CN111806649B - 一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置及方法，属于船舶测控技术领域。操舵倒航机构中包括双剪切面销轴和单剪切面销轴分别与测试装置连接；测试装置包括传感器、信号放大器、数据采集仪和上位机；传感器通过信号放大器与数据采集仪连接，数据采集仪再与上位机连接。通过对双剪切面销轴之间的连杆中布置力传感器，间接求出双剪切面销轴的剪切力；对单剪切面销轴，采用对被测试销轴的受剪切部位环向布置电阻式应变片的方式获得销轴所受实际力的大小。通过本发明，可以直接或者间接求得操舵倒航机构转动副所受径向力的大小，进而为操舵倒航机构的受力研究提供可靠的试验手段。

Description

一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置及方法，属于船舶测控技术领域。

背景技术

测量喷水推进装置的操舵倒航机构在倒航状态下倒航斗、方向舵、连杆、液压缸等连杆机构连接处销轴处的径向力，可以为倒航液压缸提供较为准确的受力设计输入，为液压缸量程的选用提供参考；也可以为销轴处的结构设计，特别是销轴强度校核提供工程指导；还可以为机构受力的优化提供试验研究手段。

操舵倒航机构上的转动副主要有两种，一种是销轴上有两个受剪切面的双剪切面销轴，如连杆两侧的销轴，倒航液压缸与倒航斗上颚和方向舵连接处的销轴；另一种是销轴上仅有一个受剪切面的单剪切面销轴，如方向舵分别于倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴。两种销轴的受力模型有一定的差异，因此需要采用不同的测试方法。无论是双剪切面销轴还是单剪切面的销轴，都是因为与销轴连接的操舵倒航机构本体对销轴产生了由销轴表面指向销轴轴线的径向作用力。由于销轴径向作用力的存在，对销轴产生剪切变形，直径影响了销轴的使用。本技术领域需要一种测量喷水推进装置的操舵倒航机构在倒航状态下倒航斗、方向舵、连杆、液压缸等连杆机构连接处销轴的径向力的装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的是为解决喷水推进装置的操舵倒航机构在倒航状态下倒航斗、方向舵、连杆、液压缸等连杆机构连接处销轴处的径向力如何测量的技术问题。

为了达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，操舵倒航机构中包括单剪切面销轴和连接杆两端设有的双剪切面销轴；双剪切面销轴和单剪切面销轴与测试装置连接；测试装置包括传感器、信号放大器、数据采集仪和上位机；所述设有双剪切面销轴的连接杆上设有传感器，所述单剪切面销轴上设有传感器；传感器通过信号放大器与数据采集仪连接，数据采集仪一端与信号放大器连接，另一端与上位机连接。

优选地，所述操舵倒航机构中设有倒航连接杆和连杆；倒航连接杆和连杆的两端分别设有双剪切面销轴。

优选地，所述操舵倒航机构中设有方向舵和倒航斗；倒航斗设有上颚和下颚；方向舵和倒航斗上颚和下颚分别通过单剪切面销轴连接。

优选地，所述两个双剪切面销轴之间设有连接杆，连接杆中间位置设有应变式力传感器。

优选地，所述单剪切面销轴的外侧轴体上，环绕轴体的圆柱形外周设有环形凹槽，环形凹槽中设有用作传感器的电阻式应变片。

优选地，所述环形凹槽的中轴线与单剪切面销轴的中轴线重合。

优选地，所述环形凹槽中设有四片电阻式应变片。

优选地，所述环形凹槽中均匀等距设有四片电阻式应变片，相邻的两片电阻式应变片与所述环形凹槽所在的虚拟圆周的圆心构成90度圆心角。

优选地，所述四片电阻式应变片构成应变桥电路；电阻式应变片与销轴设有的中心孔之间设有用于应变桥电路信号线通过的穿线孔。

本发明还提供一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：在操舵倒航机构的连杆及倒航连接杆中间部位布置应变式力传感器用于双剪切面销轴的测试，主要应用于连杆及倒航连接杆两端销轴径向力的测量；

