CN111811714A - 一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，属于船舶测试技术领域。包括销轴、电阻式应变片、信号放大器、数据采集仪和上位机；销轴的轴体上设有电阻式应变片；电阻式应变片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。本发明针对操舵倒航机构转动副的径向力，在销轴受剪切位置轴向分别布置4个应变片，通过校核销轴测量装置的受力，得到销轴在不同方向上的受力变化关系，从而满足销轴测力的需求。测量装置还采用专用的校正装置对销轴力加载区域进行加载校正，为船舶喷水推进领域对操舵倒航机构转动副径向力测量提供了可靠的试验手段。

Description

一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置

技术领域

本发明涉及一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，属于船舶测试技术领域。

背景技术

测量喷水推进装置操舵倒航机构的倒航斗、方向舵、连杆、液压缸等连杆机构连接处销轴处的径向力，可以为操舵液压缸、倒航液压缸提供较为准确的设计输入，为液压缸规格的选用提供参考；可以为销轴处的结构设计提供工程指导；还可以为机构受力的优化提供试验手段。

目前传统的销轴测量装置，一般都是采用一维的重力传感器进行设计，销轴所受到的力要与传感器应变片的贴片方向一致，否则会带来较大误差，因此在测试时，需要反复调整销轴的方向，捕捉销轴受力的最值，此类销轴测量装置很难满足实验室测试的需求。所以本技术领域亟需一种可以满足实验室测试需求的，可以准确测量销轴径向力的测量装置。

发明内容

本发明的目的是为解决如何准确测量销轴径向力的技术问题。

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径向力测量装置，包括销轴、电阻式应变片、信号放大器、数据采集仪和上位机；所述销轴的轴体上设有电阻式应变片；电阻式应变片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。

优选地，所述销轴设有圆柱形轴体，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销轴的圆柱形轴体的中轴线重合。

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。

优选地，所述销轴测量装置进行防水处理，达到IP67等级。

本发明提供一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置，包括加载件，轴套，支架和连接件；所述支架设有圆环形的测量盘，测量盘所在的圆平面垂直于水平面，测量盘设有用于穿设测量装置销轴的中心孔；测量装置的销轴通过连接件与支架固定连接；测量装置的销轴设于测量盘中心孔外侧的轴体上套设有轴套；轴套上方设有加载件。

优选地，所述测量盘外缘设有刻度；所述加载件设为圆弧形，圆弧形的加载件架设于轴套正上方；加载件圆弧形的中部设有加载区。

本发明还提供一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置的校正方法，包括以下步骤：

步骤1：将销轴测量装置的销轴安装入校正装置测量盘的中心孔中，用连接件将销轴和支架固定锁紧；测量装置销轴上的电阻式应变片构成的应变桥电路，通过应变桥电路信号线与信号放大器连接，信号放大器再通过数据采集仪与上位机连接；将轴套套在销轴位于测量盘外侧的轴体上，轴套正上方安装加载件；按校正装置的支架测量盘上的刻度尺指示，在0度位置进行固定和标记；

步骤2：将整个校正装置固定于高精度的标定机上，加载件的加载区依次施加载荷；以测量盘所在虚拟圆周的圆心作为一虚拟直角坐标系的原点，y轴设为垂直于水平面且向上为正方向；力的加载方向定为由y轴正方向指向y轴负方向，进行线性加载至设计值，再依次减载至负载为0，通过上位机记录每一次电压表的读数，可以得到所加载的力与应变电压信号的线性斜率K1’；

步骤3：再松开连接件，将测量装置的销轴逆时针旋转一个角度并标记，可根据校验的实际情况进行角度调节，在新的角度位置进行重新校验，形成新的力与应变电压信号的线性斜率K2’；

步骤4：按照步骤3可以得到一系列K值K1’，K2’…Kn’，然后拟合出一个全角度范围的计算公式，应用该公式得到不同电压值对应的受力大小。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明针对操舵倒航机构转动副的径向力，在销轴受剪切位置轴向分别布置4个应变片，通过校核销轴测量装置的受力，可得到销轴在不同方向上的受力变化关系，从而满足销轴测力的需求。该测量装置可对喷水推进装置操舵倒航机构在实时运动过程中的销轴转动副处径向力进行测量，用于喷水推进装置操舵倒航机构旋转副径向力的测试，该测量装置采用一专用的校正装置对销轴力加载区域进行加载校正，为船舶喷水推进领域需要对操舵倒航机构转动副径向力测量提供了可靠的试验手段。

