本發(fā)明涉及一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置及其設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的垂向、橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)方向及其耦合振動的減振技術(shù)，屬于船舶設(shè)備減振技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

全回轉(zhuǎn)拖輪是指在原地可以360°自由旋轉(zhuǎn)的拖輪，這種船舶的轉(zhuǎn)向靈活，回旋半徑小，能在原地打轉(zhuǎn)，操作方便靈活,控制性能好，可在較短時間內(nèi)把船停住，適宜在有限水域操縱。通常情況下，該類船舶是無舵雙槳，在靠離碼頭、協(xié)助大船靠離泊等作業(yè)中，能通過調(diào)整兩槳的角度和轉(zhuǎn)速使拖輪作任意方向的運(yùn)動。在緩流無船速的情況下可橫移，對本船靠離泊十分有用。倒車時只要調(diào)節(jié)螺旋槳方向，比前進(jìn)更靈活。其艉部形狀較簡單，所受流體阻力較小，并且在其推進(jìn)器發(fā)生故障時可以將整機(jī)從機(jī)艙吊出而不需要進(jìn)塢，使維修工作大大簡化，增加了船舶柴油機(jī)的使用壽命。

全回轉(zhuǎn)拖輪正朝著大功率、高性能方向發(fā)展。設(shè)計(jì)制造適應(yīng)現(xiàn)代大型船舶要求的大功率、高性能全回轉(zhuǎn)拖輪，是全回轉(zhuǎn)拖輪的主要發(fā)展方向。由于全回轉(zhuǎn)拖輪的工作使命及功能要求，對機(jī)艙動力裝置的動力性能、可靠性、操縱性提出了很高的要求。全回轉(zhuǎn)拖輪的動力設(shè)備種類及數(shù)量眾多，功率大，在機(jī)艙內(nèi)部布置緊湊，艙室振動噪聲問題較為突出，在全負(fù)荷工況時主機(jī)艙內(nèi)噪聲達(dá)到110dB(A)左右。由于船型的特殊性，生活艙室距離主要振動噪聲源機(jī)艙和舵機(jī)艙的距離較近，機(jī)艙和舵機(jī)艙的振動噪聲很容易傳遞到全回轉(zhuǎn)拖輪的各個主要生活艙室，其振動噪聲往往超過國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)許用值，嚴(yán)重影響船員的正常生活。

機(jī)艙內(nèi)的主機(jī)、軸系和舵機(jī)艙的全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，是全回轉(zhuǎn)拖輪的主要振動源。全回轉(zhuǎn)舵槳裝置往往采用剛性安裝的方式直接安裝在舵機(jī)艙船體基座上。一方面，由于全回轉(zhuǎn)舵槳裝置內(nèi)部安裝的減速齒輪、換向裝置、液壓馬達(dá)等部件在運(yùn)動的過程中不可避免地產(chǎn)生振動激振力，然后通過安裝基座傳遞到舵機(jī)艙及拖輪的各個艙室；另一方面，機(jī)艙主機(jī)、軸系及各種輔機(jī)的振動也會通過船體結(jié)構(gòu)傳遞到全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，影響舵槳裝置的可靠運(yùn)行。

申請?zhí)枮镃N201210154326.0，名稱為“舵槳降噪減振安裝結(jié)構(gòu)”的發(fā)明專利，公開了一種舵槳降噪減振安裝結(jié)構(gòu)，舵槳與船體井座配合的安裝面設(shè)有隔振器，隔振器支撐于船體井座上并與船體井座聯(lián)接，舵槳與船體井座之間連接有密封墊。該安裝結(jié)構(gòu)能很好的減弱與吸收舵槳的振動和噪聲，提高船舶航行時的舒適性，尤其適合對航行過程中振動和噪聲有特定要求的船舶。雖然在全回轉(zhuǎn)舵槳裝置與舵機(jī)艙基座的安裝面之間安裝減振器，在理論上可以減少舵槳裝置之間的振動傳遞。然而，即使對一個主機(jī)功率680kW，轉(zhuǎn)速1000r/min的軸系，由于船舶航行時水流對螺旋槳產(chǎn)生100kN量級的推力(反作用力是螺旋槳產(chǎn)生的推力)，該推力作用在螺旋槳的軸心位置，低于全回轉(zhuǎn)舵槳裝置與舵機(jī)艙基座安裝面1.5米量級的距離，形成的扭矩會引起減振器產(chǎn)生約10mm量級的變形；同時，在舵槳裝置輸入軸的扭矩和螺旋槳軸的扭矩作用下，會引起減振器產(chǎn)生更大的變形。這種變形會引起船舶傳動軸系與舵槳裝置的輸入軸之間產(chǎn)生不對中，從而影響船舶主推進(jìn)軸系的正常運(yùn)行。在這種安裝方式下，為了減少減振器的變形，不得不選用剛度很大的減振器，如為了使減振器的變形量控制在4mm以內(nèi)，減振器的剛度將是常規(guī)選型時的5倍以上，導(dǎo)致舵槳裝置垂向的固有頻率在20Hz以上，根據(jù)隔振理論可知其僅對1.4倍以上頻率的擾動力才具有減振效果，而舵槳裝置隔振系統(tǒng)的橫搖和縱搖的固有頻率更是達(dá)到60Hz以上，隔振系統(tǒng)如此高的固有頻率，嚴(yán)重影響著舵槳裝置隔振系統(tǒng)的減振效果。

