CN109916753A - 调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置及方法，该装置包括加载台架组件、液压系统、电控及检测系统；加载台架组件和液压系统组成加载及疲劳试验台；加载后端支架座和加载前端支架座之间装有加载轴及加载架，加载架两端分别通过双向转动连接座连接一个扭矩加载油缸，两个扭矩加载油缸的缸底分别通过双向油缸座与固定在前加载台底座上的扭矩缸连接座连接；轴向油缸加载支架座上安装轴向油缸，承载支撑座上安装承载轴，承载轴通过轴向承载连接座与轴向承载气液阻尼器活塞杆相连，承载轴上装有承载架，承载架两端分别通过双向转动连接座Ⅱ与气液阻尼器的活塞杆连接，承载轴上通过单向转动连接座连接扰动力加载油缸的活塞杆。

Description

调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种船舶动力推进装置的调距桨长油管道，尤其是一种调距桨长油管道加载及疲劳试验装置及方法。

背景技术

目前，暂无关于针对调距桨油管进行电液伺服加载的专用试验台的报道，世界上各国对调距桨加载系统的研究主要集中在对桨毂及桨毂调距机构加载方面，对于调距桨长油管道加载的研究鲜有报道，这主要是不同调距桨类型使用的功率和和工况各不相同，很少听说由于长管管油管故障引起调距桨不能使用的报道，调距桨长油管道的设计在调距桨系统设计中一直都不属于关键设计，被大家所忽视。我国调距桨长油管道的设计主要参考国外的形式结构，强度计算以静力载荷为主，对于目前调距油管出现的一系列故障暂时没有非常有效的处理措施，国内通用性加载装置不少，但尚无一家专门针对调距桨专业特点对调距长油管道进行加载的试验平台装置。另外，国外对于调距桨长油管道加载试验台架的研究，由于商业和军事目的，报道极少。

本发明要解决的技术问题是提供一种用来模拟调距桨处于各种复杂真实海况下长油管道所受的动态载荷的电液伺服加载及疲劳试验装置和加载方法。

发明内容

本发明是要提供一种调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置及方法，用于在陆上试验台架环境下完全模拟各种型号调距桨油管在不同真实海况下受到的动态载荷，并根据电液伺服原理开发三通道电液伺服油管加载试验系统。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置，包括加载台架组件、液压系统、电控及检测系统；所述加载台架组件和液压系统组成加载及疲劳试验台；所述加载台架组件具有一个平台导轨，所述平台导轨两端设置有前加载台底座和后加载台底座，前加载台底座沿中心线由左到右依次设置轴向油缸加载支架座、加载后端支架座和加载前端支架座，加载后端支架座和加载前端支架座之间装有加载轴，加载轴中间固定连接加载架，加载架两端分别通过双向转动连接座连接一个扭矩加载油缸，两个扭矩加载油缸的缸底分别通过双向油缸座与固定在前加载台底座上的扭矩缸连接座连接；所述轴向油缸加载支架座上安装轴向油缸，轴向油缸的活塞杆通过轴向油缸连接座与加载轴固定连接；所述后加载台底座上沿中心线由左至右依次设置承载支撑座、两个扭矩承载底座、扰动油缸底座、阻尼器支架座；所述承载支撑座上安装承载轴，承载轴通过轴向承载连接座与轴向承载气液阻尼器活塞杆相连，轴向承载气液阻尼器通过轴向承载底座固定连接在阻尼器支架座上端；承载轴上装有承载架，承载架两端分别通过双向转动连接座Ⅱ与气液阻尼器的活塞杆连接，两个气液阻尼器分别通过双向转动阻尼器底座62连接两个扭矩承载底座；承载轴上通过单向转动连接座连接扰动力加载油缸的活塞杆，扰动力加载油缸下端与扰动油缸底座铰接；所述加载轴的右端通过轴夹具固定连接加载油管工装，所述承载轴的左端通过轴夹具固定连接承载油管工装；

所述液压系统具有一油箱，油箱通过油路分别与电调比例泵吸油口和液压控制泵的吸油口相连；电调比例泵出油口通过单向阀与高压滤器进油口、系统压力传感器蓄能器、溢流阀进油口、电磁溢流阀II进油口相连；液压控制泵出油口分别与电磁溢流阀I、电调比例变量泵控制油路相连；高压滤器出油口分别与扭矩加载高频伺服阀I进油口、轴向加载高频伺服阀II进油口、扰动力加载伺服阀进油口、压力传感器相连；扭矩加载高频伺服阀I出油口与压力传感器II、压力传感器III、扭矩加载油缸I无杆腔、扭矩加载油缸II有杆腔、扭矩加载油缸I有杆腔、扭矩加载油缸II无杆腔、电磁换向阀相连，扭矩加载油缸I的有杆腔与扭矩加载油缸II的无杆腔相连；轴向加载伺服阀II出油口与压力传感器Ⅳ、压力传感器Ⅴ、轴向加载油缸无杆腔、轴向加载油缸有杆腔相连；扰动力加载伺服阀出油口与压力传感器Ⅵ、扰动力加载油缸的无杆腔相连；扭矩加载伺服阀I出油口、轴向加载伺服阀II出油口、扰动力加载伺服阀的出油口一同与溢流阀出油口、电磁溢流阀II的出油口相连，经风冷却器进入不锈钢油箱底部；

所述电控及检测系统具有一个电源箱，电源箱分别连接加载及疲劳试验台、加载操纵面板、计算机与显示装置、由扭矩加载伺服阀I、轴向加载伺服阀II、扰动力加载伺服阀组成的伺服阀组、电机启动箱、ARM高频加载控制器、NI数据采集系统、应变数据采集系统传感器组；所述的加载操纵面板分别与显示仪表、计算机数据显示装置、PLC和ARM高频加载控制器的模拟量输入输出模块相连；计算机与显示装置分别与NI数据采集系统、应变数据采集系统和ARM高频加载控制器的以太网控制模块相连；ARM高频加载控制器分别与由压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ、压力传感器Ⅴ和压力传感器Ⅵ组成的传感器组和伺服阀组相连；可编程控制器PLC与电机启动箱和电磁阀相连；NI数据采集系统与力传感器组相连；应变数据采集系统与应变传感器组相连。

