现螺旋桨轴间平行不对中、偏角不对中、平行偏角不对中等功能；并在试验台上方布置多个非对中轴系调节夹具，模拟推
进轴系复杂多重不对中情况；步骤三、在两两非对中轴系调节夹具之间，布置相同个数的电涡流位移传感器，测试推进轴径向振动、振幅以及轴向位置，分析螺旋桨轴系不对中状态下的振动情况；在承力结构面板两侧以及试验台面板两侧布置振动加速度传感器，对测试数据进行整理，分析桨轴激励下的结构振动响应，模拟桨轴船耦合作用下的结构振动特性；在电机前方桨轴上安装转矩转速传感器，精确测量轴承连接处扭矩、螺旋桨试验模型转速。

技术总结
本发明提供一种螺旋桨轴系非对中振动试验装置及测试方法，属于船舶振动测试领域。该装置主要包括试验台、非对中轴系调节夹具、轴向力承力结构、螺旋桨轴、螺旋桨试验模型、水槽、电机、阻尼弹簧减振器以及振动测试系统等。通过非对中轴系调节夹具，在水平和高度方向调整螺旋桨主轴，实现螺旋桨主轴在水平和高度方向的中心偏移，模拟螺旋桨主轴非对中情况下，轴系径向振动、振幅以及轴向位置变化；分析桨轴激励下的结构振动响应。本发明具有操作简单、适用范围广、尺寸可调节、成本低等显著优点，可应用于开展船舶螺旋桨推进轴系振动试验。验。验。


技术研发人员：赵喆 李海超 庞福振 汤旸 秦宇璇 鲍真 高聪 毛子腾 林耀涛 张德顺 郎济才
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/20