CN108657372A - 一种轴系参数综合测试试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于舰船设计及优化领域，尤其涉及一种轴系参数综合测试试验平台。本发明充分考虑了实际情形中设备外部结构、流体以及轴系之间相互影响的因素，通过等比例模型与循环水洞尽可能的还原轴系实际的应用环境，通过该实验平台能够更好的模拟出设备结构对流体以及轴系的影响，并通过更接近实际情形的作用过程获取更准确有效的实验数据和结论。该实验平台可以将相互独立的轴系运转过程和结构与流体作用过程进行综合，减少研究内容，能够更好的对复杂状态下的轴系参数综合提供基础。

Description

一种轴系参数综合测试试验平台

技术领域

本发明属于舰船设计及优化领域，尤其涉及一种轴系参数综合测试试验平台。

背景技术

在船舶、舰艇、潜艇或潜航设备(以下简称载具)设计以及优化过程中，轴系设计是影响载具动力性能、噪音性能的重要因素，由于这些载具中使用的轴系尺寸较大，驱动及控制系统复杂，一般在实际设计或优化过程中一般是使用软件模拟或者等比例缩小模型的方式进行研究，在现有研究方法以及实验平台中，对轴系进行测试的重点在独立研究轴系的载荷施加方式、轴系内部结构状态等，但在实际情形中，载具的外部结构、轴系的安装位置等都会对轴系的运动状态、轴系的效率等造成很大影响，上述研究方案与轴系实际运转存在一定差异，即使后期通过各种方案将载具结构的影响拟合进上述过程，其效果与还原度都比较差，且难度较高，因此难以获得与实际情形符合的数据与结论。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供一种用于进行轴系参数综合测试的实验平台，以尽可能的还原和模拟轴系的实际工作状态，获取准确的实验结果，简化轴系的设计以及测试试验流程。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

一种轴系参数综合测试试验平台，包括循环水洞，循环水洞的前后端设置有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接有循环管路，循环管路连接至外部蓄水结构；循环水洞内设置有循环水泵，循环水泵固定在循环水洞内壁；循环水洞的后端设置有流速测量装置；

还包括轴系模拟平台，轴系模拟平台包括固定在循环水洞中的载具模型以及设置于载具模型内部的轴系模拟装置，载具模型包括外部的壳体；

轴系模拟装置包括从前往后依次布置在载具模型内部的推力轴、中间轴以及艉轴；推力轴和中间轴、中间轴和艉轴之间分别设置有联轴器；推力轴前端设置有驱动电机；推力轴、中间轴的下方分别设置有轴承支撑座，轴承支撑座上依次设置有推力轴承、中间轴承；艉轴的下方前后依次设置有两个轴承支撑座，轴承支撑座上依次设置有前艉轴承、后艉轴承；各轴承分别套设在相应轴上；

壳体的后端设置有孔，艉轴由孔中向后伸出至壳体外部，艉轴后端安装有螺旋桨，螺旋桨位于循环水泵的后方。

较优的，所述循环水洞的后壁面与螺旋桨之间的间距不小于1.5M，水洞前壁面与载具模型首部的距离不小于0.8M，所述循环水泵位于循环水洞前壁面后方0.3M处，其中M为载具模型长度。基于上述设置，能够使得水流与载具模型接触后的运动状态与实际情形更加接近，提高仿真的精度与还原度。

较优的，所述载具模型的壳体与循环水洞内壁之间的距离不小于1T，载具底面距离水洞底部至少1T，T是指载具模型的最大宽度。为尽可能的模拟出轴系在实际使用过程中的状态，需要尽可能的还原螺旋桨以及壳体外部的流体状态，对实际情形进行分析计算后，通过对实验平台的上述参数控制，能够有效减少异常数据的产生、降低误差，提高试验过程与实际过程的相似度。

较优的，轴承支撑台上设置有竖向及轴向位置调节装置以调整轴承的位置，竖向位置调节装置的调整距离为[-10，10]mm，并以轴承与轴同轴的位置为原点位置。通过设置调节装置以便于能够对轴承的变位等过程进行模拟。

较优的，还包括设置在各轴上的位置检测传感器以及转角检测传感器。

较优的，还包括无级变速器，无级变速器与驱动电机连接，还包括用于控制无级变速器以及电机转速的控制装置。通过无级变速器能够根据需要更方便的模拟轴系的转速，研究复杂运行状态下轴系的运动过程，简化试验的操作控制方案。

