CN111504637B - 一种推进轴扭振测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推进轴扭振测量方法，包括以下步骤：步骤一，将明暗等间距交替的具有反射特性的码带沿着周向平整粘贴于推进轴上，通过采集码带脉冲信号，获得推进轴扭振信号，步骤三，将所述推进轴扭振信号转化为计算机可识别的电信号，步骤四，将所述计算机可识别的电信号输入到计算机中，步骤五，根据计算机得到的信号精确计算推进轴和码带的旋转角度，通过计算码带旋转的角度位置随时间变化的函数来获得推进轴扭振，本发明不需要提前知道推进轴准确轴径，采集到的扭振信号不会衰减，测试准确性提高。

Description

一种推进轴扭振测量方法

技术领域

本发明涉及扭振测量领域，具体是一种推进轴扭振测量方法。

背景技术

船舶推进轴作为船舶主动力装置的核心组成，是将主机发出的功率传递给旋桨，使螺旋桨旋转产生推力，并将螺旋桨产生的推力传递给推力轴承，给船舶提供动力，主要由推力轴承、中间轴、中间轴承、艉轴、艉轴承、桨轴和螺旋桨等组成。

扭振是船舶推进轴的关键设计指标，推进轴扭振设计不当可能会导致轴系共振，造成螺旋桨、中间轴、轴承、传动齿轮装置和主机等设备发生故障或灾难性事故，后果十分严重。同时，由于螺旋桨和船体附着水生物、船体变形及磨损劣化等问题，都会使推进轴实际状态偏离设计值，失效风险增加。因此，对船舶推进轴运行期间扭振进行定期现场测试十分必要。

船舶在稳定运行时，由于存在水流、风向等不确定因素影响，推进轴转动速度必然会存在一定的波动，这种波动即为推进轴扭振所引起，也直接反映了推进轴的扭振状态。所以，目前船舶推进轴扭振主要是通过测量瞬时角速度变化测量。现有扭振测试方法主要有直接法和间接法两类，直接法就是直接感测轴的扭振，间接法是通过测量定子电流等与扭振有关的物理量来得到扭振信息，对于船舶推进轴系扭振测试，一般采用直接法测试。直接法有接触式和非接触式，接触测量主要是将应变片、加速度计或编码器等传感器安装到轴上，通过集流环或者无线装置采集扭振信号；非接触式主要是通过加装齿轮编码器等设备，利用电磁感应或电涡流效应的技术测试轴系扭振。

在这些扭振测试方法都需要提前在推进轴上安装传感器，一般需要根据推进轴轴径定制齿盘、卡环等工装，工装加工精度要求高，且安装时工装和推进轴同轴度要求非常高，存在测试成本高、安装困难、位置固定等不足。另外，还有通过皮带转筒采集推进轴扭振方法，该方法至少存在两个方面不足：

1、一是该方法需要将推进轴旋转线速度折算成扭振，必须要提前知道推进轴准确轴径，现场测试存在较大误差，测试准确性得不到保障；

2、二是皮带轮为弹性部件，在传递扭振时具有隔振效果，采集到的扭振信号衰减严重。因此，船舶轴系扭振的现场测试需要重新设计与改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种推进轴扭振测量方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种推进轴扭振测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一，将码带沿着周向平整粘贴于推进轴上；