步骤2：在操舵倒航机构的方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴的外侧轴体的外周开设有环形凹槽，环形凹槽中均匀布置4个电阻式应变片组成应变式桥路，用于单剪切面销轴的测试，主要应用于方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴径向力的测量；

步骤3：将应变式力传感器和应变式桥路分别与销轴信号放大器连接；

步骤4：相应的信号放大器对力传感器和应变桥路所产生的微应变电压信号进行放大，然后采用应变式数据采集仪对放大的电压信号进行采集并将模拟信号转换成数字信号，最后将数字信号输出到上位机的信号处理软件，对操舵倒航机构在全速倒航状态各应变式传感器的应变信号进行实时记录，根据所记录的电压信号及应变式传感器的校验放大系数，对操舵倒航机构模型各销轴的力进行换算，从而间接或直接求出各销轴传感器的径向力。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

对于双剪切面销轴，可以将其连杆简化成一种二力杆，只需要对连杆中间位置布置力传感器，可以间接求出双剪切面销轴的剪切力；对单剪切面销轴，由于无法直接布置力传感器及剪力传感器，因此采用直接测量的方式，即对被测试销轴的受剪切部位环向布置电阻式应变片，组成应变桥路，通过读取应变桥路的微应变电压信号，并经过放大器进行放大，通过校正应变响应和力之间的放大比例系数，从而求得销轴所受实际力的大小。通过上述方式，可以直接或者间接求得操舵倒航机构转动副所受径向力的大小，进而为操舵倒航机构的受力研究提供了可靠的试验手段。

附图说明

图1为操舵倒航机构被测物理模型外观图；

其中局部放大图I为倒航连接杆两端的双剪切面销轴结构图；

局部放大图II为连杆两端的双剪切面销轴结构图；

局部放大图III为方向舵与倒航斗上颚连接的单剪切面销轴结构图；

图2为双剪切面销轴力的测量结构布置外观图；

图3为双剪切面销轴力传感器连接布置图；

图4为单剪切面销轴传感器结构外观图；

图5为单剪切面销轴传感器本体结构图；

图6为单剪切面销轴传感器应变片布置示意图；

图7为操舵倒航机构转动副销轴测试装置结构示意图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-7所示，本发明提供一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，操舵倒航机构中包括单剪切面销轴和连接杆两端设有的双剪切面销轴；双剪切面销轴和单剪切面销轴与测试装置连接；测试装置包括传感器、信号放大器、数据采集仪和上位机；设有双剪切面销轴的连接杆上设有传感器，单剪切面销轴上设有传感器；传感器通过信号放大器与数据采集仪连接，数据采集仪一端与信号放大器连接，另一端与上位机连接。操舵倒航机构中设有倒航连接杆1和连杆2；倒航连接杆1和连杆2的两端分别设有双剪切面销轴。操舵倒航机构中设有方向舵4和倒航斗；倒航斗设有上颚5和下颚6；方向舵4和倒航斗上颚5和下颚6分别通过单剪切面销轴连接。两个双剪切面销轴之间设有连接杆，连接杆中间位置设有应变式力传感器。单剪切面销轴的外侧轴体上，环绕轴体的圆柱形外周设有环形凹槽，环形凹槽中设有用作传感器的电阻式应变片。环形凹槽的中轴线与单剪切面销轴的中轴线重合。环形凹槽中均匀等距设有四片电阻式应变片，相邻的两片电阻式应变片与环形凹槽所在的虚拟圆周的圆心构成90度圆心角。四片电阻式应变片构成应变桥电路；电阻式应变片与销轴设有的中心孔之间设有用于应变桥电路信号线通过的穿线孔。

一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：在操舵倒航机构的连杆及倒航连接杆中间部位布置应变式力传感器用于双剪切面销轴的测试，主要应用于连杆及倒航连接杆处销轴径向力的测量；

步骤2：在操舵倒航机构的方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的受剪切部位的销轴的外侧轴体的外周开设有环形凹槽，环形凹槽中环向间隔90°均匀布置4个电阻式应变片组成应变式桥路，用于单剪切面销轴的测试，主要应用于方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴径向力的测量；

