CN110914147A - 确定向船用推进舱施加的力的方向和幅度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定向包括静态部分(13)和可移动部分(12)的系统(10)施加的力的方向和幅度的方法，所述可移动部分(12)在受到所述力时能够变形。通过测量静态部分和可移动部分之间在所述力的施加方向上的距离来测量在受到所述力时向所述可移动部分施加的机械变形，并且处理该距离测量值，以确定力的幅度和方向。

Description

确定向船用推进舱施加的力的方向和幅度的方法和设备

本发明涉及一种用于确定向机械结构施加的力的方向和幅度的方法和设备，所述机械结构特别地是船用推进舱，也称为定向推进式驱动器或POD。

在本说明书中，“船”是指设计成航行的任何类型的机动浮船或车辆。

船可以适配有一个或多个部分布置在船体中的部分浸没式推进舱。

图1示出了船体1，其包括浸没在诸如海(M)的水中的船推进舱2。

推进舱2包括：浸没式可移动壳体3、经由旋转轴链接到可移动壳体3的螺旋桨4和放置在船体中的定向设备5。

可移动壳体3包括驱动螺旋桨4的发动机。可移动壳体3经由枢转连杆6链接到定向设备5。设备5包括驱动设备，该驱动设备设计成使可移动壳体3定向，从而改变螺旋桨4的推进方向。

可移动壳体3被浸没并由此经受特别地由与浮动固体(例如，在破冰船的情况下的冰山)碰撞而产生的应力。

需要估算造成的损坏，以安排维护操作和向船长报告推进舱的状态。换句话说，需要估计接收到的碰撞的特征。因此，需要知道每次碰撞的方向和幅度。

为了确定在使用过程中对推进舱造成的损坏，一种解决方案包括为推进舱的可移动壳体安装应力传感器。

然而，为了使应力传感器进行精确的测量，应力传感器必须覆盖可移动壳体的整个表面。此外，每个传感器必须根据可移动壳体上的位置进行校准。

因此需要大量的应力传感器，并且这些传感器的安装复杂。每个传感器必须固定到外壳上并进行校准。

考虑到上述内容，提出克服与使用布置在可移动壳体的整个表面上的应力传感器来确定推进舱受到的碰撞的特征有关的缺点。

因此，根据一个方面，提出了一种用于确定向包括静态部分和可移动部分的系统施加的力的方向和幅度的方法，该可移动部分在所述力的作用下能够变形。

根据一个实施例，通过测量静态部分和可移动部分之间在力的施加方向上的距离来测量在所述力的作用下向可移动部分施加的机械变形，并且处理该距离测量值，以确定力的幅度和方向。

根据另一实施例，通过传送极限测量值的至少一个测量传感器的位置来确定力的方向，所述极限测量值是相对于测量值而言的，所述测量值分别由测量可移动部分相对于静态部分的移动的一组成角度分布的测量传感器提供。

有利地，通过根据力的值预先确定的一组距离测量值来确定力的幅度。

优选地，该距离测量值根据力的值而线性变化。

根据另一实施例，该方法包括使用有限元方法的计算步骤。

优选地，该方法包括在测试台上进行的力测量和移动步骤。

根据另一方面，提出了一种用于确定向包括静态部分和可移动部分的系统施加的力的方向和幅度的设备，该可移动部分在所述力的作用下能够变形。

根据一个实施例，该设备包括用于测量可移动部分的机械变形的装置，所述装置包括用于测量可移动部分和静态部分之间在力的施加方向上的距离的装置以及能够使用由测量装置传送的测量值来确定力的幅度和方向的处理装置。

