CN104494783A - 用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统，包括连接壁、磁性盘式联轴器和第一、第二传动轴，其中连接壁呈竖直设置的舱壁结构，并安装在螺旋桨与驱动电机之间；磁性盘式联轴器由两个相互对置且分别安装在连接壁左右两侧的磁盘共同组成；两个传动轴各自设置在连接轴的两侧，并用于将驱动电机和螺旋桨与磁性盘式联轴器分别相联接；此外，在第二传动轴处于连接壁一侧的轴端设置有力传动器，并在中间连接壁上安装有加速度传感器。通过本发明，能够使得电机与螺旋桨及测量元件从连接上彻底隔离，杜绝电机振动给测量过程带来的不利影响，同时显著提高测量的精度和可信度，并使得测量系统的水密环节变得容易。

Description

用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统

技术领域

本发明属于船舶元件检测技术领域，更具体地，涉及一种用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统。

背景技术

对于船舶之类的水面和水下航行器而言，它的推进器在不均匀流场中运转时会产生力的脉动和振动，引起航行器艉部振动，产生航行器辐射噪声，是影响航行器隐身性能的一个重要因素。因此，在开展模型试验时，研究者需要对模型航行器推进器的力和轴系振动特性进行测量，以此作为衡量舰艇水动力性能的一个重要参考因素。

参见图1，在现有技术中，目前广泛采用的推进器模型力学和轴系振动特性测量方案通常是在螺旋桨1与驱动电机5之间连接一根长轴2，中间采用若干轴承3支撑；此外，在该长轴上外连一突出物，并在轴侧位置来对轴向力及脉冲状况进行测量，而且一般用两个压力传感器4来执行对称式测量。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然具备以下的缺陷或不足：首先，该测量系统对元件的轴向同轴度要求较高，导致安装和调试困难，而且由于留有预紧力，容易对后续的测量精度造成较大影响，此外预紧力的存在还会使得长轴的工作寿命急剧下降；其次，在试验测量过程中，由于电机本身会产生振动，这种振动会与推进器模型脉冲力所产生的振动混合在一起，相应极大地劣化测量结果的精准度和可信性，即便现有技术中往往采用对主机进行优选及在后期信号处理阶段对中滤波进行优化，但仍然无法取得令人满意的测量结果；再次，由于长轴作为完整的一根轴连接在螺旋桨与驱动电机之间，使得推进器模型内部难以执行防水保护，使得在测量过程中动密封易发生漏水，进而导致驱动电机和模型的损坏；最后，这类测量系统由于在轴侧方位对称地执行轴系推力和脉冲状况的测量，在实际试验中发觉容易产生测量精度下降的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统，其中通过结合船舶航行器推进器模型自身的结构特点来构建试验测量系统，并对其关键组件如磁性盘式联轴器、中间连接壁、力传感器和加速度传感器等的具体结构和设置方式进行研究和设计，相应能够使得电机与螺旋桨及测量元件从连接上彻底隔离，杜绝电机振动给测量过程带来的不利影响，同时与现有技术相比可显著提高测量的精度和可信度，并使得测量系统的水密环节变得容易。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统，其特征在于，该系统包括中间连接壁、磁性盘式联轴器、第一传动轴、第二传动轴、力传感器、加速度传感器和信号分析单元，其中：

所述中间连接壁呈竖直设置的舱壁结构，并安装在船舶推进器模型尾部的螺旋桨以及用于为该螺旋桨提供动力的驱动电机之间；所述磁性盘式联轴器由两个相互对置的磁盘结构共同组成，这两个磁盘结构分别安装在所述中间连接壁的左右两侧，并且各自与所述中间连接壁之间保持有一定的气隙；

所述第一传动轴的一端与所述驱动电机的输出端保持相连，另外一端则通过第一垫片联接至安装在所述中间连接壁左侧的磁盘结构；所述第二传动轴的一端与所述螺旋桨相连，另外一端则通过推力轴承和第二垫片联接至安装在所述中间连接壁右侧的磁盘结构；

所述力传感器设置在所述第二传动轴处于所述中间连接壁一侧的轴端位置，用于对从螺旋桨经由推力轴承传递至中间连接壁的轴系激振力状况执行实时监测；所述加速度传感器则直接安装在所述中间连接壁的上部或下部，并用于对中间连接壁的振动信号执行实时监测；