步骤3：将应变式力传感器和应变式桥路与销轴信号放大器连接；

步骤4：相应的信号放大器对力传感器和应变桥路所产生的微应变电压信号进行放大，然后采用应变式数据采集仪对放大的电压信号进行采集并将模拟信号转换成数字信号，最后将数字信号输出到上位机的信号处理软件，对操舵倒航机构在全速倒航状态各应变式传感器的应变信号进行实时记录，根据所记录的电压信号及应变式传感器的校验放大系数，对操舵倒航机构模型各销轴的力进行换算，从而间接或直接求出各销轴传感器的径向力。

实施例

一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力测试装置和测试方法，其中，包括对双剪切面销轴的测试，主要对操舵倒航机构中的倒航连接杆1和连杆2两端所连接的销轴1A、1B、2A和2B，销轴1A和2A的装配结构图分别见图1中局部放大图Ⅰ和图Ⅱ，销轴1A通过紧定螺钉1A01穿过倒航连接杆1及倒航斗上颚5，销轴1A在倒航连接杆1及倒航斗上颚5的相互作用下形成了双剪切面的销轴；同样，销轴2A通过紧定螺钉2A01穿过连杆2及倒航斗上颚5，销轴2A在连杆2及倒航斗上颚5的相互作用下形成了双剪切面的销轴，衬套201位嵌套于连杆2内。对于操舵倒航机构实际产品而言，倒航连接杆1对应为倒航液压缸，为方便测试，将该处简化为一类似于连杆的结构。将倒航连接杆1从中间一分为二，分别为连接杆1C和连接杆1D，中间布置应变式力传感器1E，双剪切面销轴力的测量外观图见图2，连接布置图见图3，连接杆1C、连接杆1D和力传感器1E通过法兰止口配合，采用弹簧垫圈及内六角螺钉固定。力传感器1E的微应变信号通过1E01信号传输线传送至信号放大器，通过该信号放大器将微应变式微电压信号放大。通过力传感器本身的应变响应放大比例系数，得到倒航连接杆1沿杆长度方向上的拉力或者推力。对于连杆2处两端销轴2A和2B的测试，除了所选用的力传感器量程不一样，测试方法及过程都一样，此处不再赘述。

单剪切面销轴的测试，主要针对操舵倒航机构中方向舵与倒航斗上颚5和倒航斗下颚6连接处的销轴3A和3B，销轴3A的装配结构图见图1中局部放大图Ⅲ，销轴3A通过紧定螺钉3A01穿过方向舵4及倒航斗上颚5，销轴3A在方向舵4及倒航斗上颚5的相互作用下形成了单剪切面的销轴，衬套501嵌套于方向舵4内。销轴3B用于连接方向舵4与倒航斗下颚6，其布置结构图与3A类似。由于在销轴3A、3B处无法直接布置力传感器或剪切传感器，所以采用在销轴上布置电阻式应变片的方式进行直接测量。以销轴3A布置电阻式应变片进行说明，图4为销轴传感器结构外观图，3A1为销轴传感器本体，3A2为电阻式应变片，3A3为电阻式应变片信号线缆。

图5为销轴传感器本体结构图，其中3A101为销轴传感器带螺栓安装孔的安装法兰，销轴传感器力的加载区域3A102a及3A102b，销轴传感器应变片粘贴于环形切槽3A103内，应变片信号输出穿线孔3A104a和3A104b。应变片穿线孔3A104a可以采用电火花的方式进行加工。

图6为销轴传感器的应变片布置图，在销轴受剪切部位开设环形切槽，并沿环形切槽间隔90°区域各粘贴一个电阻式应变片，沿X轴正方向逆时针分别为第一应变片Y1、第二应变片Y2、第三应变片Y3、第四应变片Y4。根据需要组成应变桥路，包括但不限于1/4桥路，半桥，和全桥电路。若仅仅测量受力大小，可以选择全桥电路，若要既要知道受力大小同时要求受力方向，可选择半桥电路，1/4桥路选择次之。最后作防水处理，达到IP67防护等级。

