CN103353395B - 一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置。本装置主要由扭矩加载液压装置、力加载液压装置、力传感器检测单元和液压加载系统控制器等组成。其中，扭矩加载液压装置采用齿轮传动驱动液压泵组工作来进行加载，模拟流体在桨叶旋转时产生的阻力；力加载液压装置共有三个液压回路，分别安装在船舶推进轴系 x 、 y 、 z 三个方向上利用油缸进行加载，三个液压回路既可分别作用亦可同时调节；力传感器检测单元的力传感器读取轴系所受载荷并反馈给液压加载系统控制器来控制液压装置，实现轴系加载输入时变载荷、冲击载荷和静载荷等载荷。

Description

一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置

技术领域

本发明涉及液压加载装置，尤其是涉及大型船舶推进轴系试验台液压加载装置。

背景技术

目前，船舶向大型化发展越来越迅速，仅2009年的一年时间里就有30 000 DWT的VLCC、29 8000 DWT的VLOC、14 7000 m³的LNG船和8530 TEU的集装箱船等不同类型大型船舶40余艘通过船舶检验而交付使用。大型船舶显著提高了货品运输能力，大大提升了运输经济效益；但是船舶大型化发展对于船舶推进轴系安全运行带来较大影响。据报道，由于大型/超大型船舶的船体变形引起推进轴系对中性失效，导致主机曲轴断裂、轴系振动剧烈和尾轴变形与密封破坏等恶性事故时有发生，直接威胁船舶的安全。因此，需要研究大型船舶推进系统在复杂海洋环境下的动力学特性问题，特别是考虑船体变形与推进耦合影响、螺旋桨与流体耦合影响等问题。

目前，国内外对于复杂海洋环境下大型船舶推进系统动力学特性的研究才刚刚起步，相应的分析理论方法还未曾提出，而用来分析耦合问题的试验仪器与实验平台则更是缺乏。其中，如何在轴系实验平台上模拟螺旋桨与流体的相互作用力对于搭建科学可信的大型船舶试验台以及研究其动力学特性至关重要；而目前国内外的船舶轴系试验台均未有设计或安装相应的模拟螺旋桨与流体的相互作用力的加载装置。因此，有必要研发大型船舶推进轴系试验台加载装置来模拟螺旋桨与流体的相互作用力，其对于准确模拟实际环境中大型船舶推进轴系状态、有效研究推进轴系动力学特性具有重要价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，以解决现有船舶推进轴系试验台的不足。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，包括扭矩加载液压装置、力加载液压装置、力传感器检测单元和液压加载系统控制器，其中：扭矩加载液压装置和力加载液压装置安装在船舶推进轴系上，扭矩加载液压装置是齿轮传动驱动液压泵组工作进行加载，模拟流体在桨叶旋转时产生的阻力；力加载液压装置共有三个液压回路，分别安装在船舶推进轴系xyz三个方向上利用油缸进行加载，三个液压回路既可分别作用亦可同时调节；力传感器直接安装在推进轴系上，其中扭矩传感器直接安置在轴上推力轴承和调心滚子轴承上；力传感器通过现场接线盒与液压加载系统控制器中的信号处理单元连接；液压加载系统控制器中的控制输出单元通过电液转换控制方式与扭矩加载泵站单元及力加载泵站单元连接；扭矩加载泵站单元及力加载泵站单元直接嵌入到液压回路中。力传感器读取轴系所受载荷并反馈给液压控制器来控制液压装置，实现轴系加载输入时变载荷、冲击载荷和静载荷等载荷。

其中，所述的扭矩加载液压装置由加载泵组、控制泵站：补油泵组、比例溢流阀、桥式溢流补油回路以及液压油管辅件组成，其中：加载泵组主要由增速齿轮箱、对称布置的两套双向旋转液压泵以及液压油管辅件组成，并且通过轴系转动来驱动；控制泵组主要由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接；补油泵组主要由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器、溢流阀以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接；加载泵组、控制泵组、补油泵组通过桥式溢流补油回路连接；比例溢流阀安装在加载泵组的回油口以及控制泵组的出油口，并且通过压力变送器与液压加载系统控制器通信。

