CN106595957A - 一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，通过数据采集系统实时检测和采集螺旋桨悬浮前后发生摆动时对外筒圆周设置的四个间隔90度的传感器产生的压力，运用矢量运算法得到总压力的大小和方向，通过液压系统使螺旋桨悬浮，利用传感器在其安装平面上对外筒形成的合力产生的平衡力矩，抵消掉螺旋桨不平衡质量产生的倾转力矩，运用力矩平衡原理和静平衡原理得到螺旋桨的偏重及确定螺旋桨应去掉的不平衡质量的大小和位置，使螺旋桨达到合格的要求，本发明通过上位机完成所有数据的相应运算，简单方便，完全不依赖于操作者使用是否熟练，结果精确且效率高。

Description

一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法

技术领域

本发明涉及一种偏心质量检测技术领域，特别是涉及一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法。

背景技术

随着全球贸易的高速发展，大型船舶的制造技术也有了巨大的进步。螺旋桨作为船舶推进的重要动力装置，平衡与否直接影响着船舶的推进效率。由于材质分布不均匀，设计不合理及加工时受热不均，螺旋桨的不平衡质量很难避免，这样就会导致螺旋桨重心与其几何中心之间存在偏心距，当螺旋桨工作时就形成了一个离心惯性力，这种离心惯性力会加快轴承与舵轴颈之间的磨损，降低轴系的传动效率，降低船舶的使用寿命，因此在螺旋桨的不平衡质量控制在允许的范围内十分重要。

目前国内大多数船厂仍然采用传统的平衡轴挂重法对螺旋桨进行静平衡检测来控制不平衡质量，首先将螺旋桨各叶置于水平位置随遇平衡，然后依次在各叶片叶梢上挂重并使其静止，若各叶片在去掉支撑物后都能向下转动，则认为该桨的不平衡度符合要求，这种方法检测复杂、效率低下且误差较大，中国专利CN101865751A公开了一种螺旋桨静平衡的自动检测新方法，利用数字投影仪和摄像机构建螺旋桨的三维坐标模型，以图像为基础进行螺旋桨桨叶的非接触式自动检测，这种方法由于存在视觉死角会造成较大的检测误差，不能满足目前螺旋桨制造的精度要求。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，通过，通过矢量合成精确的得到螺旋桨对传感器产生的压力的大小和方向，所有的数据采集和相应的运算都由上位机完成，提高了螺旋桨制造的精度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在外筒圆周安装四个压力传感器，所述压力传感器与上位机连接；

S2：通过压力传感器检测出螺旋桨悬浮前后在各个方向上产生的压力，并将压力信号传送到上位机，通过矢量运算法得到总压力的大小和方向；

S3：计算平衡力矩，确定螺旋桨的偏心质量大小和方向角；

S4：确定螺旋桨应增加或者去掉的不平衡质量的大小和位置。

进一步，其中S1所述的压力传感器间隔90°分布在外筒圆周上。

进一步，其中S2包括以下步骤：

S201：螺旋桨悬浮前，通过压力传感器读取初始示数，分别记为F1、F2、F3、F4，其中F1在X轴方向，F3在-X轴方向，F2在Y轴方向，F4在-Y轴方向；

S202：螺旋桨悬浮后，通过压力传感器读取示数，分别记为F1＇、F2＇、F3＇、F4＇，其中F1＇在X轴方向，F3＇在-X轴方向，F2＇在Y轴方向，F4＇在-Y轴方向；

S203：将两次测量得到的示数对应矢量相减，得到螺旋桨不平衡质量的最终示数，分别记为ΔF1、ΔF2、ΔF3、ΔF4，其中ΔF1=F1－F1＇、ΔF2=F2－F2＇、ΔF3=F3－F3＇、ΔF4=F4－F4＇，将4个参数进行矢量运算，X轴和Y轴方向合力的矢量和即为螺旋桨对压力传感器压力F，方位角为压力F与X轴的夹角，记为β。