所述信号分析单元分别与所述力传感器和加速度传感器信号相连，并用于基于所监测的数据信号对船舶推进器模型的力学和轴系振动状况执行评估。

作为进一步优选地，所述中间连接壁由譬如不锈钢的水密材料制成，且其厚度优选被设定为2mm～5mm。

作为进一步优选地，所述磁性盘式联轴器的关键性能参数包括磁盘大小及间隙对应的最大可传递扭矩及磁盘吸力，在试验时，应根据螺旋桨所需扭矩合理对磁盘大小进行选型并布置其间隙，并保证磁盘间吸力足够大。

作为进一步优选地，所述第一及第二传动轴优选由45钢材质一次加工制成，并经过淬火等工序以保证传动轴的同轴度、硬度及抗弯抗扭等特性。

作为进一步优选地，所述推力轴承的工作性能参数被设计如下：其最大轴向受力为2500N(动载)，其最大工作转速为5000r/min。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用中间连接壁的设计，不仅可在螺旋桨与驱动电机建立有效的水密防护，更重要的是通过与磁性盘式联轴器及两个传动轴的配合安装，有效隔绝了电机驱动的不稳定性对测量过程的影响和干扰，与现有技术相比显著提高了实时测量的准确性和精确性，为研究水面和水下航行器设计参数和振动特性提供有效的参照；

2、通过将压力传感器和加速度传感器设置在第二传动轴的轴端和中间连接壁之上，在整个测量过程中，螺旋桨的受力和轴系振动信号可通过推力轴承直接传递至相应传感器，与对称测量方式相比能够进一步提高测量的精度；

3、按照本发明的上述测量系统由于采用两个传动轴来执行各组件之间的相互连接，这样在实际试验时可允许发生一定程度的角度偏差和平行偏差，有效弥补轴系安装过程中不可避免的偏差，相应进一步提高测量结果的高精度性。

附图说明

图1是现有技术中用于对船舶推进器模型执行测量的系统示意图；

图2是按照本发明所构建的用于对船舶推进器模型执行测量的系统整体示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-螺旋桨  2-长轴  3-轴承  4-压力传感器  5-驱动电机 11-中间连接壁  12-磁性盘式联轴器  13-第一传动轴  14-第二传动轴  15-力传感器  16-加速度传感器  21-螺旋桨  22-驱动电机  23-第一垫片  24-推力轴承  25-第二垫片  121-磁盘结构  122-磁盘结构

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是按照本发明所构建的用于对船舶推进器模型执行测量的系统整体示意图。如图2中所示，该系统主要包括中间连接壁11、磁性盘式联轴器12、第一传动轴13、第二传动轴14、力传感器15、加速度传感器16和信号分析单元等，其中主要通过对关键元件的自身结构及其具体设置方式的研究和设计，相应能够将驱动电机与螺旋桨及测量部分从连接上彻底分开，杜绝了主机振动给测量带来的不利影响，同时很好地完成螺旋桨与电机之间的水密工作；此外，即便在测量过程中发生角度偏差及平行偏差，仍能达到令人满意和高精度的测量结果。

具体而言，中间连接壁11呈竖直设置的舱壁结构，并安装在船舶推进器模型尾部的螺旋桨21以及用于为该螺旋桨21提供动力的驱动电机22之间；磁性盘式联轴器12由两个相互对置的磁盘结构121、122共同组成，这两个磁盘结构分别安装在中间连接壁11的左右两侧，并且各自与所述中间连接壁之间保持有一定的气隙；这样扭矩可通过气隙由一个磁盘传递到另一个磁盘，而且即便发生角度偏差及平行偏差的情况下仍能正常工作。此外，磁联轴与轴可通过键进行传动，并通过轴上阶梯面及第一垫片进行轴向限位，其中第一垫片23譬如通过螺纹连接在第一传动轴13上。

第一传动轴13的一端(图中显示为左端)与驱动电机22的输出端保持相连，另外一端(图中显示为右端)则通过第一垫片23联接至安装在所述中间连接壁11左侧的磁盘结构；相应地，第二传动轴14的一端(图中显示为右端)与所述螺旋桨21相连，另外一端(图中显示为左端)则通过推力轴承24和第二垫片25联接至安装在所述中间连接壁11右侧的磁盘结构；以此方式，电机能够跟推进器完全分开，扭矩通过气隙由一个磁盘向另一个磁盘传递，完成无接触式传动，彻底去除主机振动对推进器力和振动的影响，提高测试精度和可信度；而且它不仅能够消除传动电机的振动传输，同时还能够补偿安装的角度偏差和平行偏差。