较优的，驱动电机为双向电机。通过设置双向电机能够在不移动实体模型的基础上，模拟设备前进以及后退过程中的运行状态，以利于进行更复杂的研究和试验。

特别的，前艉轴承和中间轴承的下方或者前艉轴承和中间轴承对应的轴承支撑座的下方，设置有导轨滑块组，以使前艉轴承和中间轴承可沿轴向移动调整位置。

对上述方案的进一步细化包括，在d＞350mm且或者d＜100mm且时，中间轴承设置为两个，且两个中间轴承下方导轨的长度应当使两个中间轴承间距在内可调，其中d是指中间轴直径，L是指中间轴长度，l是指两个中间轴承之间的间距。一般情况下轴系中只包含一个中间轴承，但对于上述情况下，需要使用两个中间轴承保证中间轴的功能和结构稳定，综合实际情况对比后，在上述优选值范围内可使大多数轴系获得较佳的轴系性能，在实验以及测试过程中，通过在上述可调距离内进行调整以确定最佳的轴系参数。

对上述方案的进一步细化包括，前艉轴承对应的导轨的长度应当使其与后艉轴承的间距在如下范围内可调，当D＞400mm时T ≥S ≥K*D，K∈[12，50]，当D∈[300，400]mm时，T ≥S＝K*D，K∈[14，25]，当D＜300mm时，T ≥S＝K*D，K∈[16，40]，其中T是艉轴总长度，S是前艉轴承和后艉轴承的可调间距，D是指螺旋桨直径。螺旋桨周一般采用双艉轴轴承支撑，在实验以及测试过程中，通过在上述可调距离内进行调整以确定最佳的轴系参数。

其有益效果在于：

本发明充分考虑了实际情形中设备外部结构、流体以及轴系之间相互影响的因素，通过等比例模型与循环水洞尽可能的还原轴系实际的应用环境，通过该实验平台能够更好的模拟出设备结构对流体以及轴系的影响，并通过更接近实际情形的作用过程获取更准确有效的实验数据和结论。该实验平台可以将相互独立的轴系运转过程和结构与流体作用过程进行综合，减少研究内容，能够更好的对复杂状态下的轴系参数综合提供基础。

附图说明

图1是本发明一种轴系参数综合测试试验平台的结构原理图。

其中附图标记包括：

进水口1、出水口2、循环水泵3、流速测量装置4、壳体5、推力轴6、中间轴7、艉轴8、联轴器9(9a、9b、9c)、驱动电机10、轴承支撑座11、螺旋桨12、推力轴承13、中间轴承14、前艉轴承15、后艉轴承16、导轨18。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

本发明提供一种轴系参数综合测试试验平台，其主要用于对船舶、舰艇、潜艇或潜航设备(以下简称载具)的轴系进行测试以及各类试验。

如图1所示，本发明的轴系参数综合测试试验平台包括循环水洞，循环水洞的前后端设置有进水口1和出水口2，进水口1和出水口2分别连接有循环管路，循环管路连接至外部蓄水结构；蓄水结构用于及时为循环水洞补充水资源，同时通过进水口1、出水口2和循环水洞连接构成水循环回路，易知的，循环水洞内水流速度变化时，蓄水结构中的供水量必须保证循环水洞内足够的液面高度以及液体总量。

特别的，在具体实施过程中，水循环回路各部分之间通过管道或者渠道相连，在管道和渠道上还应当相应的设置用于限制和控制水流流量、方向的阀门、电机等，以使循环水洞中能够获得和保持足够的水量以及水流速度。

循环水洞内设置有循环水泵3，循环水泵3固定在循环水洞内壁；循环水洞的后端设置有流速测量装置4以实时检测内部的流速数据，便于对实验过程进行控制和调整。循环水洞适用于模拟航行环境的基础设备，其可以是加工制作的腔体结构也可以是通过搭建构造成的渠道建筑，其基本作用是容纳引导流体，同时作为轴系模拟平台等各结构的安装及支撑基础。

轴系模拟平台用于对载具的轴系进行模拟、检测、试验，其主要包括固定在循环水洞中的载具模型以及设置于载具模型内部的轴系模拟装置；载具模型是待检测或待设计或待试验的实体设备的等比例模型，在实际情形中，载具的外部结构形状会对载具周围以及螺旋桨12附近的流体性质造成很大影响，是研究螺旋桨12的水动力不可忽视的因素，为尽可能的对实际情形进行模拟，需要反映出壳体对流体状态的影响，因此获取载具的外壳的等比例壳体5，壳体5固定连接在循环水洞中。

轴系模拟装置是试验检测的核心，也是需要验证以及实验数据的主要实施和获取位置，轴系模拟装置同样也是对待测设备的轴系进行等比例缩小得到，其缩小比例与载具外壳的缩小比例相同以尽可能保证结构的一致性。轴系模拟装置包括从前往后依次布置在载具模型内部的推力轴6、中间轴7以及艉轴8；推力轴6和中间轴7、中间轴7和艉轴8之间分别设置有联轴器9(9a、9b、9c)，在具体实施过程中，各轴以及联轴器9的尺寸以及安装位置应保持保持上述同比例缩小以尽可能还原轴系实际结构。