进一步，其中S3包括以下步骤：

S301：假设螺旋桨的偏重全部在叶梢位置，记为ΔG，螺旋桨的叶片半径R即为倾转力矩的力臂，倾转力矩为ΔG与R的乘积，记为M1=ΔG*R；

S302：螺旋桨悬浮后，压力传感器安装平面对外筒形成一个合力，记为F＇，测量出压力传感器安转平面到螺旋桨中心面的高度H，即为平衡力矩的力臂，平衡力矩为F＇与H的乘积，记为M2=F＇*H；

S303:根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，因此F＇的大小与F相等，方位角记为α，且与β间隔180度；根据力矩平衡原理，M1=M2，M1=ΔG*R=M2=F＇*H，则螺旋桨的偏重ΔG=(F＇*H)/R，方向角为α。

进一步，其中S4包括以下步骤：

S401：根据螺旋桨的偏重ΔG，得到螺旋桨整体的不平衡质量，记为ΔM=ΔG/g；

S402：假设螺旋桨的桨叶数为n，将螺旋桨的每片桨叶依次标记为1、2、…、i、…、n，其中α∈（1～n），每片桨叶叶梢处的不平衡质量依次记为Δm1、Δm2、…、Δm(i)、…、Δm(n)，每片桨叶叶梢处不平衡质量产生的离心惯性力依次记为P1、P2、…、P(i)、…P(n)；

S403:将螺旋桨按照桨叶数分为n个区域，每个区域的范围为360°/n，通过

①i<n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i号桨叶和i+1号桨叶，计算出此时i号桨叶和i+1号桨叶的不平衡质量Δm(i)和Δm(i+1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨达到平衡；

②当i=n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i+1号桨叶和1号桨叶，计算出此时i+1号桨叶和1号桨叶的不平衡质量Δm(i+1)和Δm(1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨达到平衡。

本发明的有益效果在于：

1．本发明所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，通过矢量合成可以精确的得到螺旋桨对传感器产生的压力的大小和方向。

2．本发明所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，操作简单方便，完全不依赖于操作者使用是否熟练，所有的数据采集和相应的运算都由上位机完成，结果精确且效率高。

附图说明

图1为本发明所述船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法的示意图。

图2为本发明所述压力传感器的受力示意图。

图3为本发明所述螺旋桨对压力传感器压力F与平衡力F＇的矢量图。

图4为本发明所述螺旋桨偏重ΔG受力原理图。

图5-8为本发明所述四叶桨不同方位角α时所对应的不平衡质量矢量分解图。

图中：

1-外筒；2-压力传感器；3-螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

结合图1-4所示，在外筒1圆周设置四个压力传感器2，最好间隔90°分布在外筒1圆周上，通过压力传感器2检测出螺旋桨3悬浮前后发生摆动时在各个方向上产生的压力，并将压力信号传送到上位机，通过矢量运算法得到总压力的大小和方向；上位机通过控制液压系统的启停，从而控制对螺旋桨3的悬浮动作；将螺旋桨3水平安装在外筒1上，螺旋桨3悬浮后由于不平衡质量会产生一个倾转力矩，各压力传感器2将会在其安装平面上对外筒1形成一个合力，产生平衡力矩，通过力矩平衡原理得到螺旋桨3的偏重，利用静平衡原理确定螺旋桨3应增加或者去掉的不平衡质量的大小和位置，使螺旋桨3的不平衡质量达到合格的要求，具体实现方法如下：

S1：在外筒1圆周安装四个间隔90度的压力传感器2，所述压力传感器2与上位机连接。

S2：通过压力传感器2检测出螺旋桨3悬浮前后在各个方向上产生的压力，并将压力信号传送到上位机，通过矢量运算法得到总压力的大小和方向；

S3：计算平衡力矩，确定螺旋桨3的偏心质量大小和方向角；

S4：确定螺旋桨3应增加或者去掉的不平衡质量的大小和位置。

其中S2包括以下步骤：

S201：螺旋桨3悬浮前，通过压力传感器2读取初始示数，分别记为F1、F2、F3、F4，其中F1在X轴方向，F3在-X轴方向，F2在Y轴方向，F4在-Y轴方向；

S202：螺旋桨3悬浮后，通过压力传感器2读取示数，分别记为F1＇、F2＇、F3＇、F4＇，其中F1＇在X轴方向，F3＇在-X轴方向，F2＇在Y轴方向，F4＇在-Y轴方向；