图7为操舵倒航机构试验物理模型销轴测量的结构图，利用方向舵4上端的连接法兰，将操舵倒航机构模型布置在循环水槽工作段，采用喷水推进泵为操舵倒航机构模型的前方提供均匀来流，可将来流设定为全速倒航状态下的流量，操舵倒航机构的方向舵4、倒航斗上颚5和倒航斗下颚6所形成的倒航流道在均匀来流的条件下而受到水流作用力，倒航斗上颚5和倒航斗下颚6受到的作用力最后通过各转动副的销轴(1A、1B、2A、2B、3A、3B)传递给方向舵4。在受力条件下，将销轴3A和3B及倒航连接杆1和连杆2中间布置的力传感器1E的微应变电压信号从侧面引出，分别为倒航连接杆1的力传感器1E的信号X1(mV)、销轴3A应变式传感器的信号X2(mV)、连杆2的力传感器1E的信号X3(mV)、销轴3B应变式传感器的信号X4(mV)，共四组微应变式电压信号，采用信号放大器进行放大，形成放大后的电压信号，分别为X1(V)、X2(V)、X3(V)、X4(V)，然后采用数据采集仪对信号进行采集并将模拟信号转换成数字信号，形成4组数字信号，分别为X1(D)、X2(D)、X3(D)、X4(D)，最后将数字信号输出到上位机的信号处理软件。可实时记录操操舵倒航机构模型在全速倒航状态各传感器的信号。从而间接/直接得到各销轴处所受到操舵倒航机构本体对销轴的径向作用力。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，其特征在于：操舵倒航机构中包括单剪切面销轴和连接杆两端设有的双剪切面销轴；双剪切面销轴和单剪切面销轴与测试装置连接；所述测试装置包括传感器、信号放大器、数据采集仪和上位机；所述设有双剪切面销轴的连接杆上设有传感器，所述单剪切面销轴上设有传感器；传感器通过信号放大器与数据采集仪连接，数据采集仪一端与信号放大器连接，另一端与上位机连接；所述操舵倒航机构中设有倒航连接杆和连杆；倒航连接杆和连杆的两端分别设有双剪切面销轴；所述操舵倒航机构中设有方向舵和倒航斗；倒航斗设有上颚和下颚；方向舵和倒航斗上颚和下颚分别通过单剪切面销轴连接；所述两个双剪切面销轴之间设有连接杆，连接杆中间位置设有应变式力传感器；所述单剪切面销轴的外侧轴体上，环绕轴体的圆柱形外周设有环形凹槽，环形凹槽中设有用作传感器的电阻式应变片。

2.如权利要求1所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，其特征在于：所述环形凹槽的中轴线与单剪切面销轴的中轴线重合。

3.如权利要求2所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，其特征在于：所述环形凹槽中设有四片电阻式应变片。

4.如权利要求3所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，其特征在于：所述环形凹槽中均匀等距设有四片电阻式应变片，相邻的两片电阻式应变片与所述环形凹槽所在的虚拟圆周的圆心构成90度圆心角。

5.如权利要求4所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置，其特征在于：所述四片电阻式应变片构成应变桥电路；电阻式应变片与销轴设有的中心孔之间设有用于应变桥电路信号线通过的穿线孔。

6.如权利要求1至5中任一项所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴转动副径向力的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在操舵倒航机构的连杆及倒航连接杆中间部位布置应变式力传感器用于双剪切面销轴的测试，主要应用于连杆及倒航连接杆两端销轴径向力的测量；

步骤2：在操舵倒航机构的方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴的外侧轴体的外周开设有环形凹槽，环形凹槽中均匀布置4个电阻式应变片组成应变式桥路，用于单剪切面销轴的测试，主要应用于方向舵与倒航斗上颚和倒航斗下颚连接处的销轴径向力的测量；

步骤3：将应变式力传感器和应变式桥路分别与销轴信号放大器连接；

步骤4：相应的信号放大器对力传感器和应变桥路所产生的微应变电压信号进行放大，然后采用应变式数据采集仪对放大的电压信号进行采集并将模拟信号转换成数字信号，最后将数字信号输出到上位机的信号处理软件，对操舵倒航机构在全速倒航状态各应变式传感器的应变信号进行实时记录，根据所记录的电压信号及应变式传感器的校验放大系数，对操舵倒航机构模型各销轴的力进行换算，从而间接或直接求出各销轴传感器的径向力。

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