进一步，所述加载轴和承载轴中心线重合同心。

一种采用调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置的加载及疲劳试验方法，其步骤为：首先，将模拟油管安装在加载油管工装与承载油管工装之间之间，通过操纵面板控制电动机启动箱和电磁阀，再通过操纵面板输入试验数据，由ARM高频加载控制器通过油管扭矩加载伺服阀Ⅰ、轴向加载伺服阀Ⅱ和扰动力加载伺服阀来分别控制扭矩加载油缸Ⅰ、扭矩加载油缸Ⅱ、轴向加载油缸和扰动力加载油缸；在后加载台底座上的扭矩气液阻尼器Ⅰ、扭矩气液阻尼器Ⅱ和轴向气液阻尼器承受模拟油管传递的加载载荷；NI数据采集系统和应变数据采集系统分别采集位移传感器组、力传感器组和应变传感器组各项模拟的试验数据，将采集到的各项模拟的试验数据传送到计算机与显示装置，由计算机与显示装置计算出最后的试验结果并显示。

进一步，所述加载及疲劳试验方法具有三种加载模式：手动加载模式、自动加载模式和疲劳试验加载模式。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果

本发明的调距桨长油管道电液伺服加载装置能在陆上试验台架环境下完全模拟各种型号调距桨油管在不同真实海况下受到的动态载荷，根据电液伺服原理开发的三通道电液伺服油管加载试验台。

本发明利用电液伺服原理，采用高频伺服阀模拟调距桨长油管道各个方向所受的脉动载荷力进行加载试验，可进行手动、自动和疲劳加载三种模式，手动加载可在操纵台上手动调节各个加载旋钮进行静态加载值设定和脉动幅值以及脉动频率的设置，其中油管扭矩和轴向的脉动加载最高加载频率可达120Hz，三个通道的加载可同时进行，也可分别进行。自动加载可根据调距桨类型的不同，通过输入该调距桨在各种螺距、转速、进速情况下对调距油管各通道的激振力载荷谱，进行模拟实船工况自动加载试验。疲劳加载可根据被加载油管的型号，自动或手动设置加载频率、振幅和疲劳加载时间，进行疲劳加载试验。三种模式加载及测试结果实时显示测试曲线，并保存检测数据。操作人员可直接对测试结果进行现场认定，也可试验后对测试数据进行分析。该加载系统采用高频响、高精度电液伺服阀，操作过程方便，功能强大，控制精度高，频响高，具有模拟各种类型调距桨油管在不同工况下复杂载荷的能力。

附图说明

图1是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台系统结构框图；

图2是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台架立体示意图；

图3是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台液压系统原理图；

图4是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台液压系统结构立体示意图；

图5是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台液压系统结构俯视图；

图6是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载台电控及检测系统结构示意图；

图7是本发明的调距桨长油管道电液伺服加载控制台示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作一步说明。

如图1至图7所示，一种调距桨长油管道电液伺服加载装置，包括加载台架组件、液压系统、电控及检测系统。加载台架组件和液压系统组成加载及疲劳试验台。

所述加载台架组件包括加载平台导轨1、前加载台底座2、后加载台底座78、轴向油缸加载支架座3、加载后端支架座12、加载前端支架座27、加载轴11、加载架19、双向转动连接座20、扭矩缸连接座22、模拟油管39、油管连接工装35、43、油管连接夹具32、38、40、44、承载支架座51、承载轴47、承载架55、扭矩承载底座63、双向转动阻尼器底座62、扭矩气液阻尼器58、扰动油缸底座66、轴向气液阻尼器72和阻尼器支架座76。

所述的液压系统包括不锈钢油箱82、电调比例泵(液压主泵)83、液压液压控制泵92、风冷却器85、蓄能器102、液压阀Ⅰ107、液压阀Ⅱ100、液压阀Ⅲ99.1、液压阀Ⅳ99.2、扭矩加载高频伺服阀Ⅰ105.1、轴向加载高频伺服阀Ⅱ105.2、扰动力加载伺服阀106、轴向加载油缸4、扰动力加载油缸67、扭矩加载油缸Ⅰ24-1以及扭矩加载油缸Ⅱ24-2。液压主泵83、液压控制泵92和风冷却器85中均设有电动机。

所述的电控及检测系统包括电源箱228、加载及疲劳试验台124、操纵面板130、显示仪表160～170、计算机数据显示装置171、可编程控制器PLC123、ARM高频加载控制器120、模拟量输入输出模块118、以太网控制器122、力传感器组103、应变传感器组240、位移传感器组270、电磁阀99、电磁阀107、电动启动箱180、扭矩加载伺服阀105.1、轴向加载伺服阀105.2、扰动力加载伺服阀106、NI数据采集系统113和应变数据采集系统114。力传感器组103包括压力传感器Ⅰ103.1、压力传感器Ⅱ103.2、压力传感器Ⅲ103.3、压力传感器Ⅳ103.4、压力传感器Ⅴ103.5和压力传感器Ⅵ103.6。

操纵面板130、显示仪表160～170、计算机数据显示装置171、可编程控制器PLC123、ARM高频加载控制器120、力传感器组103、应变传感器组240、位移传感器组270、电磁阀99、电磁阀107、电机启动箱180、扭矩加载伺服阀105.1、轴向加载伺服阀105.2、扰动力加载伺服阀106、NI数据采集系统113和应变数据采集系统114与电源箱228相连，由电源箱228提供电源。