有利地，测量装置包括在可移动部分周围成角度地分布的一组测量传感器。

优选地，测量传感器安装在可移动部分和静态部分的圆柱形部分上。

根据另一实施例，处理装置设计成通过传送极限测量值的至少一个测量传感器的位置来确定力的方向，所述极限测量值是相对于由其他传感器提供的值而言的。

有利地，处理装置包括存储装置，该存储装置设计成储存根据力的值预先确定的一组距离测量值，该处理装置设计成使用由传感器传送的测量值来确定力的幅度。

优选地，存储装置仅在幅度值大于阈值的情况下保存力的方向和幅度值。

有利地，可变形部分和静态部分是圆柱形。

根据另一方面，如上所述，船用推进舱包括用于确定所述舱上的力的方向和幅度的设备。

在下面的描述中阐明了本发明的其他目的、特征和优点，该描述仅通过非限制性示例并参考附图给出，其中：

-(已经提到的)图1是适配有推进舱的船体的示意图，

-图2和图3分别是适配有根据本发明的一个实施例的碰撞测量设备的推进舱的侧视图和俯视图，

-图4和图5是图2和图3中的推进舱的侧视图和俯视图，示出了舱及其碰撞测量设备在发生碰撞时的性能，

-图6示出在发生碰撞时推进舱的变形传感器随着时间的推移测量的值，和

-图7示出在发生碰撞时推进舱的变形传感器根据其角度位置测量的值。

参考图2和图3，其示出船推进舱10包括用于确定在船航行时向舱施加的力的特征的设备I。该设备特别地设计成确定向舱施加的力的方向和幅度。

如图所示，安装在船体下方的推进舱具有可移动部分12和静态部分13，可移动部分12包括驱动螺旋桨h的电动机，静态部分13固定在船体上，并且借助于枢转连杆14连接到可移动部分12。可移动部分12可以围绕垂直于船的纵轴线的旋转轴线A相对于静态部分13定向，其旋转角度有利地等于或接近180°。标记R1附属于静态部分13，而标记R2附属于可移动部分12。舱10通过静态部分13安装在船体下方，使得可移动部分12向外延伸并被浸没以推进船。因此，考虑到船的移动方向，在航行时产生的碰撞影响可移动部分12，特别是实质上影响前部和横向。

可移动部分12具有可移动壳体15，该可移动壳体15具有前球鼻(bulb)15a、安装有螺旋桨h的尖形后部15b和中间固定支柱16，中间固定支柱16的轴线与旋转轴线A重合，并且经由枢转连杆14将可移动部分12固定到静态部分13。为此，枢转连杆具有密封轴承P，该密封轴承P穿过船体，并且固定到静态部分13。

静态部分13具有圆柱形的静态壳体18，其安装在船体中，并且包括空气扩散器17，该空气扩散器17将冷却空气流引导至可移动部分12内携带有的电动机。

如图2所示，空气扩散器17的整体形状是圆柱形。空气扩散器包括基部17a，该基部17a刚性地连接至布置在中间柱17b下方的固定支柱16，该中间柱17b布置在开口头部17c下方。包括基部17a和中间柱17b的扩散器具有内部轴向通道，以将冷却空气引导至电动机。为此，基部17a具有内部鳍，该内部鳍设计成将冷却空气引导至电动机。

空气扩散器17还引导链接至电动机的电力电缆，该电动机布置在推进舱10中，并且驱动螺旋桨h。

为此，头部17c具有被支持在脚部17e上的顶部平台17d，电力电缆穿过该脚部17e。

中间部分17b具有与基部17a相对的直径较大的圆柱形端部17f。

包括布置在中间柱17b下方的基部17a的组件具有高度H。

用于确定向舱施加的力的特征的设备I包括用于测量舱的机械变形的构件19。构件19特别地设计成在舱的机械变形期间测量可移动部分12相对于静态部分13的移动。设备I还包括处理单元11，该处理单元11设计成使用由测量构件19传送的测量值来确定力的幅度和方向。

