本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)軸系振動噪聲控制與試驗(yàn)測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于旋轉(zhuǎn)軸系的低動剛度縱向加載激振裝置。

背景技術(shù)：

船舶推進(jìn)軸系是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，一般由主軸、徑向支承軸承、推力軸承、聯(lián)軸器等部件組成，承擔(dān)著將動力設(shè)備扭矩傳遞給螺旋槳、同時將螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力傳遞給船體的重要任務(wù)。推進(jìn)軸系振動不僅會引起噪聲，也會對軸系及相關(guān)部件的可靠性帶來影響。因此，推進(jìn)軸系的強(qiáng)度與振動問題一直以來是船舶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，受到了工程與科研人員的重視，得到了廣泛的研究。

在推進(jìn)軸系振動噪聲的研究過程中，陸上試驗(yàn)臺架模擬和測試是解決復(fù)現(xiàn)軸系振動噪聲現(xiàn)象、探尋軸系振動規(guī)律和檢驗(yàn)控制措施效果的重要手段。推進(jìn)軸系陸上試驗(yàn)臺架試驗(yàn)中，需要模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的縱向載荷和激勵作用。螺旋槳旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生縱向的靜態(tài)推力載荷和動態(tài)激振力。對于船舶推進(jìn)軸系而言，其承受的縱向推力載荷通常較大，能夠達(dá)到幾噸至幾十噸以上。因此，在進(jìn)行縱向靜推力加載時，不可避免地要采用較大靜剛度的加載機(jī)構(gòu)以滿足較大靜推力需要。

當(dāng)加載機(jī)構(gòu)縱向靜態(tài)剛度較大時，其縱向動態(tài)剛度一般也比較大。這就相當(dāng)于給整個旋轉(zhuǎn)軸系引入了一個附加剛度，會直接改變整個推進(jìn)軸系的縱向固有特性，導(dǎo)致測試得到的旋轉(zhuǎn)軸系縱向模態(tài)和振動噪聲規(guī)律出現(xiàn)偏差，影響試驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證效果。因此，在實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸系進(jìn)行大載荷縱向加載的同時，盡量減小或消除加載機(jī)構(gòu)裝置動剛度較大對旋轉(zhuǎn)軸系縱向固有特性的影響，是旋轉(zhuǎn)推進(jìn)軸系陸上臺架試驗(yàn)中迫切需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有低動剛度特性的旋轉(zhuǎn)軸系縱向載荷加載裝置，該裝置能夠在提供較大縱向靜推力的情況下，采用“正剛度彈簧”與“負(fù)剛度電磁彈簧”相結(jié)合的控制裝置，實(shí)現(xiàn)盡量減小或消除旋轉(zhuǎn)軸系縱向加載裝置自身動剛度對軸系固有特性影響的目的。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有低動剛度特性的旋轉(zhuǎn)軸系縱向載荷加載裝置，包括隨動旋轉(zhuǎn)模塊、加載盤、加載彈簧、加載螺桿、電磁吸力模塊、激振桿、電磁激振器及固定支座，其中，所述加載彈簧由主彈簧和輔助彈簧組成；

所述加載螺桿的一端固定在固定支座的前面板上，另一端穿過加載盤，所述主彈簧套裝在固定支座與加載盤之間的加載螺桿上，所述輔助彈簧套裝在加載螺桿的末端，與螺栓配合將加載螺桿與加載盤壓緊；所述隨動旋轉(zhuǎn)模塊安裝于加載盤的前端，用于與旋轉(zhuǎn)軸系連接；所述電磁吸力模塊安裝在固定支座前面板上，電磁激振器剛性固定或柔性懸掛在固定支座上，激振桿穿過固定支座前面板開孔、電磁吸力模塊中間孔與加載盤后端面的中心固定。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述隨動旋轉(zhuǎn)模塊由推力滾動軸承、動環(huán)、壓緊蓋和鎖緊螺母組成；推力滾動軸承內(nèi)環(huán)套裝在加載盤的前端，并用鎖緊螺母鎖緊；推力滾動軸承外環(huán)安裝在動環(huán)的內(nèi)部，并用壓緊蓋頂緊；所述動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸系末端螺栓連接；當(dāng)推進(jìn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時，動環(huán)、壓緊蓋、外環(huán)一起旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述加載螺桿后部的直徑大于前部，后部上加工有螺紋，通過螺紋與固定支座前面板上的螺紋孔配合固定。

進(jìn)一步地，本發(fā)明動環(huán)采用連接螺栓與旋轉(zhuǎn)軸系末端螺紋孔相連，螺紋旋向與軸系運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反。

有益效果

1)本加載裝置采用具有等效負(fù)剛度特性的電磁吸力模塊與彈簧并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)低動剛度縱向加載，可以減小縱向加載裝置的動剛度，避免縱向加載裝置對旋轉(zhuǎn)軸系縱向固有特性造成影響。