所述的力加载液压装置主要由z向加载油缸三位四通换向装置、x向加载油缸三位四通换向装置、y向加载油缸三位四通换向装置、轴向双向推力轴承、径向调心滚子轴承、液压泵组、xyz三向液压油缸、三个比例溢流阀以及液压油管辅件组成，其中：xyz三向加载油缸三位四通换向装置均由三位四通换向阀、液控单向阀以及液压油管组成，并且它们的出油路分别连接各自的液压油缸，回油路分别连接各自的比例溢流阀；轴向双向推力轴承的壳体与z向液压油缸连接；径向调心滚子轴承的壳体水平向和垂向分别与xy两向液压油缸连接；液压泵组由驱动电机、液压泵、溢流阀、单向阀、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接。

所述的力加载液压装置在xyz三个方向上利用油缸进行加载，每一个油缸由一个泵单独供油，通过比例溢流阀无极比例调节油缸工作压力，即对尾轴所施加的加载力，每个比例溢流阀的控制压力单独调节；在螺旋桨轴艉端设置一个双向推力轴承，轴承壳体轴向(z向)末端连接加载油缸，通过控制油缸的工作压力，模拟桨叶旋转产生的正向和反向的推力；在螺旋桨轴系末端设置一个调心滚子轴承，轴承壳体径向的x和y方向上与加载油缸连接，通过控制油缸的工作压力，模拟桨叶及桨毂的重力产生的径向负载；加载油缸安装在油缸支座上，其进出油口通过软管与液压系统相连，在进出油口处还设置有液压锁定装置；力加载装置自带有一套液压站，液压站含泵组、油箱附件、阀块及阀件等，其控制油缸运动方向的换向阀可电控也可以手动操作，通过调节安全阀和加压阀的控制压力控制加载力的大小。

所述的力传感器采用压力变送器，通过检测控制泵组出口的实时压力来计算加载力的大小，并将信息反馈给液压控制器。

所述的液压加载系统控制器采用工控机为控制核心，采用集散式控制结构。主要包括信号处理单元、控制输出单元、扭矩加载泵站单元以及力加载泵站单元。信号处理单元负责力传感器、控制输出单元以及泵站单元与上位机的数据交换；控制输出单元负责指令发出；泵站单元是执行器，用来执行系统动作。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一. 解决现有船舶推进轴系试验台的不能模拟轴系实际受力的不足。

现有的船舶推进轴系试验台一般只能给径向(x和y方向)力，缺乏扭矩加载能力轴系施加轴向(z向)力。本发明利用液压装置可以对船舶推进轴系进行xyz力与扭矩加载，以模拟实际航行环境受力情况，真实反映推进轴系运行状态，完善船舶推进轴系试验台的试验测试能力。

其二. 能够单独控制各个方向的加载液压装置。

本发明分别采用了四条独立的液压加载回路，分别控制扭矩加载以及xyz三个方向的力加载。通过单独控制四个比例溢流阀实现扭矩加载和力加载的无级比例调节，可以分别模拟流体在桨叶旋转时产生的阻力、模拟桨叶旋转产生的正向和反向的推力、以及模拟桨叶及桨毂的重力产生的径向负载，控制方式灵活多变，通过有序的排列组合可以模拟各种海洋工况下的螺旋桨与流体间的相互作用。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明扭矩加载液压装置原理图；

图3为本发明力加载液压装置原理图；

图中：1. 船舶推进轴系；2. 扭矩加载液压装置；3. 力加载液压装置；4. 扭矩加载泵站；5. 力加载泵站；6. 力传感器检测单元；7. 液压加载系统控制器；7-1. 信号处理；7-2. 控制输出；8-1. 扭矩加载泵站单元；8-2. 力加载泵站单元； 9. 加载泵组；10. 控制泵组；11. 补油泵组；12. 比例溢流阀；13. 桥式溢流补油回路；14.  z向加载油缸三位四通换向装置；15.  x向加载油缸三位四通换向装置；16.  y向加载油缸三位四通换向装置；17. 轴向双向推力轴承；18. 径向调心滚子轴承；19. 液压泵组。