如图2所示，平台导轨1水平平行放置于试验场地，前加载台底座2和后加载台底座78夹置在平台导轨1两端，在前加载台底座2中心线上由左到右依次放置轴向油缸加载支架座3、加载后端支架座12、加载前端支架座27，并通过螺栓固定在前加载台底座2上，加载轴11放置在加载后端支架座12和加载前端支架座27上端的半圆槽中，加载后端支架座12上端放置后端支架端盖14，并用螺栓固定，加载前端支架座27上端放置前端支架端盖30，用螺栓固定；轴向加载油缸4放置在轴向油缸加载支架座3上，通过螺栓固定，轴向加载油缸4的活塞杆端件穿过轴向油缸加载支架座3上的圆孔与轴向油缸连接座9通过销轴连接，并且轴向油缸连接座9与加载轴11的一端通过螺纹连接；轴向加载油缸4中心线、加载后端支架座12上端半圆槽中心线、加载前端支架座27上端半圆槽中心线和加载轴11中心线重合同心；加载轴11在加载后端支架座12和加载前端支架座27的轴段上穿过油管加载架19中心孔，并用固定销18固定；油管加载架19两端通过销轴各连接一个双向转动连接座20，并分别与扭矩加载油缸Ⅰ24-1和矩加载油缸Ⅱ24-2的上端活塞杆相连接，扭矩加载油缸Ⅰ24-1和矩加载油缸Ⅱ24-2的缸底通过销轴分别与一个双向油缸座21相连，再分别连接在扭矩缸连接座22上，两个扭矩缸连接22沿前加载台底座2上的中心线对称放置，通过螺栓固定；在后加载台底座78中心线上由左至右依次放置承载支撑座51、两个扭矩承载底座63及双向转动阻尼器底座62、扰动油缸底座66、阻尼器支架座76，并通过螺栓固定；承载支撑座51上端半圆槽中放置承载轴47，承载支撑座51上端半圆槽中心线和承载轴47中心线重合同心；两个扭矩承载底座63及双向转动阻尼器底座62沿后加载台底座78中心线对称布置，通过销轴分别与两个气液阻尼器58连接，两个气液阻尼器的活塞杆端件分别通过销轴连接两个双向转动连接座Ⅱ57，再通过销轴连接在承载架55两端，承载轴47穿过承载架47的中心孔，并用固定销54固定；扰动力加载油缸67上端的活塞杆端件通过销轴连接单向转动连接座68，单向转动连接座68套装在承载轴47上，扰动力加载油缸67下端与扰动油缸底座66通过销轴连接，扰动油缸底座66通过螺栓固定在后加载台底座78中心线上；承载轴47右侧端部螺纹连接轴向承载连接座69，并通过销轴与轴向承载气液阻尼器72活塞杆端件相连，轴向承载气液阻尼器72底端通过销轴与轴向承载底座74相连，轴向承载底座74通过螺栓固定在阻尼器支架座76上端，承载轴47中心线穿过轴向承载底座74的底面中心；加载轴11和承载轴47中心线重合同心，加载轴11的右端通过轴夹具32与加载油管工装35用螺距紧固，并用定位销34固定；承载轴47的右端通过轴夹具44与承载油管工装43用螺栓紧固，并用定位销42固定，加载油管工装35与承载油管工装43中心线重合同心；模拟长油管道置于加载油管工装35和承载油管工装之间，同心，通过轴夹具37和轴夹具40用螺栓紧固，并分别用定位销38和42固定。

如图3，4，5所示，不锈钢油箱82上设有吸油滤器I90、吸油滤器II91；不锈钢油箱82通过吸油滤器I90与蝶阀I80.1相连，蝶阀I80.1与电调比例泵83的吸油口相连接；不锈钢油箱82通过吸油滤器III91与蝶阀II80.2相连，蝶阀II80.2与液压控制泵92的吸油口相连。电调比例泵83的出油口与单向阀89相连接，单向阀89分别与高压滤器101进油口、系统压力传感器Ⅰ103.1、蓄能器102、溢流阀100进油口、电磁溢流阀II99.2进油口相连；液压控制泵92的出油口分别与电磁溢流阀I99.1和电调比例变量泵83相连；高压滤器101的出油口分别与扭矩加载伺服阀I105.1的进油口、轴向加载伺服阀II105.2的进油口和扰动力加载伺服阀106的进油口相连；扭矩加载伺服阀I105.1的一个出油口分别连接有电磁换向阀107、压力传感器II103.2和扭矩加载油缸Ⅰ24.1的无杆腔，扭矩加载伺服阀I105.1的另一个出油口分别连接有电磁换向阀107、压力传感器III103.3和扭矩加载油缸Ⅱ24-2的有杆腔；扭矩加载油缸Ⅰ24-1的有杆腔与扭矩加载油缸Ⅱ24-2的无杆腔通过油路相连；轴向加载伺服阀II105.2的一个出油口分别与压力传感器93.4和轴向加载油缸39的无杆腔相连接，轴向加载伺服阀II105.2的另一个出油口分别与压力传感器Ⅴ103.5和轴向加载油缸4的有杆腔相连；扰动力加载伺服阀106的出油口分别与压力传感器Ⅵ103.6、扰动力加载油缸67的无杆腔相连；扰动力加载油缸67的有杆腔、扭矩加载伺服阀I105.1的出油口、轴向加载伺服阀II105.2的出油口和扰动力加载伺服阀106的出油口通过一条油路相连接，连接扰动力加载油缸67的有杆腔、扭矩加载伺服阀I105.1的出油口、轴向加载伺服阀II105.2的出油口和扰动力加载伺服阀106的出油口的油路经风冷却器85进入不锈钢油箱82底部。溢流阀100和电磁溢流阀II99.2的油路经风冷却器85进入不锈钢油箱82底部。