处理单元例如基于微处理器。然而，所述单元可以是能够使用由测量构件19传送的测量值来确定力的幅度和方向的任何设备。所述单元特别地可以是微控制器。

测量构件19能够确定中间柱17b的与空气扩散器17的基部17a相对的圆柱形端部17f与投影到垂直于轴线A的平面上的静态壳体18之间的距离D。

测量构件19包括一组测量传感器。在设备的该示例性实施例中，测量构件19具有六个相同的传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f，他们安装在静态壳体18上，并且朝向扩散器17。所述传感器有利地定位成指向圆柱形表面17f。

传感器安装在静态壳体18的圆柱形部分上。

测量传感器例如是使用超声传感器制成的非接触式传感器。在一种变型中，这些传感器可以由光学传感器制成。

测量传感器布置成测量距离D，所述距离D位于空气扩散器17在其与可移动壳体15相对的端部处的中间柱17b的端部17d的圆柱形表面的外表面与静态壳体18之间。换句话说，每个传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f测量圆柱形表面17d的与枢转连杆14相对的端部与投影到(相对于静态部分13)垂直于可变形部分12的旋转轴线(A)的平面上的静态部分13之间的距离。

如图3所示，测量传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f相对于轴线A成角度地规则地分布在朝向螺旋桨的静态壳体18的半周长上。每个测量传感器的位置是已知和参考的。由于空气扩散器17和静态壳体18是圆柱形的，能够相对于彼此在大约180°的角度范围内旋转移动，因此无论扩散器17和静态壳体18的角度位置如何，都只有一半周长的壳体需要适配变形传感器来测量扩散器17相对于静态壳体18的移动。

这减少了所需的测量传感器的数量。

在所示实施例中，测量构件19具有六个测量传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f，他们相对于轴线A彼此分开30°的角度。

自然地，可以增加围绕轴线A规则分布的附加测量传感器，以提高变形测量的精度，或者可以移除测量传感器，以简化设备I的实现。

处理单元11处理由测量传感器传送的测量值，以响应地提供对推进舱的状态的指示。

首先对所述单元进行编程，以确定向舱10的浸没式可移动部分12施加的力的方向和幅度。

根据设备I的一个实施例，通过选择传送极限值的测量传感器来确定力的方向和幅度。

实际上，当向舱的可移动壁施加的力的方向与一个测量传感器指示的方向对齐(即与穿过轴线A和一个传感器的半径平行)时，该传感器传送相对于其他传感器的极值。

因此，处理单元11通过识别提供极值的传感器来确定力的方向。

如果以与传感器的安装角度相同的角度施加力，则该传感器提供的值最小。

如果在与传感器安装角度增加180°相对应的方向上施加力，如图4所示，则测得的距离值最大。

所选传感器的位置指示力的施加方向，并且测量值使得可以确定力的幅度，如下所述。

如果以除了测量传感器的角度之外角度施加力，则处理单元11选择传递最大极限测量值的两个测量传感器。

所选传感器的位置指示力的施加方向。在这种情况下，力的施加点在两个选定的传感器之间，并且测量值使得可以确定力的幅度，如下所述。

根据设备I的另一实施例，通过识别曲线C1的极值来确定力的方向和幅度，该曲线C1的极值与由传感器在时刻T根据其相对于轴线A的角度位置传送的值相联系。

如果未施加力，则由测量传感器测量的距离值相同。曲线C1基本上是没有极值的水平直线。

如果以与传感器的安装角度相同的角度施加力，则曲线C1的极值最小。

如果在与传感器的安装角度增加180°相对应的方向上施加力，如图4所示，则曲线C1的极值最大。

曲线C1将极值与在标记R1中施加力的角度位置联系起来。

处理单元11在每个时刻T对测量传感器的值进行采样，确定曲线C1，识别极值并从中推断出力的施加方向。

采样周期T例如是5ms。

极值使得可以确定力的幅度，如下所述。

如果舱10没有受到碰撞，则对于每个测量传感器，距离D的值等于预先确定的值d。

使用以施加力的幅度与每个测量传感器测量的值之间的相关性的形式存储在处理单元11的存储器中的数据，来确定向可变形部分12施加的力的幅度。该相关性是将力的值作为每个测量传感器测得的值的函数联系起来的响应曲线DR(图2)。