因此，減少舵槳裝置隔振系統(tǒng)中隔振器的靜變形量，并降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，成為舵槳裝置隔振設(shè)計(jì)的難題。由于舵槳裝置受到多個激勵力的同時作用，采用傳統(tǒng)的單層隔振系統(tǒng)的隔振方式(傳統(tǒng)減振設(shè)計(jì)時將多個減振器安裝在單一平面內(nèi))，難以同時控制舵槳裝置減振器變形量和控制隔振系統(tǒng)固有頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服難以同時控制舵槳裝置減振器變形量和控制隔振系統(tǒng)固有頻率的矛盾，為實(shí)現(xiàn)在控制減振器變形量的同時提高隔振系統(tǒng)的減振效果，所發(fā)明的一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的所采取的技術(shù)方案是：一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置，包括基座結(jié)構(gòu)1、安裝臺架5和減振組件；其特征在于：所述基座結(jié)構(gòu)1和安裝臺架5均為上下兩端連接開有中心孔蓋板的圓桶體，且所述蓋板的直徑大于圓桶的直徑，其中所述基座結(jié)構(gòu)1通過上下兩端蓋板的中心孔設(shè)有間隙的套裝在所述安裝臺架5的外徑上，所述基座結(jié)構(gòu)1上下兩端蓋板沿圓周面上對稱均等開設(shè)有若干個螺栓孔，所述安裝臺架5上下兩端蓋板沿圓周對稱均等設(shè)有若干個凸緣，所述減振組件包括減振塊罩殼3和減振塊4，其中所述減振塊罩殼3的縱截面為倒“T”形，且底部小扇環(huán)形一端設(shè)有沉孔，大扇環(huán)形一端沿弧長方向均布設(shè)有若干個孔的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)體；所述減振塊4為縱截面呈“L”形且上下橫截面均呈扇環(huán)形的結(jié)構(gòu)體，其中相互垂直的上扇環(huán)形塊的內(nèi)徑壁面中部開設(shè)有與所述安裝臺架5上下兩端面板上所設(shè)有的凸緣相配合的豎直凹槽的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)體；所述減振塊4的下扇環(huán)形塊嵌入所述減振塊罩殼3的沉孔中，且通過減振塊罩殼3上設(shè)有的螺栓孔和螺栓2與所述安裝臺架5相連接。

進(jìn)一步，上述所述扇環(huán)形的圓心角θ為15～30°。

進(jìn)一步，上述所述減振塊罩殼3的大扇環(huán)形一端縱向高度d1為20～40mm，且減振塊罩殼3的底部小扇環(huán)形一端設(shè)有的沉孔深度d2為15～30mm。

進(jìn)一步，上述所述減振塊4上扇環(huán)形塊的高度L1為20～50mm，其內(nèi)徑壁面和外徑壁面之間的壁厚(R1-R2)為20～50mm，下扇環(huán)形塊的高度L2為40～80mm。

進(jìn)一步，上述所述減振塊4的材料為粘彈性高分子材料，用天然橡膠或其它高分子材料為主要原材料經(jīng)過一定配方和工藝硫化而成，邵氏硬度為45°～75°。