如图6，7所示，操纵面板130的上各种旋钮、开关按钮信号分别与控制台上显示仪表、可编程控制器PLC123和ARM高频加载控制器120相连；力传感器组103、位移传感器组270和应变传感器组240分别与模拟量输入输出模块118、ARM高频加载控制器120、NI数据采集系统113和应变数据采集系统相连；NI数据采集系统113采集的信号传输到计算机数据显示装置171；计算机数据显示装置171信号通过以太网控制器122与ARM高频加载控制器120进行数据交换；电磁溢流阀99、电磁换向阀107、液压主泵87中的电动机、液压控制泵92中的电动机和风冷却器85中的电动机均与数字量输入/输出模块118相连，液压主泵87中的电动机用于运行电比例变量泵83、液压控制泵92中的电动机用于运行液压控制泵92、风冷却器85中的电动机用于控制冷却风器85启停；扭矩加载伺服阀I105.1、轴向加载伺服阀II105.2、扰动力加载伺服阀106分别与模拟量输入/输出模块118和ARM高频加载控制器120的输出信号相连，扭矩加载伺服阀I105.1用于控制扭矩加载油缸Ⅰ24-1以及扭矩加载油缸Ⅱ24-2的动作，轴向加载伺服阀II105.2用于控制轴向加载油缸4的动作，扰动力加载伺服阀106用于控制扰动力加载油缸67动作；扭矩加载伺服阀I105.1、轴向加载伺服阀II105.2和扰动力加载伺服阀106均与ARM高频加载控制器120信号相连。

本发明的调距桨油管电液伺服加载装置实际使用时，在前后加载台之间安装连接模拟油管，对模拟油管加载的油缸共三组，分别为扭矩加载油缸Ⅰ24-1和扭矩加载油缸Ⅱ24-2、轴向加载油缸4和扰动力加载油缸67。是典型的三通道电液伺服力控制系统。在手动加载模式下，各加载指令信号由操纵面板130上的各个力加载旋钮确定。在自动加载模式下，各加载指令信号为计算机数据显示装置171发出的加载载荷谱信号。该加载系统是主动式力控制系统。

调距桨长油管道电液伺服力加载控制系统主要由加载操纵面板130、计算机数据显示装置171(上位机)、可编程控制器PLC123、三通道协调控制加载系统(由ARM高频加载控制器CPU121、模拟量输入输出模块118、以太网控制器122组成，为下位机)、三组加载油缸(扭矩加载油缸Ⅰ24-1和扭矩加载油缸Ⅱ24-2、轴向加载油缸4以及扰动力加载油缸67)、电液伺服阀组(扭矩加载伺服阀I105.1、轴向加载伺服阀II105.2、扰动力加载伺服阀106)、力传感器组103、应变传感器240(应变测试子系统)、位移传感器组270、NI数据采集系统113和应变数据采集系统组成。其中计算机数据显示装置171(上位机)主要完成整个加载系统各个部分工作状况的监控管理、人机界面管理、加载载荷谱设置、试验过程监控、试验数据采集显示及保存等功能。下位机三通道协调控制加载系统中的ARM高频加载控制器CPU121接收由操纵面板130和上位计算机数据显示装置171发下的各种控制指令、加载载荷谱和各种控制参数，对采集的各种模拟量信号进行标度，采用PID闭环控制算法完成各通道协调加载控制任务，将实际加载值等监测数据通过以太网传输给上位计算机数据显示装置171进行显示、记录和处理，同时，可编程控制器PLC123完成由加载操纵面板13下达的对油泵机组180的启停控制与状态采集，以及整个加载系统所有报警功能和安保工作。

当模拟量输入输出模块118检测到加载指令信号与力传感器反馈信号不一致时，ARM高频加载控制器CPU121经过PID运算，计算结果通过模拟量输入输出模块118输出电流给相应的电液伺服阀，经电液伺服阀转换并输出液压能，使液压缸输出液压力，直到加载指令信号与力传感器反馈信号一致时，才能保证作用在负载上的力与指令要求一致。

在操纵面板130上按下控制泵启动按钮和加载泵I启动按钮，分别启动液压控制泵92中的电动机96、液压主泵83中的电动机87，从而使液压控制泵92、电调比例泵83运转工作，将液压油从油箱分别通过吸油滤器91、吸油滤器90和蝶阀80.1Ⅰ、蝶阀80.2Ⅱ吸入各电动泵的吸油口，液压油从控制油泵92的吸油口流入从出油口流出，经胶管和单向阀98后流入点比例变量泵83的控制油路，当该油路油压高于10MPa时，部分液压油经电磁溢流阀Ⅰ99.1回流至油箱。从电调比例泵83的吸油口流入从出油口流出，经高压软管88和单向阀89的液压油能否投入液压系统运行由电磁溢流阀Ⅱ99.2控制，当电磁溢流阀Ⅱ99.2失电，液压油全部由电磁溢流阀Ⅱ99.2卸荷，流入油箱82，当电磁溢流阀Ⅱ99.2得电，液压油系统压力最高值由溢流阀100调整限制，设置为10MPa，部分不参与工作的液压油由溢流阀100流经风冷却器85回流至油箱82，液压系统工作中产生的压力波动由蓄能器102加以补偿。电磁溢流阀Ⅱ99.2得电后，液压油经高压滤器104进入三个电液伺服阀(扭矩加载伺服阀I105.1、轴向加载伺服阀II105.2、扰动力加载伺服阀106)。

调距桨长油管道电液伺服加载包括油管扭矩加载、轴向加载、扰动力加载，加载模式分为三种：手动加载模式、自动加载模式和疲劳试验加载模式。

模拟油管扭矩加载是：

当进行油管扭矩加载时，ARM高频加载控制器120的模拟量输入输出模块118采集油管扭矩加载指令信号(包括加载频率信号和加载振幅信号)和扭矩加载油路的两路油压信号，在ARM高频加载控制器CPU121中生成频率和振幅与之相对应的正弦波扭矩加载指令信号，对采集的两路油压信号在CPU121中根据扭矩加载油缸24有/无杆腔面积以及摩擦力补偿计算出当前状态下施加在模拟油缸上的扭矩值，通过与内部生成的加载指令信号进行比较，采用PID闭环控制算法计算出输出值，由模拟量输入输出模块118输出伺服阀控制信号使扭矩加载电液伺服阀Ⅰ105.1动作，使得加载在模拟桨叶上的旋转扭矩值跟随正弦指令信号变化。