S203：将两次测量得到的示数对应矢量相减，得到螺旋桨3不平衡质量的最终示数，分别记为ΔF1、ΔF2、ΔF3、ΔF4，其中ΔF1=F1－F1＇、ΔF2=F2－F2＇、ΔF3=F3－F3＇、ΔF4=F4－F4＇，将4个参数进行矢量运算，X轴和Y轴方向合力的矢量和即为螺旋桨3对压力传感器2压力F，方位角为压力F与X轴的夹角，记为β。

其中S3包括以下步骤：

S301：假设螺旋桨3的偏重全部在叶梢位置，记为ΔG，螺旋桨3的叶片半径R即为倾转力矩的力臂，倾转力矩为ΔG与R的乘积，记为M1=ΔG*R；

S302：螺旋桨3悬浮后，压力传感器2安装平面对外筒1形成一个合力，记为F＇，测量出压力传感器2安转平面到螺旋桨3中心面的高度H，即为平衡力矩的力臂，平衡力矩为F＇与H的乘积，记为M2=F＇*H；

S303:根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，因此F＇的大小与F相等，方位角记为α，且与β间隔180度；根据力矩平衡原理，M1=M2，M1=ΔG*R=M2=F＇*H，则螺旋桨3的偏重ΔG=(F＇*H)/R，方向角为α。

其中S4包括以下步骤：

S401：根据螺旋桨3的偏重ΔG，得到螺旋桨3整体的不平衡质量，记为ΔM=ΔG/g；

S402：假设螺旋桨3的桨叶数为n，将螺旋桨3的每片桨叶依次标记为1、2、…、i、…、n，其中α∈（1～n），每片桨叶叶梢处的不平衡质量依次记为Δm1、Δm2、…、Δm(i)、…、Δm(n)，每片桨叶叶梢处不平衡质量产生的离心惯性力依次记为P1、P2、…、P(i)、…P(n)；

S403:将螺旋桨3按照桨叶数分为n个区域，每个区域的范围为360°/n，通过

①i<n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i号桨叶和i+1号桨叶，计算出此时i号桨叶和i+1号桨叶的不平衡质量Δm(i)和Δm(i+1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨3达到平衡；

②当i=n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i+1号桨叶和1号桨叶，计算出此时i+1号桨叶和1号桨叶的不平衡质量Δm(i+1)和Δm(1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨3达到平衡。

如图5-8所示，以四叶桨为例，即n=4时，不平衡质量计算方法如下：

①当α∈（0°～90°）时，计算出i=1，以3、4号桨叶为基准，将不平衡质量分配给1号桨叶和2号桨叶，并在此位置对其桨叶进行打磨。

P₁=Δm₁×R×ω²

P₂=Δm₂×R×ω²

P_s=ΔM×R×ω²

P_S×P₂×sin(90°-α)=P₁×P₂

P_S×P₁×sinα=P₁×P₂

由方程可得：

Δm₁=ΔM×sin(90°-α),Δm₂=ΔM×sinα

②当α∈（90°～180°）时，计算出i=2，以1、4号桨叶为基准，将不平衡质量分配给2号桨叶和3号桨叶，并在此位置对其桨叶进行打磨。

P_S×P₃×sin(180°-α)=P₂×P₃

P_S×P₂×sin(α-90°)=P₂×P₃

由方程可得：

Δm₂=ΔM×sin(180°-α),Δm₃=ΔM×sin(α-90°)

③当α∈（180°～270°）时，计算出i=3，以1、2号桨叶为基准，将不平衡质量分配给3号桨叶和4号桨叶，并在此位置对其桨叶进行打磨。

P_S×P₄×sin(270°-α)=P₃×P₄

P_S×P₃×sin(α-180°)=P₃×P₄

由方程可得：

Δm₃=ΔM×sin(270°-a),Δm₄=ΔM×sin(α-180°)