具体实施方式

本发明设计了一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置。该加载装置利用四条相互独立的液压回路实现对舶推进轴系三个方向的力及扭矩加载，模拟流体在桨叶旋转时产生的阻力、桨叶旋转产生的正向和反向的推力、以及模拟桨叶及桨毂的重力产生的径向负载；其中通过四个比例溢流阀来无级调节各个方向力与扭矩大小，从而可以方便、灵活地模拟各种海况下螺旋桨与流体间的相互耦合作用，以模拟实际航行环境受力情况，真实反映推进轴系运行状态，完善船舶推进轴系试验台的试验测试能力。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供的一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其整体结构如图1所示，包括扭矩加载液压装置2、力加载液压装置3、力传感器和液压加载系统控制器。各组成的连接关系是：力传感器检测单元的力传感器直接安装在船舶推进轴系上，其中扭矩传感器直接安置在轴上以读取扭矩加载大小，现场传感器安装在推力轴承和调心滚子轴承上以读取力加载大小；力传感器通过现场接线盒与液压加载系统控制器7中的信号处理单元7-1连接；液压加载系统控制器中的控制输出单元7-2通过电液转换控制方式与与扭矩加载泵站单元8-1及力加载泵站单元8-2连接；其扭矩加载泵站单元及力加载泵站单元直接嵌入到液压回路中。

所述的扭矩加载液压装置采用齿轮传动驱动液压泵组工作来进行加载（参见图2），模拟流体在桨叶旋转时产生的阻力，扭矩加载液压装置2主要由加载泵组9、控制泵组10、补油泵组11、比例溢流阀12、桥式溢流补油回路13以及液压油管辅件等组成，其中：加载泵组9由增速齿轮箱、对称布置的两个可双向旋转液压泵以及液压油管辅件组成，并且通过轴系转动来驱动；控制泵组10由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件等组成，按工艺流程管路连接；补油泵组11由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器、溢流阀以及液压油管辅件等组成，按工艺流程管路连接；加载泵组9、控制泵组10、补油泵组11通过桥式溢流补油回路13连接；比例溢流阀12安装在加载泵组9的回油口以及控制泵组10的出油口，并且通过压力变送器与液压控制器通信。

所述力加载液压装置3采用三个液压回路，利用油缸在xyz三个方向上对轴系进行加载（参见图3），其由z向加载油缸三位四通换向装置14、x向加载油缸三位四通换向装置15、y向加载油缸三位四通换向装置16、轴向双向推力轴承17、径向调心滚子轴承18、液压泵组19、xyz三向液压油缸、三个比例溢流阀以及液压油管辅件等组成，其中：xyz三向加载油缸三位四通换向装置14、15、16均由三位四通换向阀、液控单向阀以及液压油管组成，并且它们的出油路分别连接各自的液压油缸，回油路分别连接各自的比例溢流阀；轴向双向推力轴承17的壳体与z向液压油缸连接；径向调心滚子轴承18的壳体水平向和垂向分别与xy两向液压油缸连接；液压泵组19由驱动电机、液压泵、溢流阀、单向阀、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件等组成，按工艺流程管路连接。

本发明提供的大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其工作过程是：

首先，根据理论计算以及实船测试结果，设计所要加载在轴系艉部的扭矩力矩值以及施加在xyz三个方向的作用力大小，或者是设计所要加载在轴系艉部的扭矩力变化曲线以及施加在xyz三个方向的作用力变化曲线。将设计值与曲线以程序代码形式编入到液压加载系统控制器中，以驱使液压加载系统控制器按照所设计的扭矩以及xyz三个方向作用力施加到轴系上，同时根据设计合理设置好扭矩加载液压回路和力加载液压回路中各个溢流阀的初始压力值。