响应曲线DR可以采用任何形式，特别地是线性、多项式或抛物线形。

为了阐明响应曲线DR的确定，下面假设响应曲线DR是线性的。

通过绘制当将已知值的力施加到可变形部分12时由测量传感器测量的距离值来建立该直线DR。

已知值和测量值各自在直线DR上形成一个点，该点由距离/力的值对(valuepairing)来定义。至少需要两个值对来确定直的响应线。

在未向可变形部分12施加力的情况下确定第一值对。这产生距离值d。

通过以与测量传感器相同的角度向可变形部分12施加已知幅度的力来确定第二值对。

这两个值对使得可以确定直的响应线DR的线性方程。

本领域技术人员可以根据曲线的形状来调整所需的值对的数量。

由于测量传感器相同，并且布置在圆柱形壳体18的半周长上，并且由于扩散器17是圆柱形的，因此直线DR对于所有测量传感器都是相同的。

例如通过使用已知的有限元方法的模型和计算或使用在安装在试验台上的推进舱10上进行的力和移动测量来确定这些值对。

处理单元11通过推算响应曲线DR，将由测量传感器测量的每个值与力的幅度相关联。

处理单元选择返回相对于由其他传感器测量的其他值的极值的测量传感器，并且使用由所选测量传感器提供的值和响应曲线DR来计算施加力的幅度。

如果两个传感器返回相对于其他传感器测量的值的极值，且这两个值在公差范围内相等，则处理单元11通过对使用两个传感器测得的值和响应曲线DR确定的两个幅度求平均值来计算施加力的幅度。

自然地，可以通过使用两个以上的值对二次方地绘制直线响应线DR来提高确定力的幅度的精度。

参考图4和图5，示出了舱在时刻Tc受到力

时的设备I。在这种情况下，力

以相对于轴线(A)逆时针270°定向，并且幅度为F。围绕轴线(A)以与测量传感器19c相等的角度增加180°来施加力

在与空气扩散器17的与固定支柱16接触的端部相距距离L的碰撞点处施加力

在力

的碰撞作用下，推进舱10的可移动部分相对于静态部分变形。由于可移动部分12和静态部分13在碰撞方向上刚性地连接在一起，因此力

在可移动部分和静态部分之间在旋转轴线(A)的点P处向固定支柱16施加扭矩M，其值为F*L。固定支柱16在力矩M的作用下变形。距离L的增大放大了固定支柱16的变形。因此，壳体15放大了向可变形部分12沿着长度L施加的力的影响。

由于扩散器17刚性地连接到沿着碰撞方向变形的固定支柱16，因此所述扩散器沿着与碰撞

相反的方向移动，使得点P构成承受力的可变形部分的枢轴。如上所述，扩散器17的移动幅度根据其高度H而被放大。

测量传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f测量被扩散器17的高度H放大的移动。

图6示出了六个测量传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f测量的距离随时间t的变化趋势。如果没有碰撞，则由七个传感器测得的距离D19a、D19b、D19c、D19d、D19e和D19f全部都等于d。

在碰撞瞬时Tc，由与向舱施加的力的方向一致的传感器19d测量的距离D19c的值具有峰值幅度dc。

传感器19a、19b、19d、19e和19f测量不同的距离，在这种情况下是较小的距离。

图7示出了六个测量传感器19a、19b、19c、19d、19e和19f在碰撞瞬间Tc测量的距离根据其相应的角度位置的变化趋势。如图3所示，当可移动壳体15处于海上操作状态时，即当可移动部分12与静态部分13对齐时，测量传感器19c处于0°的角度位置。