推力轴6前端设置有驱动电机10，驱动电机10还连接有无级变速器以便于更准确迅速的控制轴系的旋转速度，还包括用于控制无级变速器以及电机转速的控制装置，其中，驱动电机10为双向电机，通过双向电机可以使得循环水洞中的水流能够双向流通，实现对待测设备前进和后退两种状态下的模拟，而不需要调换模型的安装方向，在上述两个状态均需要进行测试时减小工作量，并简化试验台的结构以及实验流程。

推力轴6、中间轴7的下方分别设置有轴承支撑座11，轴承支撑座11上依次设置有推力轴承13、中间轴承14；艉轴8的下方前后依次设置有两个轴承支撑座11，轴承支撑座上依次设置有前艉轴承15、后艉轴承16；各轴承分别套设在相应轴上的相应位置；由前述可知，各轴系是实际轴系的等比例模型，因此轴承的安装位置包括各轴上用于安装轴承的安装结构均保持与实际情形相同，这些安装结构包括但不限于轴肩、键槽、连接键、卡簧等。

轴承支撑座用于安装轴承等附属结构，用于载具模型上的支撑结构，其具体位置以及尺寸应当尽量与实际情形中轴系上各轴承附近的支撑结构相对应，在具体实施过程中，根据实验需要，为研究轴系振动、受力以及变形状态，还可以在在轴承支撑台上设置有竖向及轴向位置调节装置以调整轴承的位置以便于模拟轴承变位；基于试验或测试需要，各轴承的竖向位移(轴承轴线与轴轴线的竖向距离，即以轴承与轴同轴的位置为原点位置)至少保持在[-10，10]mm之间。

为进一步地拓展试验台功能，已完成某些实验，还可以在在轴承支撑台上设置载荷施加、载荷检测以及位置检测装置以模拟轴承的受力以及位置状态，在各轴上设置位置检测传感器以及转角检测传感器以获取不同状态下轴系的变形、扭转等数据。上述位置调节装置主要是用于调节轴承在一个或者多个方向上位置的结构，例如导轨滑块组、滑台、齿轮齿条组、涡轮蜗杆组等，上述传感器可采用市场上已有的成品，采购时需要根据试验时的转速以及变形数据进行选择，在一些情形下，上述位置调节装置以及传感器也可是同一个装置或设备。

由于后艉轴承和推力轴承在实际使用过程中处于固定或者仅能够进行有限的轴向位移，在多数情况下可以忽略，因此也可仅在前艉轴承15和中间轴承14的下方或者前艉轴承和中间轴承对应的轴承支撑座的下方设置导轨滑块组18，以使前艉轴承和中间轴承可沿轴向位置调整，而将后艉轴承和推力轴承以及轴承安装座固定，并通过调整中间轴承以及前艉轴承的位置及其间距来，调整轴系参数选择最佳方案。

特别的，还可以将前艉轴承和中间轴承下方的导轨滑块组设置为共用的一条导轨滑块组以简化试验台结构，提高拆装效率，同时有利于保证各轴承之间的位置关系。

在一些情况下，为实现轴系功能，需要使用多个轴承或者支撑结构使各轴保持结构稳定，经过实际对比，在d＞350mm且或者d＜100mm且时，中间轴承应当设置设置为两个，且两个中间轴承下方导轨的长度应当使两个中间轴承间距在内可调，其中d是指中间轴直径，L是指中间轴长度，l是指两个中间轴承之间的间距，在实验以及测试过程中，通过在上述可调距离内沿导轨对轴承的具体位置进行调整以确定最佳的轴系参数。

与前述情况相似，前艉轴承和后艉轴承之间的间距也与螺旋桨的直径尺寸相关，与实际情况相比后，在满足功能的前提下，前艉轴承对应的导轨的长度应当使其与后艉轴承的间距在如下范围内可调，当D＞400mm时S ≥K*D，K∈[12，50]，当D∈[300，400]mm时，S＝K*D，K∈[14，25]，当D＜300mm时，S＝K*D，K∈[16，40]，其中S是前艉轴承和后艉轴承的可调间距，D是指螺旋桨直径。在实验以及测试过程中，通过在上述可调距离内对前艉轴承和后艉轴承之间的距离进行调整，根据不同的性能需求确定最佳的轴系参数。

壳体5的后端设置有孔，艉轴8由孔中向后伸出至壳体5外部，在实际情形中，壳体上的孔也应当根据实际安装情形进行相似设计，包括与载具一样配置防进水结构以防止水进入轴系内部，配置轴承等支撑结构以减小摩擦等。