由ARM高频加载控制器120的输入输出模块输出伺服阀控制信号使扭矩加载电液伺服阀Ⅰ105.1动作，伺服阀Ⅰ105.1控制扭矩加载油缸Ⅰ24-1，Ⅱ24-2，对模拟油管实施扭距加载，当伺服阀Ⅰ105.1接受到的控制信号为12mA时，阀芯处于中位进入油缸的油路被截止，扭矩加载油缸Ⅰ24-1，Ⅱ24-2处于稳压状态。当接受大于12mA指令信号时，伺服阀Ⅰ105.1阀芯动作，液压系统的液压油从扭矩加载油缸Ⅰ24-1无杆腔进油，从有杆腔回油，流回油箱82，油缸杆伸出，此时，扭矩加载油缸Ⅱ24-2的有杆腔进油，无杆腔回油，油缸杆收缩，相应地对加载架19产生顺时针方向的旋转扭矩，直接通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟加载油管39上。反之，当接受小于12mA指令信号时，扭矩加载伺服阀Ⅰ105.1阀芯向另一方向动作，扭矩加载油缸Ⅰ24-1的有杆腔进油，无杆腔回油，油缸收缩，扭矩加载油缸Ⅱ24-2的无杆腔进油，有杆腔回油，油缸杆伸出，相应地扭矩加载油缸24对加载架19产生模拟逆时针方向的旋转扭矩，直接通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟油管39上。同时，作用在模拟油管39上扭力，通过加载夹具40、加载工装43和加载夹具44传递到油管承载轴47上，承载轴47上的传递扭矩通过承载架55和双向转动57-1、57-2座施加到对称布置的承载气液阻尼器Ⅰ58-1和承载阻尼器Ⅱ58-2上，最终通过阻尼器底端连接的双向转动承载底座Ⅰ62.1和双向转动承载底座Ⅱ62.2作用在后加载台底座78上。

油管轴向加载是：

当进行轴向加载时，ARM高频加载控制器120的模拟量输入输出模块118采集油管轴向加载指令信号(包括加载频率信号和加载振幅信号)和轴向加载油路的两路油压信号，在ARM高频加载控制器CPU121内部生成频率和振幅与之相对应的正弦波轴向加载指令信号，同时对采集的两路油压信号在CPU121中根据轴向加载油缸4有/无杆腔面积以及摩擦力补偿计算出当前状态下施加在模拟油缸上的轴向加载值，通过与内部生成的轴向加载指令信号进行比较，采用PID闭环控制算法计算出输出值，由模拟量输入输出模块118输出伺服阀控制信号使轴向加载电液伺服阀Ⅱ105.2动作，使得加载在模拟桨叶上的轴向加载值跟随正弦指令信号变化。

由ARM高频加载控制器120的输入输出模块输出伺服阀控制信号使轴向加载电液伺服阀Ⅱ105.2动作，控制轴向加载油缸4，对模拟油管实施轴向加载，当轴向加载伺服阀Ⅱ105.2接受到的控制信号为12mA时，阀芯处于中位进入油缸的油路被截止，轴向加载油缸4处于稳压状态。当接受大于12mA指令信号时，轴向加载伺服阀Ⅱ105.2阀芯动作，液压系统的液压油从轴向加载油缸4无杆腔进油，从有杆腔回油，流回油箱82，油缸活塞杆伸出，通过与油缸活塞杆端件相连轴向加载连接座9对加载轴11产生轴向上的伸出力，直接通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟加载油管39上。反之，当接受小于12mA指令信号时，轴向加载伺服阀Ⅱ105.2阀芯向另一方向动作，轴向加载油缸4的有杆腔进油，无杆腔回油，油缸活塞杆收缩，通过与油缸活塞杆端件相连轴向加载连接座9对加载轴11产生轴向上的收缩力，直接通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟加载油管39上。同时，施加在模拟油管39上轴向载荷，通过加载夹具40、加载工装43、加载夹具44和承载轴47传递到轴向气液阻尼器72上，轴向气液阻尼器72固定安装在阻尼器支架座76上，通过螺栓连接固定在后加载台底座78上。

油管扰动力加载是：

当进行扰动力加载时，当进行轴向加载时，ARM高频加载控制器120的模拟量输入输出模块118采集油管扰动力加载指令信号(包括加载频率信号和加载振幅信号)和扰动力加载油路的一路油压信号，在ARM高频加载控制器CPU121内部生成频率和振幅与之相对应的正弦波加载指令信号，同时对采集的一路油压信号在CPU121中根据轴向加载油缸4活塞面积计算出当前状态下施加在模拟油缸上的扰动力加载值，通过与内部生成的扰动力加载指令信号进行比较，采用PID闭环控制算法计算出输出值，由模拟量输入输出模块118输出伺服阀控制信号使扰动力加载电液伺服阀106动作，使得加载在模拟桨叶上的扰动力加载值跟随正弦指令信号变化。

由ARM高频加载控制器120的输入输出模块输出伺服阀控制信号使扰动力加载电液伺服阀106动作，控制扰动力加载油缸67，对模拟油管实施扰动力加载，当扰动力加载伺服阀106接受到的控制信号为12mA时，阀芯处于中位进入油缸的油路被截止，扰动力加载油缸67处于稳压状态。当接受大于12mA指令信号时，扰动力加载伺服阀106芯动作，液压系统的液压油从扰动力加载油缸67无杆腔进油，从有杆腔回油，流回油箱82，油缸活塞杆伸出，油缸活塞杆端件通过连接着套在承载轴47上单向转动座68，将扰动力直接作用在承载轴47上，并通过加载夹具44、加载工装43和加载夹具40传递到模拟加载油管39上。

本发明的调距桨长油管道伺服加载及疲劳试验装置，实际工作时，将不同型号的被测模拟油管通过选择油管连接工装35、43，通过油管夹具32、38、40、44，用螺栓紧固在试验台架上并用定位销进行固定，即可开始各种模式加载试验，具体内容如下：