步骤二，通过采集码带脉冲信号，获得推进轴扭振信号；

步骤三，将所述推进轴扭振信号转化为计算机可识别的电信号；

步骤四，将所述计算机可识别的电信号输入到计算机中；

步骤五，根据计算机得到的信号精确计算推进轴和码带的旋转角度，通过计算码带旋转的角度位置随时间变化的函数来获得推进轴扭振。

上述步骤一至步骤五，可以实现步骤简单、安装快速的测量推进轴的扭振。

优选的，一种推进轴扭振测量方法，其特征在于，还包括

步骤一中所述码带上是明暗等间距交替的具有反射特性的码带；

步骤二中所述采集码带脉冲信号，是通过激光转速传感器采集；

步骤三中所述将推进轴扭振信号转化为计算机可识别的电信号，是通过采集器转化；

步骤四中所述计算机可识别的电信号输入到计算机中，是通过采集器将电信号传输给计算机；

步骤五中所述计算扭振过程，采用数学方法处理了码带接缝处不均匀引起的测量误差。

上述步骤一至步骤四对实现每个步骤所需要的设备做出了介绍。

优选的，一种推进轴扭振测量方法，所述步骤五的具体步骤为：

假设缠绕推进轴1周的码带总共有k个条纹，则推进轴旋转1转采集器采集到k个脉冲，编号依次为1、2、…、k,条纹1到2对应的角度、用时和瞬时转速(转/秒)分别为L₁、t₁、n₁，后续依次为 L₂、t₂、n₂，…，L_k、t_k、n_k，则

瞬时转速为：

平均转速为：

瞬时转速、平均转速和扭振有T_i＝n-n_i的关系。

将采集到的电信号，在计算机的软件程序上，通过上述算法计算出扭振值。

优选的，一种推进轴扭振测量方法，还包含码带端面结合处修正，具体如下：

条纹对应的角度为L，将码带端面结合处定于k和1之间，令条纹1到2的角度和用时分别为L₁、t₁，后续依次为 L₂、t₂，…，L_k-1、t_k-1,条纹k到1的角度和用时分别L_k、t_k，

得到：

设：

得到：

即得到修正后的瞬时转速n_i。

优选的，修正后的瞬时转速更精确，即可以计算更精确的扭振值。

一种推进轴扭振测量方法，还包含码带条纹数量K优化，具体如下：

设f为采样频率，N为测试推进轴系最高转速，转速允许误差为 e，利用m个脉冲间平均转速计算推进轴系的瞬时转速，

得到：

即条纹K的数量。

条纹数量K过多或者过少，都会影响测量的准确度，根据上述方法对条纹数量K进行优化会使测量值最接近精确值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比于传统的通过皮带转筒采集推进轴扭振方法，本发明不需要将推进轴旋转线速度折算成扭振，不需要提前知道推进轴准确轴径，不存在现场测试存在较大误差的情况，测试准确性得到保障；

2、相比于传统的通过皮带转筒采集推进轴扭振方法，本发明没有运用皮带轮为弹性部件，在传递扭振时不会有隔振效果，采集到的扭振信号衰减微小，测量精度会提高。

附图说明

图1为本发明一种推进轴扭振测量方法的步骤示意图；

图2为本发明码带测量原始信号；

图3为本发明码带修正前测量转速；

图4为本发明码带修正后测量转速；

图5为本发明采集器测量的脉冲电平信号；

图6为本发明不考虑码带端面接缝影响直接计算得到的时间、瞬时转速和扭振；

图7为本发明用码带接缝修正技术计算得到的瞬时转速和扭振；

图8为本发明用码带接缝修正技术和多码带平均计算得到的瞬时转速和扭振。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：本发明提出的扭矩测试所用仪器均为市面通用设备，主要包含计算机、采集器、激光转速传感器和码带。

一种船舶推进轴扭振现场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将码带沿着周向平整粘贴于推进轴上；

步骤二，船舶推进轴旋转时，码带明暗交替通过时，通过激光转速传感器采集码带脉冲信号时间差获得推进轴扭振信号；

步骤三，此时激光转速传感器会产生高低不同的电信号，经过采集器处理；

步骤四，将经过采集器处理的电信号输入计算机，形成矩形波的时域信号(如图2)；

步骤五，扭振测量的基本分析方法是在角度域进行处理，需要精确测量推进轴和码带的旋转角度，通过计算码带旋转的角度位置随时间变化的函数来获得推进轴扭振，而扭振测量需要考虑两方面的因素；因此，该步骤具体如下：

假设缠绕推进轴1周的码带总共有k个条纹，则推进轴旋转 1转采集器采集到k个脉冲，编号依次为1、2、…、k,条纹 1到2对应的角度、用时和瞬时转速(转/秒)分别为L₁、t₁、n₁，后续依次为L₂、t₂、n₂，…，L_k、t_k、n_k，所以