曲线C1在相对于轴线(A)的角度位置α处具有测得的最大幅度dc，该角度位置α位于传感器19b和19c之间。

处理单元11使用由测量传感器19测量的值和上面确定的响应曲线DR，根据所测得的峰值幅度的变化，来过滤和确定标记R1处的扭矩M、碰撞的幅度、碰撞的方向，然后在标记R2处投影碰撞的方向。

根据推进舱10的取向，标记R1和R2不一致。

处理单元11根据时间将在船和推进舱的标记处碰撞的幅度和方向值保存在存储器中。

根据另一实施例，仅当碰撞的幅度值大于预先确定值时，处理单元11才保存碰撞的特征。换句话说，仅在幅度值大于阈值时，才保存碰撞的方向值和相应的幅度值。对碰撞特征的这种选择性保存使得可以快速地分析损坏舱10的碰撞，以决定何时进行维护操作。

处理单元11具有用于实时显示碰撞的幅度和方向值以及所保存的值的屏幕。

所保存的值使得可以例如通过将测量的和计算的特征与阈值进行比较来创建碰撞日志，并由此计划推进舱10的预防性维护周期。

有利地，所描述的方法的实施例以简单的方式确定碰撞的方向和幅度，需要很少的传感器，并且对于测量构件仅需要一个校准步骤。

该实施例可以容易地变换，以研究以非永久方式向舱施加的力。处理单元和测量构件仅需要足够的分辨率，以在向舱施加力时检测幅度的变化。

Claims (14)

1.一种用于确定向包括静态部分(13)和可移动部分(12)的系统(10)施加的力的方向和幅度的方法，所述可移动部分(12)在所述力的作用下能够变形，其特征在于，

-通过测量所述静态部分和所述可移动部分之间在所述力的施加方向上的距离来测量在所述力的作用下向所述可移动部分施加的机械变形，和

-处理所述距离测量值，以确定所述力的幅度和方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过传送极限测量值的至少一个测量传感器的位置来确定所述力的方向，所述极限测量值是相对于测量值而言的，所述测量值分别由测量所述可移动部分(12)相对于所述静态部分(13)的移动的一组成角度分布的测量传感器提供。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过根据力的值预先确定的一组距离测量值来确定所述力的幅度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述距离测量值根据所述力的值而线性变化。

5.根据权利要求3或4所述的方法，还包括使用有限元方法的计算步骤。

6.根据权利要求3或4所述的方法，还包括在测试台上进行的力测量和移动步骤。

7.一种用于确定向包括静态部分(13)和可移动部分(12)的系统(10)施加的力的方向和幅度的设备，所述可移动部分(12)可以在所述力的作用下变形，其特征在于，所述设备包括用于测量所述可移动部分(12)的机械变形的装置(19)，所述装置(19)包括用于测量所述可移动部分(12)和所述静态部分(13)之间在所述力的施加方向上的距离的装置(19a、19b、19c、19d、19e、19f)以及能够使用由所述测量装置(19)传送的测量值来确定所述力的幅度和方向的处理装置(11)。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述测量装置(19a、19b、19c、19d、19e、19f)包括在所述可移动部分(12)周围成角度地分布的一组测量传感器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述测量传感器(19a、19b、19c、19d、19e、19f)安装在所述静态部分(13)和所述可移动部分(12)的圆柱形部分上。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的设备，其中，所述处理装置设计成通过传送极限测量值的至少一个传感器的位置来确定所述力的方向，所述极限测量值是相对于由其他传感器提供的值而言的。

11.根据权利要求7至9中的任一项所述的设备，其中，所述处理装置(11)包括存储装置，所述存储装置设计成储存根据力的值预先确定的一组距离测量值，所述处理装置设计成使用由所述传感器传送的测量值来确定所述力的幅度。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述存储装置仅在幅度值大于阈值的情况下保存力的所述方向和所述幅度值。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的设备，其中，可变形部分(12)和所述静态部分(13)是圆柱形。

14.一种船用推进舱，其包括根据权利要求7至13中任一项所述的用于确定所述舱(10)上的力的方向和幅度的设备。

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