進(jìn)一步，上述所述豎直凹槽橫截面為矩形或者扇環(huán)形或者燕尾形。

進(jìn)一步，上述所述減振組件為減振塊4利用減振塊罩殼3硫化成形并且以一定強(qiáng)度粘貼在其槽中而形成的結(jié)構(gòu)，減振塊4的下扇環(huán)形塊的高度L2與減振塊罩殼3的沉孔深度d2之比為1：(1.5～4)。

進(jìn)一步，上述所述減振組件上、下兩層安裝的數(shù)量均為8個，上、下正對安裝或錯位安裝所述減振組件。

進(jìn)一步，上述所述有若干個凸緣周向均布于安裝臺架5上、下端面的數(shù)量均為8個。

進(jìn)一步，上述所述若干個孔數(shù)量為3個。

進(jìn)一步，上述所述若干個螺栓孔數(shù)量為24個，每3個作為1組。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的所采取的另一技術(shù)方案是：

一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

S1：依據(jù)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的出廠參數(shù)，查出其質(zhì)量為m、轉(zhuǎn)動慣量I，初步計(jì)算得到減振塊4的總剛度Z為頻率比(Z一般取值范圍為2～4),n為槳轉(zhuǎn)速。

S2：計(jì)算全回轉(zhuǎn)舵槳裝置六自由度隔振系統(tǒng)的固有頻率：在Ux、Uy和Uz自由度上固有頻率為在Rx、Ry和Rz自由度上的固有頻率為為扭轉(zhuǎn)剛度。判斷隔振系統(tǒng)的隔振效果(當(dāng)△>0時,存在隔振效果)；其中，ζ為阻尼比。

S3：根據(jù)計(jì)算出的總剛度及需要達(dá)到的減振效果，計(jì)算出減振塊4并聯(lián)的數(shù)量N及單個減振塊4的剛度

S4：根據(jù)基座結(jié)構(gòu)1和安裝臺架5的大小及兩者之間的間隙大小，確定減振塊4的具體尺寸和形狀，根據(jù)單個減振塊4計(jì)算得到的剛度，通過查材料手冊，確定材料硬度特性。

本發(fā)明的全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置及其設(shè)計(jì)方法，主要在以下幾個方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)：

1.通過將多個減振塊4沿安裝臺架5下面板和安裝臺架5上面板周向分上、下兩層均勻布置的設(shè)計(jì)，可以同時減小舵槳裝置減振器變形量和降低隔振系統(tǒng)的固有頻率；

2.由于同時減小舵槳裝置減振器變形量和降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，可同時對全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的垂向、橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)及其耦合振動有效減振；

3.減振塊4的變形得到減小后，既提高了全回轉(zhuǎn)舵槳裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，也延長減振塊4的使用壽命；

4.該減振裝置可在車間安裝，使得造船周期降低30％，成本節(jié)約了30％。

附圖說明

圖1為全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置俯視圖；

圖2為全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置A向剖面圖；

圖3為減振塊立體圖；

圖4為減振塊俯視圖；

圖5為減振塊B向剖視圖；

圖6為減振塊罩殼立體圖；

圖7為減振塊罩殼俯視圖；

圖8為減振塊罩殼C向剖視圖；

圖9為減振塊罩殼與減振塊組合立體圖；

圖10為安裝臺架立體圖；

圖11為安裝臺架俯視圖；

圖12為安裝臺架D向剖視圖；

圖13為基座結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖14為基座結(jié)構(gòu)E向剖視圖；