瞬时转速

平均转速

扭振T_i＝n-n_i (3)

一种推进轴扭振测量方法，还包括码带端面结合处修正，这是因为使用码带对推进轴扭振进行测量，难以确保码带端面结合处正好保持条纹等间距，端口处条纹间距在0～2倍之间随机分布，这必将引起转速的不连续性，图3中转速冲击即为码带端面结合处不连续性引起，必须进行修正。

编号依次为1、2、…、k，相邻条纹对应的角度为L，将码带端面结合处定于k和1之间，此处测量脉冲间推进轴实际旋转的角度不等于L，从而会导致转速突变。

令条纹1到2的角度和用时分别为L₁、t₁，后续依次为 L₂、t₂，…，L_k-1、t_k-1,条纹k到1的角度和用时分别L_k、t_k。在工况稳定情况下，平均转速与转速的波动存在数量级的差异，所以：

由于L₁＝L₂＝…＝L_k-1＝L，所以

设

所以L_k＝(1-μ)×L (7)

从而，修正后的瞬时转速为n_i，(如图4)

一种推进轴扭振测量方法，还包括码带条纹数量优化，理论上，推进轴每周包含条纹数量越多，测量获得瞬时转速精度越高、越准确，但前提是采集器有足够高的采样率。

实际上，通用数据采集器的采样率f都是有限的，一般不超过200kHz，平均转速为n(单位转/秒)，则脉冲采样率 f_p＝n×k脉冲/秒，脉冲间采样点数M＝f/f_p＝f/(n×k)，所以，过高的条纹数会导致每个脉冲间采样点数较低，从而增加了测试误差，可能会出现测试误差远大于转速波动的情况。如图3所示，由于采集器采样率限制，导致码带条纹间采样点数较少，因采样误差引起的波动远大于实际转速波动(实际波动在 2r/m以内)，扭振特征完全被测量误差覆盖。

因此，为了得到理想的测量结果，必须要对码带条纹数进行优化，确保码带条纹间采样点达到要求的数量。设f为采样频率，即采样间隔t_s＝1f,N为测试推进轴系最高转速，转速允许误差e, 脉冲采样分辨率为σ，则有

为了提高脉冲的采样分辨率和脉冲数量，可以利用m个脉冲间平均转速计算推进轴系的瞬时转速，通过m个脉冲用时为 t’_i、瞬时转速为n’_i，则有瞬时转速如下：

此时，

将瞬时转速公式代入式(3)，即可得到推进轴扭振。

实施例2：

1、采集器得到如图5所示的脉冲电平信号，采集器的采样脉冲频率f＝32768Hz，转轴一圈的码带数目k＝120。

2.使用采集得到图5所示的电平信号，不考虑码带端面接缝误差直接计算得到用时ti；根据公式(1)计算得到瞬时转速ni；根据公式(2)计算得到平均转速n＝4.15转/秒；根据公式(3)计算得到扭振Ti；结果见表1和图6。

表1不考虑端面接缝直接计算得到的时间、瞬时转速和扭振

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	…	119	120
													t<sub>i</sub>(10<sup>-2</sup>秒)	0.21	0.19	0.21	0.19	0.21	0.18	0.21	0.19	0.21	…	0.21	0.25
n<sub>i</sub>(转/秒)	3.95	4.33	3.96	4.40	3.90	4.55	3.90	4.33	3.90	…	3.90	3.33
													T<sub>i</sub>(转/秒)	-0.19	0.18	-0.19	0.25	-0.25	0.40	-0.25	0.18	-0.25	…	-0.25	-0.82

3.使用实验采集得到图5所示的电平信号，根据公式 (6)计算得到的参数μ＝-0.2491。

4.使用实验采集得到图5所示的电平信号，考虑码带端面接缝误差，采用接缝修这个技术根据公式(8)计算得到瞬时转速ni；再根据公式(3)计算得到扭振Ti；结果见表2和图7。