其次，开启扭矩加载液压装置控制泵组和补油泵组，同时开启力加载液压装置中的液压泵组。保持三个液压泵组工作5~10分钟，使得扭矩加载液压回路以及力加载液压回路充油充分，同时确认液压系统安全无故障运行。确认液压系统正常工作后，开启轴系运转，并开启液压加载系统控制器。轴系运转将带动增速齿轮箱工作，继而驱动加载泵组转动，此时力传感器检测轴系所受扭矩并反馈给液压加载系统控制器，液压加载系统控制器根据预先设置的扭矩控制指令发出控制信号给扭矩液压泵站单元，控制扭矩液压回路比例溢流阀动作，无级调整加载泵的工作压力，模拟不同工况下螺旋桨叶片受到的流体阻力。与此同时，力传感器检测轴向双向推力轴承所受作用力并反馈给液压加载系统控制器，液压加载系统控制器根据预先设置的z向控制指令发出控制信号给力加载泵站单元，控制z向力加载液压回路比例溢流阀动作，无级调整液压油缸工作压力，控制液压油缸拉或压双向推力轴承程度，模拟螺旋桨桨叶旋转产生的正向和反向的推力；同时力传感器检测径向调心滚子轴承所受x与y向作用力并反馈给液压加载系统控制器，液压加载系统控制器根据预先设置的x与y向控制指令发出控制信号给力加载泵站单元，分别控制x与y向力加载液压回路比例溢流阀动作，无级调整x与y向回路液压油缸工作压力，控制液压油缸顶压调心滚子轴承程度，模拟螺旋桨桨叶及桨毂的重力产生的径向负载。

最后，完成加载实验后，控制各个比例溢流阀复位，按顺序关闭液压泵组、控制器以及轴系。

Claims (4)

1.一种大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其特征在于：该液压加载装置包括扭矩加载液压装置（2）、力加载液压装置（3）、力传感器检测单元（6）和液压加载系统控制器（7），其中：扭矩加载液压装置和力加载液压装置安装在船舶推进轴系上，扭矩加载液压装置采用齿轮传动驱动液压泵组工作进行加载；力加载液压装置共三个液压回路，分别安装在船舶推进轴系x、y、z三个方向上利用油缸进行加载，三个液压回路分别作用或同时调节；力传感器直接安装在推进轴系上，其中扭矩传感器直接安置在轴上推力轴承和调心滚子轴承上；力传感器通过现场接线盒与液压加载系统控制器中的信号处理单元（7-1）连接；液压加载系统控制器中的控制输出单元（7-2）通过电液转换控制方式与扭矩加载泵站单元（8-1）及力加载泵站单元（8-2）连接；扭矩加载泵站单元（8-1）及力加载泵站单元（8-2）直接嵌入到液压回路中；

所述扭矩加载液压装置由加载泵组（9）、控制泵组（10）、补油泵组（11）、比例溢流阀（12）、桥式溢流补油回路（13）以及液压油管辅件组成，其中：加载泵组主要由增速齿轮箱、对称布置的两套双向旋转液压泵以及液压油管辅件组成，并且通过轴系转动来驱动；所述的控制泵组主要由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接；所述的补油泵组主要由驱动电机、液压泵、过滤器、压力控制器、溢流阀以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接；所述的加载泵组、控制泵组、补油泵组通过桥式溢流补油回路（13）连接；比例溢流阀（12）安装在加载泵组（9）的回油口以及控制泵组（10）的出油口，并且通过压力变送器与液压加载系统控制器通信。

2.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其特征在于：所述的力加载液压装置主要由z向加载油缸三位四通换向装置（14）、x向加载油缸三位四通换向装置（15）、y向加载油缸三位四通换向装置（16）、轴向双向推力轴承（17）、径向调心滚子轴承（18）、液压泵组（19）、xyz三向液压油缸、三个比例溢流阀以及液压油管辅件组成，其中：xyz三向加载油缸三位四通换向装置均由三位四通换向阀、液控单向阀以及液压油管组成，并且它们的出油路分别连接各自的液压油缸，回油路分别连接各自的比例溢流阀；轴向双向推力轴承（17）的壳体与z向液压油缸连接；径向调心滚子轴承（18）的壳体水平向和垂向分别与xy两向液压油缸连接；液压泵组（19）由驱动电机、液压泵、溢流阀、单向阀、过滤器、压力控制器以及液压油管辅件组成，互相按工艺流程管路连接。

3.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其特征在于：所述的力传感器采用压力变送器。

4.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系试验台液压加载装置，其特征在于：液压加载系统控制器以工控机为控制核心，采用集散式控制结构。