1.加载试验前准备

A、调距桨油管加载系统供电(由电源箱282供电)；

B、将电机启动箱180置于遥控状态，将各个载荷旋钮和加载频率旋钮置于零位；各个载荷显示仪表和加载频率显示仪表均指示零；

C、试灯检查，按下试灯按钮，检查各个指示灯以及蜂鸣器工作是否正常；

D、按下控制泵启动按钮，启动液压控制泵92中的电动机96，运行液压控制泵92，启动后，带灯按钮常亮，依次按下加载泵启动按钮，启动液压主泵83中的电动机87运行电比例变量泵83，正常工作后相应的带灯按钮指示灯常亮，此时，加载准备就绪指示灯亮起，按下加载启动按钮，使得电磁溢流阀Ⅰ99.1、电磁溢流阀Ⅱ99.2工作，加载液压系统准备加载，当按下加载停止按钮，使得电磁溢流阀Ⅰ99.1、电磁溢流阀Ⅱ99.2卸荷，加载液压系统卸荷，停止加载。

2.手动加载：

A、完成上述1加载试验前准备各事项后，加载准备就绪指示灯亮起，按下加载启动按钮，使得电磁溢流阀Ⅰ99.1、电磁溢流阀Ⅱ99.2工作，加载系统处于加载准备完成状态；

B、各个加载旋钮均归零位，将加载模式选择旋钮旋至手动加载模式；

C、调距桨油管扭矩手动加载：

油管扭矩手动加载：旋转扭矩载荷设置旋钮156，加载控制台上扭矩载荷设置显示仪表166显示相应的载荷值，扭矩加载有顺时扭矩加载和逆时扭矩加载之分，扭矩加载设置旋钮156顺时针旋转时，油管扭矩设置显示仪表166显示顺时扭矩加载设置的负荷值，扭矩加载设置旋钮156逆时针旋转时，油管扭矩设置显示仪表166显示逆时扭矩加载设置的负荷值，顺时或逆时油管扭矩载荷指令信号输入ARM高频加载控制器120的输入输出模块118中，与扭矩加载油缸Ⅰ24-1和扭矩加载油缸Ⅱ24-2顺时方向进油油路的压力传感器103.2、顺时方向回油油路传感器103.3信号，在ARM加载高频控制器120的CPU121中经过PID控制运算，在模拟量输入输出模块118中输出控制扭矩加载伺服阀I105.1动作的控制信号，从而引起扭矩加载油缸Ⅰ24-1和扭矩加载油缸Ⅱ24-2的活塞杆动作，扭矩加载油缸Ⅰ24-1的油缸底座端通过扭矩缸连接座23.1固定在前加载台底座2上，另一端活塞杆端件通过销轴连接在加载架19上，扭矩加载油缸Ⅱ24-2对称于扭矩加载油缸Ⅰ24-1设置，其中扭距加载油缸Ⅰ24-1的油缸活塞杆伸出或收缩，扭矩加载油缸Ⅱ24-2的油缸活塞杆则收缩或伸出，加载架19产生顺时或逆时的旋转扭距，直接通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟加载油管39上。同时，施加在模拟油管39上扭力，通过加载夹具40、加载工装43和加载夹具44传递到油管承载轴47上，承载轴47上的传递扭矩通过承载架55’双向转动连接座Ⅰ57.1和Ⅱ57.2将施加到对称布置的承载气液阻尼器Ⅰ58-1和承载阻尼器Ⅱ58-2上，最终通过阻尼器底端连接的双向转动承载底座Ⅰ62.1、双向转动承载底座Ⅱ62.2和扭矩承载底座63.1、63.2)作用在后加载台底座78上。

D、调距桨油管脉动扭矩加载：

旋转油管脉动扭矩加载的振幅设置旋钮150，加载控制台脉动扭矩加载幅值显示仪表160显示相应的油管脉动扭矩振幅值。旋转油管脉动扭矩的频率设置旋钮151，加载控制台脉动扭矩频率显示仪表163显示相应的油管脉动扭矩频率值，此时，油管脉动扭矩加载是在油管扭矩载荷的基础上叠加一个脉动频率和脉动幅值在一定范围可调的油管脉动扭矩载荷，ARM高频加载控制器CPU121接收到油管扭矩载荷设定信号、脉动振幅设定信号和脉动频率设定信号后，编程产生相应频率近似正弦波的脉动信号，将该频率可调的脉动信号叠加在由油管扭矩加载旋钮设置的油管扭矩载荷上，通过扭矩加载油缸作用在模拟油管39上，实现对模拟油管39在扭矩载荷基础上的脉动加载。

E、调距桨油管轴向载荷手动加载：

旋转油管轴向载荷的振幅设置旋钮152，加载控制台轴向载荷幅值显示仪表161显示相应的油管轴向加载的振幅值。旋转油管轴向加载的频率设置旋钮153，加载控制台轴向加载频率显示仪表164显示相应的油管轴向加载的频率值，ARM高频加载控制器120的CPU121接收到油管轴向加载的振幅设定信号和频率设定信号后，编程产生相应频率近似正弦波的脉动信号。同时，ARM高频加载控制器120检测到轴向加载油缸4两腔油路的压力传感器Ⅳ103.4和压力传感器Ⅴ103.5的信号，通过解耦运算和PID控制运算，在模拟量输入输出模块118中输出控制轴向加载伺服阀105.2动作的控制信号，从而引起轴向加载油缸活塞杆跟随设定的正弦波脉动信号动作，轴向加载油缸4的油缸底座端通过轴向油缸支座架固定在前加载台底座2上，另一端通过活塞杆端件直接垂直作用在与之相连的加载轴11上，轴向脉动载荷通过加载轴11、加载夹具32、加载工装35和加载夹具38传递到模拟加载油管39上。同时，施加在模拟油管39上轴向载荷，通过加载夹具40、加载工装43、加载夹具44和承载轴47传递到轴向气液阻尼器72上，轴向气液阻尼器72固定安装在阻尼器支架座76上，通过螺栓连接固定在后加载台底座上。