④当α∈（270°～360°）时，计算出i=4，即i=n，以2、3号桨叶为基准，将不平衡质量分配给4号桨叶和1号桨叶，并在此位置对其桨叶进行打磨。

P_S×P₄×sin(α-270°)=P₁×P₄

P_S×P₁×sin(360°-α)=P₁×P₄

由方程可得：

Δm₁=ΔM×sin(α-270°),Δm₄=ΔM×sin(360°-α)

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在外筒(1)圆周安装四个压力传感器(2)，所述压力传感器(2)与上位机连接；

S2：通过压力传感器(2)检测出螺旋桨(3)悬浮前后在各个方向上产生的压力，并将压力信号传送到上位机，通过矢量运算法得到总压力的大小和方向；

S3：计算平衡力矩，确定螺旋桨(3)的偏心质量大小和方向角；

S4：确定螺旋桨(3)应增加或者去掉的不平衡质量的大小和位置。

2.根据权利要求1所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，其中S1中所述的压力传感器(2)间隔90°分布在外筒(1)圆周上。

3.根据权利要求1所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，其中S2包括以下步骤：

S201：螺旋桨(3)悬浮前，通过压力传感器(2)读取初始示数，分别记为F1、F2、F3、F4，其中F1在X轴方向，F3在-X轴方向，F2在Y轴方向，F4在-Y轴方向；

S202：螺旋桨(3)悬浮后，通过压力传感器(2)读取示数，分别记为F1＇、F2＇、F3＇、F4＇，其中F1＇在X轴方向，F3＇在-X轴方向，F2＇在Y轴方向，F4＇在-Y轴方向；

S203：将两次测量得到的示数对应矢量相减，得到螺旋桨(3)不平衡质量的最终示数，分别记为ΔF1、ΔF2、ΔF3、ΔF4，其中ΔF1＝F1－F1＇、ΔF2＝F2－F2＇、ΔF3＝F3－F3＇、ΔF4＝F4－F4＇，将4个参数进行矢量运算，X轴和Y轴方向合力的矢量和即为螺旋桨(3)对压力传感器(2)压力F，方位角为压力F与X轴的夹角，记为β。

4.根据权利要求1所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，其中S3包括以下步骤：

S301：假设螺旋桨(3)的偏重全部在叶梢位置，记为ΔG，螺旋桨(3)的叶片半径R即为倾转力矩的力臂，倾转力矩为ΔG与R的乘积，记为M1＝ΔG*R；

S302：螺旋桨(3)悬浮后，压力传感器(2)安装平面对外筒(1)形成一个合力，记为F＇，测量出压力传感器(2)安转平面到螺旋桨(3)中心面的高度H，即为平衡力矩的力臂，平衡力矩为F＇与H的乘积，记为M2＝F＇*H；

S303:根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，因此F＇的大小与F相等，方位角记为α，且与β间隔180度；根据力矩平衡原理，M1＝M2，M1＝ΔG*R＝M2＝F＇*H，则螺旋桨(3)的偏重ΔG＝(F＇*H)/R，方向角为α。

5.根据权利要求1所述的船舶螺旋桨偏心质量自动检测方法，其特征在于，其中S4包括以下步骤：

S401：根据螺旋桨(3)的偏重ΔG，得到螺旋桨(3)整体的不平衡质量，记为ΔM＝ΔG/g；

S402：假设螺旋桨(3)的桨叶数为n，将螺旋桨(3)的每片桨叶依次标记为1、2、…、i、…、n，其中α∈(1～n)，每片桨叶叶梢处的不平衡质量依次记为Δm1、Δm2、…、Δm(i)、…、Δm(n)，每片桨叶叶梢处不平衡质量产生的离心惯性力依次记为P1、P2、…、P(i)、…P(n)；

S403:将螺旋桨(3)按照桨叶数分为n个区域，每个区域的范围为360°/n，通过

计算i，

①i<n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i号桨叶和i+1号桨叶，计算出此时i号桨叶和i+1号桨叶的不平衡质量Δm(i)和Δm(i+1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨(3)达到平衡；

②当i＝n时：

令其余桨叶为标准，将不平衡质量分配给i+1号桨叶和1号桨叶，计算出此时i+1号桨叶和1号桨叶的不平衡质量Δm(i+1)和Δm(1)，并在此位置对桨叶进行打磨，使螺旋桨(3)达到平衡。