力传感器15譬如为压电式石英力传感器，它设置在所述第二传动轴14处于所述中间连接壁11一侧的轴端位置，由此用于对从螺旋桨经由推力轴承传递至中间连接壁的轴系激振力状况执行实时监测；加速度传感器16则直接安装在中间连接壁11的上部或下部，并用于对中间连接壁的振动信号执行实时监测；此外，信号分析单元分别与力传感器和加速度传感器信号相连，并用于基于所监测的数据信号对船舶推进器模型的力学和轴系振动状况执行评估。

下面将具体解释按照本发明的测量系统的工作原理及优点。

当螺旋桨在船舶模型艉部不均匀流场中运转时，流体产生的周期和随机激振力作用在螺旋桨上，纵向激振力通过螺旋桨轴系传递到第二垫片及推力轴承，然后通过该推力轴承传递到力传感器及舱壁，同时由加速度传感器来直接测出舱壁上的振动信号。

通过以上构思，在将电机与螺旋桨及测量部分从连接上彻底分开的情况下，使得电机的驱动能够输送给螺旋桨，而且更重要的是，杜绝了主机振动给测量过程带来的不利影响，显著提高了测量结果的精确性。此外，由于连接壁在作为安装部件的同时还可起到水密工作，相应使得水密环节变得简单和便于操控，而且磁性盘式联轴器可以允许较小的角度偏差及平行偏差，可以在一定程度上有效弥补轴系的安装偏差。

考虑到船舶振动测量的实际情况，上述组件中如磁性盘式联轴器、第一和第二传动轴的结构及性能参数同样对于本发明的测量过程起到重要的影响，因此，在本发明的一些优选实施例分别对其关键性能参数或工作性能参数进行了选择性的优化设计，具体包括包括：所述磁性盘式联轴器的关键性能参数包括磁盘大小及间隙对应的最大可传递扭矩及磁盘吸力，在试验时，应根据螺旋桨所需扭矩合理对磁盘大小进行选型并布置其间隙，并保证磁盘间吸力足够大；所述第一、第二传动轴军优选由45钢材质一次加工制成，并经过淬火等工序以保证传动轴的同轴度、硬度及抗弯抗扭等特性。此外，考虑到推力轴承作为轴向力和振动的直接传递对象，在整个测量系统起到重要作用，因此所述推力轴承的工作性能参数被设计如下：其最大轴向受力为2500N(动载)，其最大工作转速为5000r/min。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于对船舶推进器模型执行力学和轴系振动测量的系统，其特征在于，该系统包括中间连接壁(11)、磁性盘式联轴器(12)、第一传动轴(13)、第二传动轴(14)、力传感器(15)、加速度传感器(16)和信号分析单元，其中：

所述中间连接壁(11)呈竖直设置的舱壁结构，并安装在船舶推进器模型尾部的螺旋桨(21)以及用于为该螺旋桨(21)提供动力的驱动电机(22)之间；所述磁性盘式联轴器(12)由两个相互对置的磁盘结构(121，122)共同组成，这两个磁盘结构分别安装在所述中间连接壁(11)的左右两侧，并且各自与所述中间连接壁之间保持有一定的气隙；

所述第一传动轴(13)的一端与所述驱动电机(22)的输出端保持相连，另外一端则通过第一垫片(23)联接至安装在所述中间连接壁(11)左侧的磁盘结构；所述第二传动轴(14)的一端与所述螺旋桨(21)相连，另外一端则通过推力轴承(24)和第二垫片(25)联接至安装在所述中间连接壁(11)右侧的磁盘结构；

所述力传感器(15)设置在所述第二传动轴(14)处于所述中间连接壁(11)一侧的轴端位置，用于对从螺旋桨经由推力轴承传递至中间连接壁的轴系激振力状况执行实时监测；所述加速度传感器(16)则直接安装在所述中间连接壁(11)的上部或下部，并用于对中间连接壁的振动信号执行实时监测；

所述信号分析单元分别与所述力传感器(15)和加速度传感器(16)信号相连，并用于基于所监测的数据信号对船舶推进器模型的力学和轴系振动状况执行评估。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间连接壁(11)由水密材料制成，且其厚度优选被设定为2mm～5mm。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一及第二传动轴优选由45号钢材质一次加工制成，并经过淬火工序处理。

4.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，所述推力轴承的工作性能参数被设计如下：其最大轴向受力为2500N，其最大工作转速为5000r/min。