圖15為全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件單層設(shè)計(jì)受力原理圖；

圖16為全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件雙層設(shè)計(jì)受力原理圖；

圖中：1—基座結(jié)構(gòu)、2—螺栓、3—減振塊罩殼、4—減振塊、5—安裝臺架。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以及結(jié)合附圖及實(shí)施案例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施案例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、圖2所示，一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置，包括基座結(jié)構(gòu)1(見圖13、圖14)、安裝臺架5(見圖10、圖11、圖12)和減振組件(見圖9)；其特征在于：所述基座結(jié)構(gòu)1和安裝臺架5均為上下兩端連接開有中心孔蓋板的圓桶體，且所述蓋板的直徑大于圓桶的直徑，其中所述基座結(jié)構(gòu)1通過上下兩端蓋板的中心孔設(shè)有間隙的套裝在所述安裝臺架5的外徑上，所述基座結(jié)構(gòu)1上下兩端蓋板沿圓周面上對稱均等開設(shè)有若干個螺栓孔，所述安裝臺架5上下兩端蓋板沿圓周對稱均等設(shè)有若干個凸緣，所述減振組件包括減振塊罩殼3(見圖6、圖7、圖8)和減振塊4(見圖3、圖4、圖5)，其中所述減振塊罩殼3的縱截面為倒“T”形，且底部小扇環(huán)形一端設(shè)有沉孔，大扇環(huán)形一端沿弧長方向均布設(shè)有若干個孔的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)體；所述減振塊4為縱截面呈“L”形且上下橫截面均呈扇環(huán)形的結(jié)構(gòu)體，其中相互垂直的上扇環(huán)形塊的內(nèi)徑壁面中部開設(shè)有與所述安裝臺架5上下兩端面板上所設(shè)有的凸緣相配合的豎直凹槽的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)體；所述減振塊4的下扇環(huán)形塊嵌入所述減振塊罩殼3的沉孔中，且通過減振塊罩殼3上設(shè)有的螺栓孔和螺栓2與所述安裝臺架5相連接。

如圖4、圖7所示，所述扇環(huán)形的圓心角θ為15～30°。

如圖8所示，所述減振塊罩殼3的大扇環(huán)形一端縱向高度d1為20～40mm，且減振塊罩殼3的底部小扇環(huán)形一端設(shè)有的沉孔深度d2為15～30mm。

如圖4、圖5所示，所述減振塊4上扇環(huán)形塊的高度L1為20～50mm，其內(nèi)徑壁面和外徑壁面之間的壁厚(R1-R2)為20～50mm，下扇環(huán)形塊的高度L2為40～80mm。

所述減振塊4的材料為粘彈性高分子材料，用天然橡膠或其它高分子材料為主要原材料經(jīng)過一定配方和工藝硫化而成，邵氏硬度為45°～75°。

如圖3、圖4所示，所述豎直凹槽橫截面為扇環(huán)形。

如圖9所示，所述減振組件為減振塊4利用減振塊罩殼3硫化成形并且以一定強(qiáng)度粘貼在其槽中而形成的結(jié)構(gòu)，減振塊4的下扇環(huán)形塊的高度L2與減振塊罩殼3的沉孔深度d2之比為1：(1.5～4)。

如圖1所示，所述減振組件上、下兩層安裝的數(shù)量均為8個，上、下正對安裝所述減振組件。

如圖10、圖11所示，所述有若干個凸緣周向均布于安裝臺架5上、下端面的數(shù)量均為8個。

如圖7所示，所述若干個孔數(shù)量為3個。

如圖13所示，所述若干個螺栓孔數(shù)量為24個，每3個作為1組。

一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

S1：依據(jù)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的出廠參數(shù)，查出其質(zhì)量為m、轉(zhuǎn)動慣量I，初步計(jì)算得到減振塊4的總剛度Z為頻率比(Z一般取值范圍為2～4),n為槳轉(zhuǎn)速。

S2：計(jì)算全回轉(zhuǎn)舵槳裝置六自由度隔振系統(tǒng)的固有頻率：在Ux、Uy和Uz自由度上固有頻率為在Rx、Ry和Rz自由度上的固有頻率為為扭轉(zhuǎn)剛度。判斷隔振系統(tǒng)的隔振效果(當(dāng)△>0時,存在隔振效果)；其中，ζ為阻尼比。

S3：根據(jù)計(jì)算出的總剛度及需要達(dá)到的減振效果，計(jì)算出減振塊4并聯(lián)的數(shù)量N及單個減振塊4的剛度

S4：根據(jù)基座結(jié)構(gòu)1和安裝臺架5的大小及兩者之間的間隙大小，確定減振塊4的具體尺寸和形狀，根據(jù)單個減振塊4計(jì)算得到的剛度，通過查材料手冊，確定材料硬度特性

