俞翔棟 常震羅 陳悅 殷浩博

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所動(dòng)力裝置事業(yè)部,上海 201108)

0 引言

現(xiàn)代先進(jìn)船舶推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于聲隱身性提出了更加嚴(yán)格的要求[1-2]，推力軸承是推進(jìn)器激勵(lì)力向船體傳遞的必經(jīng)路徑，其振動(dòng)會(huì)繼發(fā)性地激勵(lì)起船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。因此，推力軸承的減振降噪是進(jìn)一步提升船舶聲隱身性的首要治理目標(biāo)[3-4]。國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的減振型推力軸承應(yīng)運(yùn)而生，目前主要的減振降噪方式主要包括：橡膠減振、液氣壓減振、高分子材料減振等，在減振型推力軸承的研制方面取得了一定的成果，實(shí)現(xiàn)了推力軸承振動(dòng)噪聲的階段性治理目標(biāo)，尤其是在中高頻段減振性能優(yōu)異。然而，在中低頻段的減振性能未能達(dá)到預(yù)期效果，迫切需要采用新技術(shù)進(jìn)一步提升推力軸承的聲隱身性，尤其是提升中低頻的減振降噪能力[5]。

永磁推力軸承被證實(shí)具有無(wú)可比擬的全頻段隔振性能，目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)永磁推力軸承進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)踐探索[6-8]。已經(jīng)研制出了200 kN級(jí)以下的永磁推力軸承樣機(jī)，但尚未滿足船舶推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，存在以下突出問(wèn)題：(1)軸向位移大，在額定推力下的軸向位移約為10 mm～15 mm。(2)結(jié)構(gòu)尺寸大，將占用平臺(tái)大量的載荷和空間資源。(3)承載能力弱，難以適用于大推力工況。在永磁材料性能沒(méi)有大幅提升的前提下，只能開(kāi)展永磁體排列結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。

本文創(chuàng)造性地提出了一種多層嵌套型永磁推力軸承，能夠顯著提高磁場(chǎng)利用率，提升永磁推力軸承的功率密度。設(shè)計(jì)了一種八層嵌套五極交叉堆疊的永磁推力組件，基于ANSYS Workbench對(duì)其承載特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明可解決現(xiàn)有永磁推力軸承軸向位移大、結(jié)構(gòu)尺寸大、承載能力弱等突出問(wèn)題。采用了模塊化結(jié)構(gòu)思想，設(shè)計(jì)了1 000 kN級(jí)船用永磁推力軸承，為高功率密度船用永磁推力軸承設(shè)計(jì)提供了參考。

1 磁路設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的永磁推力軸承通常采用單層設(shè)計(jì)，磁體數(shù)量和工作面比為2:1，磁場(chǎng)利用率較低，導(dǎo)致了軸向位移大、結(jié)構(gòu)尺寸大、承載能力弱等突出問(wèn)題。磁環(huán)寬度為a，氣隙寬度為g，磁環(huán)內(nèi)外圈半徑依次為ri(i=1,2,3,4)，磁路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單層磁路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of single-layer magnetic circuit

圖2 八層嵌套型磁路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the eight-layer nested magnetic circuit

本文為解決上述突出問(wèn)題，針對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力裝備的迫切應(yīng)用需求，提出了一種多層嵌套型船用永磁推力軸承。經(jīng)過(guò)多輪的計(jì)算探索，采用了一種八層嵌套五極交叉堆疊的磁路結(jié)構(gòu)。單側(cè)二維排列如圖2所示，三維原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 八層嵌套型磁路三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D diagram of eight-layer nested magnetic circuit

可見(jiàn)，多層嵌套型磁路結(jié)構(gòu)的磁體數(shù)量和工作面比為小于2:1，當(dāng)層數(shù)繼續(xù)增加時(shí)理論上可以無(wú)限接近1:1，這樣可以有效提高磁場(chǎng)利用率。