表2采用接缝修正技术计算得到的瞬时转速和扭振

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	…	119	120
													n<sub>i</sub>(转/秒)	3.95	4.33	3.95	4.40	3.89	4.54	3.89	4.33	3.89	…	3.89	4.15
T<sub>i</sub>(转/秒)	-0.20	0.17	-0.20	0.24	-0.26	0.39	-0.26	0.17	-0.26	…	0.17	-0.26

5.使用实验采集得到图5所示的电平信号，考虑码带端面接缝误差，采用接缝修正技术和多码带平均技术计算得到瞬时转速ni；扭振Ti；结果见表3和图8，码带平均数m＝6。

表3接缝修正和多码带平均计算得到的时间、瞬时转速和扭振

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	…	19	20
													t<sub>i</sub>(10<sup>-2</sup>秒)	1.20	1.21	1.20	1.21	1.20	1.21	1.20	1.21	1.20	…	1.19	1.27
n<sub>i</sub>(转/秒)	4.16	4.12	4.16	4.13	4.16	4.13	4.16	4.14	4.16	…	4.20	4.09
													T<sub>i</sub>(10<sup>-2</sup>转/秒)	0.93	2.22	0.93	2.22	0.93	2.22	0.93	1.17	0.93	…	5.21	5.75

本发明的工作原理是：将码带沿着周向平整粘贴于推进轴上，船舶推进轴旋转时，码带明暗交替通过时，通过激光转速传感器采集码带脉冲信号时间差获得推进轴扭振信号，此时激光转速传感器会产生高低不同的电信号，经过采集器输入计算机，形成矩形波的时域信号，通过计算码带旋转的角度位置随时间变化的函数来获得推进轴扭振，通过计算平均近似的方法对对码带端面结合处进行修正，最后在有限的数据采集器的采样率下，计算出最优的码带条纹数。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种推进轴扭振测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一，将码带沿着周向平整粘贴于推进轴上；

步骤二，通过采集码带脉冲信号，获得推进轴扭振信号；

步骤三，将所述推进轴扭振信号转化为计算机识别的电信号；

步骤四，将所述计算机识别的电信号输入到计算机中；

步骤五，根据计算机得到的信号精确计算推进轴和码带的旋转角度，通过计算码带旋转的角度位置随时间变化的函数来获得推进轴扭振，具体如下：

假设缠绕推进轴1周的码带总共有k个条纹，则推进轴旋转1转采集器采集到k个脉冲，编号依次为1、2、…、k,条纹1到2对应的角度、用时和瞬时转速r/s分别为L₁、t₁、n₁，后续依次为L₂、t₂、n₂，…，L_k、t_k、n_k，则

瞬时转速为：

平均转速为：

瞬时转速、平均转速和扭振有T_i＝n-n_i的关系；

所述计算扭振过程，还采用数学方法处理了码带接缝处不均匀引起的测量误差，具体为对码带端面结合处修正，具体如下：

条纹对应的角度为L，将码带端面结合处定于k和1之间，令条纹1到2的角度和用时分别为L₁、t₁，后续依次为L₂、t₂，…，L_k-1、t_k-1,条纹k到1的角度和用时分别L_k、t_k，

得到：

设：

得到：

即得到修正后的瞬时转速n_i。

2.根据权利要求1所述的一种推进轴扭振测量方法，其特征在于，

步骤一中所述码带上是明暗等间距交替的具有反射特性的码带；

步骤二中所述采集码带脉冲信号，是通过激光转速传感器采集；

步骤三中所述将推进轴扭振信号转化为计算机可识别的电信号，是通过采集器转化；

步骤四中所述计算机可识别的电信号输入到计算机中，是通过采集器将电信号传输给计算机。

3.根据权利要求1所述的一种推进轴扭振测量方法，其特征在于，还包含码带条纹数量K优化，具体如下：

设f为采样频率，N为测试推进轴系最高转速，转速允许误差为e，利用m个脉冲间平均转速计算推进轴系的瞬时转速，

得到：

即条纹K的数量。

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