裝配工藝：本發(fā)明的一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置，在安裝時可先將全回轉(zhuǎn)舵槳裝置與安裝臺架5之間焊接固定；再將下層的所有減振塊4與減振塊罩殼3組件依次通過螺栓2安裝固定在基座結(jié)構(gòu)1上；隨后將全回轉(zhuǎn)舵槳裝置通過安裝臺架5面板凸臺與減振塊4凹槽定位后進(jìn)行安裝，并使減振塊4受壓并保持一定的預(yù)應(yīng)力；然后再將上層的減振塊4與減振塊罩殼3組件通過螺栓2依次安裝到位，并使減振塊4受壓并保持一定的預(yù)應(yīng)力；最后將基座結(jié)構(gòu)1上面板和基座結(jié)構(gòu)1下面板的外沿分別與舵機(jī)艙雙層底結(jié)構(gòu)焊接固定為整體，從而實(shí)現(xiàn)了全回轉(zhuǎn)舵槳減振裝置的安裝。

在本發(fā)明的一種全回轉(zhuǎn)舵槳雙層減振裝置安裝過程中，應(yīng)使上層減振塊4和下層減振塊4的水平及垂直方向的受力均勻，并確保減振塊罩殼3的外圓弧外壁與基座結(jié)構(gòu)1上面板、基座結(jié)構(gòu)1下面板之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，以實(shí)現(xiàn)對全回轉(zhuǎn)舵槳裝置在極端作用力情況下的限位并保護(hù)減振塊4不被破壞。

圖15為全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件單層設(shè)計(jì)受力原理圖，其中，H1為安裝臺架5下端面面到螺旋槳軸心的垂直距離，H2為安裝臺架5上端面到螺旋槳軸心的垂直距離，R為安裝臺架5圓桶內(nèi)半徑。方便對比，假如全回轉(zhuǎn)舵槳裝置兩側(cè)分別對稱安裝兩個減振塊4，在螺旋槳產(chǎn)生的推力F作用下，相對于重力作用下的受力平衡位置，全回轉(zhuǎn)舵槳裝置兩側(cè)的減振塊4分別受到水平和垂直方向的作用力，其中垂直方向的作用力F_V0大小相同，方向相反；水平方向的作用力F_H0大小與方向相同，且F＝F_H0+F_H0；繞左側(cè)減振塊4的力矩平衡方程為F·H₂＝2·F_V0·R；聯(lián)合求解以上方程組可求得減振塊4水平和垂直方向的受力大小，。

圖16為全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件雙層設(shè)計(jì)受力原理圖，其中，H1為安裝臺架5下端面面到螺旋槳軸心的垂直距離，H2為安裝臺架5上端面到螺旋槳軸心的垂直距離，R為安裝臺架5圓桶內(nèi)半徑。為方便對比，假如全回轉(zhuǎn)舵槳裝置兩側(cè)上下分別對稱安裝4個減振塊，在螺旋槳產(chǎn)生的推力F作用下，相對于重力作用下的受力平衡位置，全回轉(zhuǎn)舵槳裝置兩側(cè)的減振塊4分別受到水平和垂直方向的作用力，其中左側(cè)減振塊4垂直方向的作用力F_V1大小相同，方向向上；左側(cè)上方減振塊4水平方向的作用力為F_H1，左側(cè)下方減振塊4水平方向的作用力為F_H2，方向與F_H1相反；右側(cè)減振塊4垂直方向的作用力F_V2大小相同，方向向下；右側(cè)上方減振塊4水平方向的作用力為F_H1，右側(cè)下方減振塊4水平方向的作用力為F_H2，方向與F_H1相反；由此得到水平方向的受力平衡方程F+F_H1+F_H1＝F_H2+F_H2；垂直方向的受力平衡方程F_V1+F_V1＝F_V2+F_V2；繞左側(cè)下方減振塊4的力矩平衡方程為F·H₁＝2·F_V2·2R+2·F_H1·(H₂-H₁)；繞左側(cè)上方減振塊4的力矩平衡方程為F·H₂＝2·F_V2·2R+2·F_H2·(H₂-H₁)。聯(lián)合求解以上方程組可求得減振塊4水平和垂直方向的受力大小。對比全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件單層設(shè)計(jì)和雙層設(shè)計(jì)的受力原理圖，可以發(fā)現(xiàn)：在螺旋槳產(chǎn)生相同的推力F作用下，與全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件傳統(tǒng)的單層設(shè)計(jì)方案相比，本發(fā)明提出的全回轉(zhuǎn)舵槳裝置減振組件雙層設(shè)計(jì)方案，減振塊4的受力明顯減少，且安裝臺架5上面板與安裝臺架5下面板之間的設(shè)計(jì)高度H越大，減振塊4的受力越小。