2)本加載裝置提供的縱向靜態(tài)載荷可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。通過選用不同型號的加載彈簧，可以改變縱向推力載荷大小，適應(yīng)不同類型旋轉(zhuǎn)軸系、不同縮比比例試驗(yàn)臺架的加載需要。

3)本加載裝置中電磁吸力模塊的負(fù)剛度大小可以方便地進(jìn)行調(diào)整，通過設(shè)計(jì)給定電磁吸力模塊的激磁電流大小，可以改變電磁吸力模塊的負(fù)剛度，與主加載彈簧的動態(tài)剛度相適應(yīng)，滿足不同類型旋轉(zhuǎn)軸系、不同縮比比例試驗(yàn)臺架的加載需要。

4)本加載裝置具有低動剛度特性、能同時施加縱向靜載荷和動載荷的加載激勵裝置。

附圖說明

圖1為用于旋轉(zhuǎn)軸系的低動剛度縱向加載激振裝置示意圖；

其中，1-鎖緊螺母，2-推力滾動軸承，3-動環(huán)，4-壓緊蓋，5-螺栓，6-輔助彈簧，7-加載盤，8-加載螺桿，9-主彈簧，10-固定支座，11-電磁吸力模塊，12-激振桿13-電磁激振器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。

本發(fā)明一種具有低動剛度特性的旋轉(zhuǎn)軸系縱向載荷加載裝置組成如下：隨動旋轉(zhuǎn)模塊、加載彈簧、加載盤7、加載螺桿8、固定支座10、電磁吸力模塊11、激振桿12和電磁激振器13，其中隨動旋轉(zhuǎn)模塊由推力滾動軸承2、動環(huán)3、壓緊蓋4和鎖緊螺母1組成，加載彈簧由輔助彈簧6和主彈簧9組成。

推力滾動軸承2內(nèi)環(huán)套裝在加載盤7的前端，鎖緊螺母1為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，加工內(nèi)螺紋，與加載盤前端的外螺紋規(guī)格相同，鎖緊螺母1將推力滾動軸承2鎖緊。推力滾動軸承2可以根據(jù)試驗(yàn)臺架縱向能力需要，選用市購國標(biāo)軸承，可以選用雙列圓錐滾子軸承或單列圓錐滾子軸承。動環(huán)3為圓柱“凹”形，底部開螺栓孔，采用連接螺栓與旋轉(zhuǎn)軸系末端螺紋孔相連，螺紋旋向與軸系運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反，推力滾動軸承2外環(huán)安裝在動環(huán)3的內(nèi)部。動環(huán)3端面開螺紋孔，用于固定壓緊蓋4。壓緊蓋4中間開孔，安裝完成后加載盤7與壓緊蓋4不接觸。

加載盤7為整體結(jié)構(gòu)，采用磁鋼材料整體加工，前部為階梯軸結(jié)構(gòu)，用于安裝推力滾動軸承2。加載盤7后端設(shè)計(jì)為圓盤形狀，用于承受加載彈簧產(chǎn)生的縱向推力，圓盤靠近外緣處開安裝通孔，用于穿過加載彈簧的加載螺桿。加載盤7后部中心處開螺紋孔，用于連接電磁激振器激振桿12。

主彈簧9套裝在加載螺桿8的細(xì)部，前端壓緊在加載盤7上。輔助彈簧6套裝在加載螺桿8的細(xì)部末端，與螺栓5配合將加載螺桿8與加載盤7壓緊。螺栓5、輔助彈簧6和主彈簧9可以根據(jù)縱向加載載荷大小，選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的市購產(chǎn)品。進(jìn)行設(shè)計(jì)選型時，輔助彈簧6和主彈簧9的靜剛度保持一致。

加載螺桿8的尺寸根據(jù)輔助彈簧6和主彈簧9的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。加載螺桿8前端加工螺紋，用于安裝螺栓5。加載螺桿8后部直徑大于前部，加工螺紋，用于與固定支座10前面板上的螺紋孔配合。加載螺桿8最末端設(shè)計(jì)為六角或四角形狀，便于使用扳手進(jìn)行旋動操作。加載螺桿8的前部(細(xì)部)起到彈簧導(dǎo)向桿作用，后部(粗部)起到壓緊彈簧的作用。本發(fā)明旋動加載螺桿8、主彈簧9的長度會隨之伸長或縮短，使得作用在加載盤的縱向壓緊力減小或增大，并通過加載盤7、隨動旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)一步傳遞到旋轉(zhuǎn)軸系末端，實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸系的縱向靜態(tài)加載和靜態(tài)加載力調(diào)整。

固定支座10為焊接框架式結(jié)構(gòu)，尺寸根據(jù)試驗(yàn)臺架安裝環(huán)節(jié)要求、電磁激振器13尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。固定支座10的剛度需要足夠強(qiáng)，使其模態(tài)頻率盡量高，必要時應(yīng)開展模態(tài)設(shè)計(jì)，使其第一階模態(tài)頻率值為軸系重要縱向固有頻率值的3倍以上。固定支座10前面板上開螺紋孔以安裝加載螺桿8，前面板中部開孔以通過電磁激振器的激振桿12。固定支座采用螺栓固定安裝在試驗(yàn)臺架基座或平臺上。