2 仿真分析

為準(zhǔn)確把握多層嵌套型永磁推力軸承的承載特性，針對(duì)上述八層嵌套五極交叉堆疊的磁路結(jié)構(gòu)，基于ANSYS Workbench對(duì)其開(kāi)展了磁場(chǎng)分布分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 八層嵌套型磁路結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布Fig.4 Magnetic field distribution of eight-layer nested magnetic circuit

基于上述磁場(chǎng)分布分析結(jié)果，計(jì)算其軸向力和軸向剛度，結(jié)果如圖5所示。

(a)軸向力

可見(jiàn)，其軸向力隨軸向位移基本呈中心對(duì)稱，軸向剛度隨軸向位移基本呈軸對(duì)稱。根據(jù)船用要求，重點(diǎn)關(guān)注軸向位移3 mm至5 mm范圍內(nèi)的承載特性規(guī)律，軸向力隨軸向位移基本呈線性遞增變化。提取了3 mm和5 mm處的軸向力數(shù)值，結(jié)果如圖6所示。

(a)3 mm軸向位移處

由圖可知，在3 mm處的軸向力約為155 kN，在5 mm處的軸向力約為235 kN。由于在上述分析中，剩磁強(qiáng)度Br取值為1 T，根據(jù)現(xiàn)有永磁材料及安全系數(shù)考量，在工程設(shè)計(jì)中可取Br=1.25 T，因此在3 mm和5 mm處的軸向力分別為：

在3 mm處理論值≈1.252×155=242 kN

在5 mm處理論值≈1.252×235=367 kN

綜上可知，八層嵌套型磁路結(jié)構(gòu)的軸向力隨軸向位移在船用要求范圍內(nèi)基本呈線性遞增變化，3 mm處的軸向力約為242 kN，5 mm處的軸向力約為367 kN，有效控制了軸向位移量。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述磁路設(shè)計(jì)及仿真分析結(jié)果，以此設(shè)計(jì)了250 kN級(jí)船用永磁推力組件，軸向位移量可控制在5 mm范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)及磁路設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示。

圖7 250 kN級(jí)船用永磁推力組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of 250 kN class marine permanent magnet thrust assembly

圖8 250 kN級(jí)船用永磁推力組件磁路示意圖Fig.8 Magnetic circuit diagram of 250 kN class marine permanent magnet thrust assembly

該永磁推力組件主要包括動(dòng)端盤組件、靜端盤組件，以及支承組件等組成。五極永磁體交叉堆疊，通過(guò)端環(huán)固定在動(dòng)、靜端盤上。動(dòng)端盤組件與主軸連接，靜端盤組件與箱體固定，兩者之間設(shè)置了一定量的軸向、徑向間隙。支承組件用以支承動(dòng)端盤組件，使得動(dòng)、靜端盤組件形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，以250 kN級(jí)船用永磁推力組件作為1/4設(shè)計(jì)模塊，并聯(lián)構(gòu)成1 000 kN級(jí)船用永磁推力軸承的基本結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 1 000 kN級(jí)船用永磁推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of 1 000 kN class marine permanent magnet thrust bearing

由圖可見(jiàn)，4組永磁推力組件并聯(lián)布置，通過(guò)漲套等方式與主軸連接，共同承受軸向推力，有效控制了永磁推力軸承的徑向尺寸，提高了軸向推力的承載能力，且利于實(shí)現(xiàn)船用永磁推力軸承的快速設(shè)計(jì)和維修。

4 結(jié)論

(1)本文針對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力裝備的迫切應(yīng)用需求，提出了一種多層嵌套型船用永磁推力軸承，經(jīng)驗(yàn)證該方案是可行的。

(2)經(jīng)過(guò)多輪的計(jì)算探索，采用了一種八層嵌套五極交叉堆疊的磁路結(jié)構(gòu)。3 mm處的軸向力約為242 kN，5 mm處的軸向力約為367 kN。

(3)基于本文的研究成果，設(shè)計(jì)了250 kN級(jí)船用永磁推力組件，并在此基礎(chǔ)上采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，并聯(lián)構(gòu)成1 000 kN級(jí)船用永磁推力軸承的基本結(jié)構(gòu)，為高功率密度船用永磁推力軸承設(shè)計(jì)提供了參考。