F、调距桨油管扰动力手动加载：

旋转扰动力载荷设置旋钮149，加载控制台扰动力载荷显示仪表168显示相应的载荷值，扰动力加载是单方向的推力加载，扰动力载荷指令信号输入ARM高频加载控制器120的CPU121中，扰动力加载油缸67无杆腔检测的压力传感器Ⅵ103.6信号进行PID控制运算，通过模拟量输入输出模块118输出控制信号控制扰动力加载伺服阀106动作，从而引起扰动力加载油缸活塞杆动作。使扰动力加载油缸67无杆腔检测的压力传感器Ⅵ103.6信号计算的输出负荷值扰动力负荷显示仪表168显示的载荷值一致，扰动力加载油缸67的活塞杆端通过销轴与单向转动连接座68相连，单向转动连接座68套装在承载轴47上，油缸底端通过销轴连接在扰动力加载底座66上，扰动力加载底座66通过螺栓固定在后加载架底座78上。

G、调距桨油管扰动力脉动加载：

旋转油管扰动力的脉动振幅设置旋钮154，加载控制台油管扰动力脉动幅值显示仪表162显示相应的油管扰动力脉动振幅值，旋转油管扰动力的频率设置旋钮155，加载控制台油管扰动力频率显示仪表166显示相应的油管扰动力的脉动频率值，油管扰动力脉动加载频率是在油管扰动力载荷值的基础上叠加一个脉动频率和脉动幅值在一定范围可调的脉动扰动力负载，ARM高频加载控制器CPU121接收到扰动力载荷设定信号、脉动振幅设定信号和脉动频率设定信号后，编程产生相应频率近似正弦波的脉动信号，将该频率可调的脉动信号叠加在由油管扰动力载荷旋钮设置的载荷上，通过承载轴47、加载工装43和加载夹具44、40作用在模拟油管39上，实现对调距桨油管39在扰动上的脉动加载。H、调距桨油管扭矩加载、扰动力加载、油管扭矩脉动加载(频率、幅值)、轴向脉动加载(频率、幅值)、扰动力脉动加载(频率、幅值)加载：

依次或同时旋转油管扭矩载荷设置旋钮156、扭矩脉动频率设置旋钮151、扭矩脉动振幅设置旋钮150、轴向载荷频率设置旋钮153、轴向载荷振幅设置旋钮152、扰动力载荷设置旋钮149、扰动力脉动频率设置旋钮155和扰动力脉动振幅设置旋钮154，可分别独立控制扭矩加载、轴向加载和扰动力三个通道的力、力矩和脉动频率加载，NI数据采集系统113采集到各加载油路的压力传感器信号，传输到计算机与显示装置171中，运用各通道相互耦合的解耦算法，将计算结果在计算机与显示装置171上实时显示的实际油管扭矩载荷值、轴向载荷值、扰动力载荷值与油管扭矩负荷设置显示仪表、轴向脉动振幅负荷设置显示仪表、扰动力负荷设置显示仪表的显示值相一致。扭矩脉动加载、轴向载荷脉动加载和扰动力加载可通过在计算机与显示装置171中以图像形式直观显示。

以上所有工作模式下，NI数据采集系统113采集的压力传感器103和位移传感器270以及应变数据采集系统114采集的模拟油管各应变传感器240信号，实时传入计算机与显示装置171中实时显示，并保存相关检测信息；

3.自动加载

A、完成上述1加载试验前准备各事项后，加载准备就绪指示灯亮起，按下加载启动按钮，使得电磁溢流阀Ⅰ99.1、电磁溢流阀Ⅱ99.2工作，加载系统处于加载准备完成状态；

B、各个加载旋钮均归零位，此时将加载模式选择旋钮旋至自动，即进入自动加载模式；

C、在计算机与显示装置171中输入相应船型可调螺距螺旋桨在各种转速、各种螺距和不同船舶进速下调距桨长油管道所受扭矩载荷谱、扭矩脉动载荷谱、轴向脉动载荷谱、扰动力载荷谱，或者调用已存储在计算机与显示装置171内部的相应船型的调距桨油管受力载荷谱，并以数据库的形式通过以太网下载传输到ARM高频加载控制器120中，做为模拟实船调距桨长油管道在真实航行过程中的受力依据，即在不同螺距角、不同转速和不同的主机功率下，相应的，对调距桨油管产生的各种载荷作用。

C.车钟手柄的控制方式和控制程序完全模拟实船，车钟手柄有正车是个档位倒车5个档位和一个零位，正车为进一、进二、进三……进十，倒车为倒一、倒二……倒五，每一个档位分别对应与之相关的航速、螺距、主机转速等等，在不同档位下调距桨长油管道受到的扭力载荷、轴向载荷和扰动力载荷均有相应的载荷谱数值与之对应。车钟手柄在不同档位之间的变化通过电流信号输送到的计算机与显示装置171中，并以实船为参考依据，模拟实船的航速变化、主机转速变化和螺旋桨螺距变化，通过预先设定的程序，分别在油管扭矩载荷谱、轴向载荷谱和扰动力载荷谱中调用相应的加载指令值，通过以太网输出到ARM高频加载控制器中进行实时随动加载。

与前述一样，油管扭力加载、轴向加载和扰动力加载结果均在计算机与显示装置171显示器图形界面上实时显示，并保存相关检测信息。

3.疲劳加载

A、完成上述1加载试验前准备各事项后，加载准备就绪指示灯亮起，按下加载启动按钮，使得电磁溢流阀Ⅰ99.1、电磁溢流阀Ⅱ99.2工作，加载系统处于加载准备完成状态；