艉轴8的后端安装有同比例缩小的螺旋桨12，螺旋桨12位于循环水泵3的后方，螺旋桨12作为流体作用的主要对象以及主要的载荷接受位置，应当尽可能的使其不受循环水洞等试验结构的影响而只受流体作用，以保证其实验状态尽可能与航行中的载具使用状态一致，为此，循环水洞的后壁面与螺旋桨之间的间距不小于1.5M，M为载具模型长度，同时水洞前壁面与载具模型首部的距离不小于0.8M，较优的，循环水泵位于循环水洞前壁面后方0.3M处，且载具模型的壳体与循环水洞内壁之间的距离不小于1T，载具底面距离水洞底部至少1T，T是指载具模型的最大宽度，以避免进水口1和出水口2冲击水流、循环水洞内壁等结构对流体的作用等因素对流体状态的影响，通过保持足够的尽可能大的缓冲空间，最大程度还原实际流体状态，获取更加准确地实验数据和结论。

在使用过程中，本发明的轴系试验平台主要但不限于用于进行下列试验或目的，包括：

(1)调整轴系校中状态，包括但不限于通过改变轴系各轴承的位置(包括竖向和轴向)；以确定合适的校中方案；

(2)测试轴系的校中质量，检测各轴承的载荷值，轴上应力、扭转等；为轴系的校中质量判断、校中方案的选择以及改进提供基础数据以及试验方法；

(3)轴系的振动测试，测量轴系在不同运行工况和不同校中状态下的振动特性；

(4)进行水动力测量，测量轴系在不同运行工况和不同校中状态下，轴系不同位置处传递功率的大小；

(5)研究轴系不同运转工况和不同校中状态对螺旋桨12水动力性能、轴系校中质量、和桨-轴-壳体5耦合振动特性的影响等。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，包括循环水洞，所述循环水洞的前后端设置有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接有循环管路，所述循环管路连接至外部蓄水结构；所述循环水洞内设置有循环水泵，循环水泵固定在水洞内壁；循环水洞的后端设置有流速测量装置；

还包括轴系模拟平台，轴系模拟平台包括固定在循环水洞中的载具模型以及设置于载具模型内部的轴系模拟装置，载具模型包括外部的壳体；所述载具模型是指船舶、舰艇、潜艇或潜航设备的等比例模型；

所述轴系模拟装置包括从前往后依次布置在载具模型内部的推力轴、中间轴以及艉轴；推力轴和中间轴、中间轴和艉轴之间分别设置有联轴器；推力轴前端设置有驱动电机；所述推力轴、中间轴的下方分别设置有轴承支撑座，轴承支撑座上依次设置有推力轴承、中间轴承；所述艉轴的下方前后依次设置有两个轴承支撑座，轴承支撑座上依次设置有前艉轴承、后艉轴承；各轴承分别套设在相应轴上；

所述壳体的后端设置有孔，所述艉轴由孔中向后伸出至壳体外部，艉轴后端安装有螺旋桨，螺旋桨位于循环水泵的后方。

2.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，所述循环水洞的后壁面与螺旋桨之间的间距不小于1.5M，水洞前壁面与载具模型首部的距离不小于0.8M，所述循环水泵位于循环水洞前壁面后方0.3M处，其中M为载具模型长度。

3.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，所述载具模型的壳体与循环水洞内壁之间的距离不小于1T，载具底面距离水洞底部至少1T，T是指载具模型的最大宽度。

4.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，所述轴承支撑台上设置有竖向及轴向位置调节装置以调整轴承的位置，所述竖向位置调节装置的调整距离为[-10，10]mm，并以轴承与轴同轴的位置为原点位置。

5.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，还包括设置在各轴上的位置检测传感器以及转角检测传感器。

6.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，还包括无级变速器，所述无级变速器与驱动电机连接，还包括用于控制无级变速器以及电机转速的控制装置。

7.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，所述驱动电机为双向电机。

8.根据权利要求1所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，所述前艉轴承和中间轴承的下方或者前艉轴承和中间轴承对应的轴承支撑座的下方，设置有导轨滑块组，以使前艉轴承和中间轴承可沿轴向移动调整位置。

9.根据权利要求8所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，在d＞350mm且或者d＜100mm且时，中间轴承设置为两个，且两个中间轴承下方导轨的长度应当使两个中间轴承间距在内可调，其中d是指中间轴直径，L是指中间轴长度，l是指两个中间轴承之间的间距。

10.根据权利要求8所述一种轴系参数综合测试试验平台，其特征在于，前艉轴承对应的导轨的长度应当使其与后艉轴承的间距在如下范围内可调，当D＞400mm时T≥S≥K*D，K∈[12，50]，当D∈[300，400]mm时，T≥S＝K*D，K∈[14，25]，当D＜300mm时，T≥S＝K*D，K∈[16，40]，其中T是艉轴总长度，S是前艉轴承和后艉轴承的可调间距，D是指螺旋桨直径。