附图说明

图1是本发明销轴测量装置外观结构图；

图2是本发明销轴测量装置本体结构图；

图3是本发明销轴测量装置应变片布置示意图；

图4是本发明销轴测量装置应变桥路图；

图5是本发明销轴测量装置校正装置外观结构图；

图6是本发明销轴测量装置校正装置结构图；

图7是本发明销轴受力计算标定曲线图；

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径向力测量装置，包括销轴1、电阻式应变片2、信号放大器、数据采集仪和上位机；销轴的轴体上设有电阻式应变片2；电阻式应变片2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。销轴设有圆柱形轴体，环绕轴体的圆柱形外周设有环形凹槽103，环形凹槽103中设有用作传感器的电阻式应变片2。环形凹槽103的中轴线与销轴1的圆柱形轴体的中轴线重合。环形凹槽103中均匀等距设有四片电阻式应变片2，相邻的两片电阻式应变片2与环形凹槽103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2构成应变桥电路；电阻式应变片2与销轴1设有的中心孔之间设有用于应变桥电路信号线3通过的穿线孔。销轴测量装置进行防水处理，达到IP67等级。

一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置，包括加载件4，轴套5，支架6和连接件7；支架6设有圆环形的测量盘，测量盘所在的圆平面垂直于水平面，测量盘设有用于穿设测量装置销轴的中心孔603；测量装置的销轴1通过连接件7与支架6固定连接；测量装置的销轴1设于测量盘中心孔603外侧的轴体上套设有轴套5；轴套5上方设有加载件4。测量盘外缘设有刻度尺601；加载件4设为圆弧形，圆弧形的加载件4架设于轴套正上方；加载件圆弧形的中部设有加载区401。

一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置的校正方法，包括以下步骤：

步骤1：将销轴测量装置的销轴1安装入校正装置测量盘的中心孔603中，用连接件7将销轴1和支架6固定锁紧；测量装置销轴1上的电阻式应变片2构成的应变桥电路，通过应变桥电路信号线3与信号放大器连接，信号放大器再通过数据采集仪与上位机连接；将轴套5套在销轴1位于测量盘外侧的轴体上，轴套5正上方安装加载件4；按校正装置的支架测量盘上的刻度尺601指示，在0度位置进行固定和标记；

步骤2：将整个校正装置固定于高精度的标定机上，加载件4的加载区401依次施加载荷；以测量盘所在虚拟圆周的圆心作为一虚拟直角坐标系的原点，y轴设为垂直于水平面且向上为正方向；力的加载方向定为由y轴正方向指向y轴负方向，进行线性加载至设计值，再依次减载至负载为0，通过上位机记录每一次电压表的读数，可以得到所加载的力与应变电压信号的线性斜率K1’；

步骤3：再松开连接件7，将测量装置的销轴1逆时针旋转一个角度并标记，可根据校验的实际情况进行角度调节，在新的角度位置进行重新校验，形成新的力与应变电压信号的线性斜率K2’；

步骤4：按照步骤3可以得到一系列K值K1’，K2’…Kn’，然后拟合出一个全角度范围的计算公式，应用该公式得到不同电压值对应的受力大小。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其中，包括，

如图1，图2所示，销轴测量装置本体1包括安装法兰及其螺栓安装孔101，销轴测量装置力的加载区域102A及102B，销轴测量装置应变片粘贴环形切槽103，应变片信号输出穿线孔104A和104B。应变片穿线孔104A可以采用电火花的方式进行加工。穿线孔中通过应变桥电路信号线3。

销轴测量装置应变片2，沿环形切槽间隔90°区域各粘贴一个电阻式应变片，如图3所示，以销轴的中轴线与轴体横截面的交点作为一虚拟标准直角坐标系的原点建立一虚拟标准直角坐标系；沿X轴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，组成应变桥路，包括全桥电路，半桥电路及1/4桥路。全桥电路：其中第一应变片Y1和第三应变片Y3组成全桥电路的第一支路，第二应变片Y1和第四应变片Y3组成全桥电路的第二支路；半桥电路：需要对第一应变片Y1和第三应变片Y3外接两个标准型电阻，形成半桥电路，同理第二、四应变片也是一样；1/4桥路：一个应变片外接三个标准型电阻形成一个桥路，总共4个桥路。其中全桥电路灵敏度高，但是无法求出受力的方向；半桥电路的灵敏度次之，可以求出X、Y方向上的受力，从而求出受力方向；1/4桥路由于易受外界干扰，灵敏度较差。销轴测量装置使用时会短时接触水，需要对所粘贴的应变片进行防水处理，达到IP67等级要求。

如图4所示，为销轴测量装置应变桥路图；其中全桥：如图所示，四个桥臂用工作应变片连接成全桥；半桥：将其中的应变片电阻RY2和应变片电阻RY4替换为外接标准电阻，形成第一半桥路；同理，将将其中的应变片电阻RY1和应变片电阻RY3替换为外接标准电阻，形成第二半桥路信号；1/4桥，即用标准电阻替换其中三个应变片，和第四个应变片组成1/4桥路，总共四个桥路。