電磁吸力模塊11、由直流供電電磁鐵、外殼、配套導(dǎo)線、直流電源組成。電磁吸力模塊11設(shè)計(jì)成為中空，使得電磁激振器激振桿12可以穿過。電磁鐵和直流電源根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的市購產(chǎn)品。外殼的尺寸和接口根據(jù)電磁鐵和直流電源尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用螺栓剛性安裝在與固定支座10上，電磁鐵產(chǎn)生電磁力，作用在加載盤上。

本發(fā)明電磁激振器13用于施加動態(tài)載荷，采用剛性固定或者柔性懸掛安裝在固定支座10上，激振桿12穿過固定支座的前面板開孔、電磁吸力模塊11中間孔而不與二者接觸，與加載盤7剛性連接。電磁激振器13和激振桿12根據(jù)動態(tài)激勵力需要，選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的市購產(chǎn)品。

具體裝配步驟如下：

a.將推力滾動軸承2安裝在加載盤7前端，并用鎖緊螺母1鎖緊；

b.將動環(huán)3用螺栓安裝在旋轉(zhuǎn)軸末端；

c.將推力滾動軸承2、加載盤7和鎖緊螺母1的組合體與動環(huán)3裝配，使推力滾動軸承2的外環(huán)與動環(huán)3的內(nèi)徑配合；

d.用螺栓將壓緊蓋4安裝在動環(huán)端面上，使壓緊蓋4頂緊推力滾動軸承的外環(huán)；

e.將電磁吸力模塊11安裝在固定支座10上；

f.將加載螺桿8安裝在固定支座10上，要求各個加載螺桿8相對于固定支座10的安裝長度相同；

g.將主彈簧9套裝在加載螺桿8上；

h.根據(jù)主彈簧9長度尺寸，初步確定固定支座10的縱向位置，布置固定支座10、加載螺桿8、電磁吸力模塊11和主彈簧9的組合體，使加載螺桿8從加載盤7的固定孔中穿過；

i.將輔助彈簧6套裝在加載螺桿8從加載盤7伸出的部分，并安裝螺栓5，要求每個輔助彈簧6受壓縮后的長度相等；

j.根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸系中心線高度，調(diào)整固定支座10的高度，使推力滾動軸承2、加載盤7和電磁吸力模塊11的中心線對齊，并將固定支座10固定安裝在試驗(yàn)臺架平臺或基座上；

k.將激振桿12從固定支座10、電磁吸力模塊11和加載盤7的開孔中穿過，與加載盤7上的螺紋孔連接；

l.將電磁激振器13采用柔性繩懸掛在固定支座10上，調(diào)整懸掛高度，使激振桿12位于軸系軸心線上；

m.連接電磁吸力模塊11的電源；

n.連接電磁激振器13的電源和控制系統(tǒng)。

安裝完成后，旋動加載螺桿8，主彈簧9的長度發(fā)生變化，縱向加載力隨之變化，加載力大小根據(jù)主彈簧9的長度變化進(jìn)行計(jì)算。接通電磁吸力模塊11，輸出電磁力。啟動旋轉(zhuǎn)軸系，調(diào)整到相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。根據(jù)試驗(yàn)動態(tài)激勵需要，對電磁激振器13的輸出進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的動態(tài)激勵力，然后開展測試。

本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

設(shè)電磁鐵前端與加載盤后端的間隙為δ，電磁力的大小f可以表達(dá)為：

上式中，j為激磁電流；s為磁路的橫截面面積；a是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)，可以通過試驗(yàn)測試獲得。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)生縱向振動，加載盤相應(yīng)地發(fā)生縱向動態(tài)位移，從而引起加載彈簧作用力、電磁作用力的動態(tài)變化。設(shè)磁隙變化為dδ，那么電磁力的變化為

因此，電磁鐵引起的動剛度為

上式中，負(fù)號表示電磁力剛度的方向與彈簧剛度方向相反，即電磁力變化的方向與動態(tài)位移的變化方向相同。

設(shè)主彈簧動剛度為k彈簧，那么加載裝置的動態(tài)剛度為

k總＝k彈簧+k電磁

由于k電磁的方向與k彈簧方向相反，因此，本裝置的動態(tài)剛度將小于純彈簧加載狀態(tài)k彈簧。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸系縱向剛度范圍，可以合理設(shè)置主彈簧參數(shù)、電磁力參數(shù)，當(dāng)參數(shù)設(shè)置合適時，k總可以變得很小，從而減小甚至消除加載裝置動態(tài)剛度對旋轉(zhuǎn)軸系縱向模態(tài)的影響。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。