B、各个加载旋钮均归零位，此时将加载模式选择旋钮旋至疲劳，即进入疲劳加载模式；

C、调距桨油管疲劳加载：旋转油管疲劳加载的频率设置旋钮157，加载控制台油管疲劳加载的频率显示仪表167显示相应的油管疲劳加载频率值，设定的疲劳加载频率为扭矩脉动加载、轴向脉动加载和扰动脉动加载的同一频率，加载的载荷值和脉动振幅值由各自对应的载荷设定旋钮和脉动振幅设定旋钮确定。旋转油管疲劳加载的时间设置旋钮156，加载控制台疲劳加载的时间显示仪表168显示相应的疲劳加载时间值，达到设定时间后即可停止疲劳加载试验。

D、与前述一样，在疲劳加载试验时，油管扭力加载、轴向加载和扰动力加载结果均在计算机与显示装置171显示图形界面上实时显示，并保存相关检测信息。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的几个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置，包括加载台架组件、液压系统、电控及检测系统；所述加载台架组件和液压系统组成加载及疲劳试验台，其特征在于：

所述加载台架组件具有一个平台导轨，所述平台导轨两端设置有前加载台底座和后加载台底座，前加载台底座沿中心线由左到右依次设置轴向油缸加载支架座、加载后端支架座和加载前端支架座，加载后端支架座和加载前端支架座之间装有加载轴，加载轴中间固定连接加载架，加载架两端分别通过双向转动连接座连接一个扭矩加载油缸，两个扭矩加载油缸的缸底分别通过双向油缸座与固定在前加载台底座上的扭矩缸连接座连接；所述轴向油缸加载支架座上安装轴向油缸，轴向油缸的活塞杆通过轴向油缸连接座与加载轴固定连接；所述后加载台底座上沿中心线由左至右依次设置承载支撑座、两个扭矩承载底座、扰动油缸底座、阻尼器支架座；所述承载支撑座上安装承载轴，承载轴通过轴向承载连接座与轴向承载气液阻尼器活塞杆相连，轴向承载气液阻尼器通过轴向承载底座固定连接在阻尼器支架座上端；承载轴上装有承载架，承载架两端分别通过双向转动连接座Ⅱ与气液阻尼器的活塞杆连接，两个气液阻尼器分别通过双向转动阻尼器底座62连接两个扭矩承载底座；承载轴上通过单向转动连接座连接扰动力加载油缸的活塞杆，扰动力加载油缸下端与扰动油缸底座铰接；所述加载轴的右端通过轴夹具固定连接加载油管工装，所述承载轴的左端通过轴夹具固定连接承载油管工装；

所述液压系统具有一油箱，油箱通过油路分别与电调比例泵吸油口和液压控制泵的吸油口相连；电调比例泵出油口通过单向阀与高压滤器进油口、系统压力传感器蓄能器、溢流阀进油口、电磁溢流阀II进油口相连；液压控制泵出油口分别与电磁溢流阀I、电调比例变量泵控制油路相连；高压滤器出油口分别与扭矩加载高频伺服阀I进油口、轴向加载高频伺服阀II进油口、扰动力加载伺服阀进油口、压力传感器相连；扭矩加载高频伺服阀I出油口与压力传感器II、压力传感器III、扭矩加载油缸I无杆腔、扭矩加载油缸II有杆腔、扭矩加载油缸I有杆腔、扭矩加载油缸II无杆腔、电磁换向阀相连，扭矩加载油缸I的有杆腔与扭矩加载油缸II的无杆腔相连；轴向加载伺服阀II出油口与压力传感器Ⅳ、压力传感器Ⅴ、轴向加载油缸无杆腔、轴向加载油缸有杆腔相连；扰动力加载伺服阀出油口与压力传感器Ⅵ、扰动力加载油缸的无杆腔相连；扭矩加载伺服阀I出油口、轴向加载伺服阀II出油口、扰动力加载伺服阀的出油口一同与溢流阀出油口、电磁溢流阀II的出油口相连，经风冷却器进入不锈钢油箱底部；

所述电控及检测系统具有一个电源箱，电源箱分别连接加载及疲劳试验台、加载操纵面板、计算机与显示装置、由扭矩加载伺服阀I、轴向加载伺服阀II、扰动力加载伺服阀组成的伺服阀组、电机启动箱、ARM高频加载控制器、NI数据采集系统、应变数据采集系统传感器组；所述的加载操纵面板分别与显示仪表、计算机数据显示装置、PLC和ARM高频加载控制器的模拟量输入输出模块相连；计算机与显示装置分别与NI数据采集系统、应变数据采集系统和ARM高频加载控制器的以太网控制模块相连；ARM高频加载控制器分别与由压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ、压力传感器Ⅴ和压力传感器Ⅵ组成的传感器组和伺服阀组相连；可编程控制器PLC与电机启动箱和电磁阀相连；NI数据采集系统与力传感器组相连；应变数据采集系统与应变传感器组相连。

2.根据权利要求1所述的调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置，其特征在于：所述加载轴和承载轴中心线重合同心。

3.一种采用权利要求1或2所述的调距桨长油管道电液伺服加载及疲劳试验装置的加载及疲劳试验方法，其特征在于，其步骤为：首先，将模拟油管安装在加载油管工装与承载油管工装之间之间，通过操纵面板控制电动机启动箱和电磁阀，再通过操纵面板输入试验数据，由ARM高频加载控制器通过油管扭矩加载伺服阀Ⅰ、轴向加载伺服阀Ⅱ和扰动力加载伺服阀来分别控制扭矩加载油缸Ⅰ、扭矩加载油缸Ⅱ、轴向加载油缸和扰动力加载油缸；在后加载台底座上的扭矩气液阻尼器Ⅰ、扭矩气液阻尼器Ⅱ和轴向气液阻尼器承受模拟油管传递的加载载荷；NI数据采集系统和应变数据采集系统分别采集位移传感器组、力传感器组和应变传感器组各项模拟的试验数据，将采集到的各项模拟的试验数据传送到计算机与显示装置，由计算机与显示装置计算出最后的试验结果并显示。

4.根据权利要求3所述的加载及疲劳试验方法，其特征在于：所述加载及疲劳试验方法具有三种加载模式：手动加载模式、自动加载模式和疲劳试验加载模式。