图5为销轴测量装置校正装置结构外观图；

图6为销轴校正装置结构图；

销轴校正装置包括加载件4，轴套5，支架6，及连接件7。将待校正销轴1装入支架6内，依次将轴套5套装销轴1，再将加载件4放置于轴套件5上方。

加载件4包括加载区401，加强筋402。加载件4为半圆弧型式，半圆弧型中部设有加载区401，加载区401两侧对称设有加强筋402。支架6包括刻度尺601，腰型孔602，连接孔603，支撑板604，筋板605及底端连接法兰606。底端连接法兰606上垂直设有支撑板604，底端连接法兰606和支撑板604的一端之间设有筋板605，支撑板604另一端设有圆环形的测量盘，测量盘设有安装销轴的中心孔603，圆环边缘设有刻度尺601，中心孔603与圆环边缘之间设有用于安装销轴的腰型孔602。

将销轴测量装置的销轴1按支架6的刻度尺601指示在0度位置进行固定安装标记，用连接螺栓、弹簧垫片、平垫片、螺母锁紧销轴1和支架6。将整个校正装置固定于高精度的标定机上，加载件4的加载区401依次施加载荷，以测量盘所在虚拟圆周的圆心作为一虚拟直角坐标系的原点建立一虚拟标准直角坐标系，y轴设为垂直于水平面且向上为正方向；力的加载方向定为由y轴正方向指向y轴负方向，进行线性加载至设计值，再依次减载至负载为0，微机记录每一次电压表的读数，可以得到所加载的力与应变电压信号的线性斜率K1’。

再松开螺栓等紧固件，将销轴1逆时针旋转一个角度，可根据校验的实际情况进行角度调节，在新的角度位置进行重新校验，形成新的力与应变电压信号的线性斜率K2’。按照上述方法可以得到一些列K值K1’，K2’…Kn’，见公式1及图7所示，然后在斜率变化居中的位置选取一个值作为计算依据，并给出误差值范围。

F_i＝f(U_i'K_i') i＝1,2…n (1)

在操舵倒航机构销轴测力时，若选择半桥电路，则可根据测量数据Ux及Uy的值，可通过公式2，求出该受力条件下的方向。

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 (10)

1.一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其特征在于：包括销轴、电阻式应变片、信号放大器、数据采集仪和上位机；所述销轴的轴体上设有电阻式应变片；电阻式应变片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。

2.如权利要求1所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其特征在于：所述销轴设有圆柱形轴体，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。

3.如权利要求2所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其特征在于：所述环形凹槽的中轴线与销轴的圆柱形轴体的中轴线重合。

4.如权利要求3所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其特征在于：所述环形凹槽中设有四片电阻式应变片。

5.如权利要求4所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，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。

6.如权利要求5所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，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。

7.如权利要求6所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置，其特征在于：所述销轴测量装置进行防水处理，达到IP67等级。

8.一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置，其特征在于：包括加载件，轴套，支架和连接件；所述支架设有圆环形的测量盘，测量盘所在的圆平面垂直于水平面，测量盘设有用于穿设测量装置销轴的中心孔；测量装置的销轴通过连接件与支架固定连接；测量装置的销轴设于测量盘中心孔外侧的轴体上套设有轴套；轴套上方设有加载件。

9.如权利要求8所述的一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置，其特征在于：所述测量盘外缘设有刻度；所述加载件设为圆弧形，圆弧形的加载件架设于轴套正上方；加载件圆弧形的中部设有加载区。

10.一种喷水推进操舵倒航机构销轴径向力测量装置的校正装置的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将销轴测量装置的销轴安装入校正装置测量盘的中心孔中，用连接件将销轴和支架固定锁紧；测量装置销轴上的电阻式应变片构成的应变桥电路，通过应变桥电路信号线与信号放大器连接，信号放大器再通过数据采集仪与上位机连接；将轴套套在销轴位于测量盘外侧的轴体上，轴套正上方安装加载件；按校正装置的支架测量盘上的刻度尺指示，在0度位置进行固定和标记；

步骤2：将整个校正装置固定于高精度的标定机上，加载件的加载区依次施加载荷；以测量盘所在虚拟圆周的圆心作为一虚拟直角坐标系的原点，y轴设为垂直于水平面且向上为正方向；力的加载方向定为由y轴正方向指向y轴负方向，进行线性加载至设计值，再依次减载至负载为0，通过上位机记录每一次电压表的读数，可以得到所加载的力与应变电压信号的线性斜率K1’；

步骤3：再松开连接件，将测量装置的销轴逆时针旋转一个角度并标记，可根据校验的实际情况进行角度调节，在新的角度位置进行重新校验，形成新的力与应变电压信号的线性斜率K2’；

步骤4：按照步骤3可以得到一系列K值K1’，K2’…Kn’，然后拟合出一个全角度范围的计算公式，应用该公式得到不同电压值对应的受力大小。

Images