CN111964735B - 船舶推进轴系动态特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了船舶推进轴系动态特性测试系统，涉及船舶推进轴系技术领域，包括尾轴后段、尾轴前段、半联轴节和中间轴形成的推进轴系以及推进器、六分量动态力测量装置、数据采集发射装置、非接触式电磁加载装置和三向水密加速度传感器，六分量动态力测量装置位于尾轴后段、尾轴前段之间并用于采集脉动力；非接触式电磁加载装置安装在中间轴上，用于对推进轴系施加动态激励；各个三向水密加速度传感器分布在尾轴不同截面处，用于采集推进轴系的振动信号；数据采集发射装置分别与六分量动态力测量装置和三向水密加速度传感器连接，实现推进轴系的动态特性测试分析。本测试系统在船舶实际工作环境下进行动态特性测试实验，提高了实验准确度。

Description

船舶推进轴系动态特性测试系统

技术领域

本发明涉及船舶推进轴系技术领域，尤其是船舶推进轴系动态特性测试系统。

背景技术

推进轴系是船舶系统动力装置中的重要环节，其主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力通过推力轴承传给船体，推动船舶航行。

船舶推进轴系由于种种原因易产生各种振动，如由于主机不均匀传递力矩、安装上的不对中、材料的不均匀、加工的不精确、以及自身重量的不平衡等原因可以产生轴系的扭转振动、横向振动；而由于船舶螺旋桨在船艉不均匀流场中旋转，产生不均匀的推力可以使轴系产生纵向振动，同时构成船舶艉部的扰动源，可以引起船体的总振动。船舶推进轴系的振动都将通过径向轴承、推力轴承等支撑结构传递到船体，引起船体振动，并产生辐射噪声。随着人们对船舶振动噪声水平要求的逐步提高，由于船舶推进轴系振动引起的船体振动及辐射噪声得到了更多的关注，人们在船舶推进轴系的振动计算方法、试验测试技术、轴系振动控制技术方面开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。

船舶推进轴系作为一种复杂的大型旋转结构，在其理论计算面临较大难度的情况下，试验研究无疑是最为直接、可靠的方式。因此国内外多家单位均对船舶轴系开展了试验研究，并搭建了相应的轴系试验台。从公开的文献资料可以看出，作为一个研究热点，国内已有多家单位研制了轴系试验装置。但是这些实验装置均是在试验室环境下进行轴系动态特性的研究，没有涉及到实船环境，而由于试验室环境和船舶实际工作环境还是有较大的差别，利用现有试验装置进行轴系动态特性研究还是存在较大缺陷，无法反映船舶轴系在实际工作状态的动力学特性。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了船舶推进轴系动态特性测试系统，该测试系统在船舶实际工作环境下进行动态特性测试实验，提高了实验准确度，本发明的技术方案如下：

船舶推进轴系动态特性测试系统，包括推进器、尾轴后段、六分量动态力测量装置、尾轴前段、数据采集发射装置、半联轴节、中间轴、非接触式电磁加载装置和多个三向水密加速度传感器，推进器安装在尾轴后段的第一端，六分量动态力测量装置两端分别连接尾轴后段的第二端和尾轴前段的第一端，尾轴前段的第二端、半联轴节和中间轴依次相连，形成一个推进轴系，中间轴的外端作为推进轴系的外端连接实尺度船舶的主机；

六分量动态力测量装置用于采集推进器作用在推进轴系上的脉动力；非接触式电磁加载装置安装在中间轴上，用于对推进轴系施加动态激励；各个三向水密加速度传感器分布在尾轴不同截面处，用于采集推进轴系的振动信号；数据采集发射装置分别与六分量动态力测量装置和三向水密加速度传感器水密连接，实现推进轴系的动态特性测试分析。

其进一步的技术方案为，六分量动态力测量装置包括上预紧连接端板、下预紧连接端板、多个电荷放大器以及设置在上预紧连接端板、下预紧连接端板之间的至少两个三向动态力环，三向动态力环径向对称分布，每个三向动态力环通过电荷放大器连接数据采集发射装置。

其进一步的技术方案为，非接触式电磁加载装置包括多个径向加载电磁线圈及其径向线圈固定结构、轴向正加载电磁线圈及其轴向正加载电磁线圈固定结构、轴向负加载电磁线圈及其轴向负加载电磁线圈固定结构以及导磁环，多个径向加载电磁线圈及其径向线圈固定结构沿推进轴系的径向成对对称分布，各个固定结构用于固定对应的电磁线圈，导磁环套设在中间轴上并与各个固定结构同轴设置，且各个固定结构位于导磁环的外侧，导磁环还将轴向正加载电磁线圈和轴向负加载电磁线圈隔离，径向加载电磁线圈、轴向正加载电磁线圈和轴向负加载电磁线圈用于产生径向动态激励和轴向动态激励。

其进一步的技术方案为，数据采集发射装置设置在水密舱内，包括多个采集模块、电源模块、无线AP和数据采集分析电脑，每个采集模块通过电荷放大器对应连接三向动态力环或者直接连接三向水密加速度传感器，电源模块连接采集模块并提供电源，采集模块和电源模块对称布置在半联轴节的外侧圆周上，无线AP通过网线连接数据采集分析电脑，采集模块将获取的脉动力和振动信号发射至无线AP，数据采集分析电脑内集成的数据采集分析系统对脉动力和振动信号进行数据分析，实现动态数据的无线采集及分析功能。

其进一步的技术方案为，六分量动态力测量装置的结构强度满足推进轴系运转所产生的扭矩、推力及弯矩的共同作用。

其进一步的技术方案为，根据三向水密加速度传感器在尾轴不同截面上的分布位置，尾轴多个截面的对应分布位置上设置有凹槽，用于安装三向水密加速度传感器；

六分量动态力测量装置、三向水密加速度传感器的信号线沿尾轴中空部分水密铺设。

本发明的有益技术效果是：

本申请通过设置六分量动态力测量装置以采集推进器作用在推进轴系上的脉动力，设置三向水密加速度传感器以采集推进轴系的振动信号，并通过数据采集发射装置获取及分析上述数据，通过非接触式电磁加载装置中的径向加载电磁线圈和轴向正/负加载电磁线圈，实现了在旋转状态下对推进轴系施加径向动态激励和轴向动态激励，本申请的三向动态力环、径向加载电磁线圈、采集模块以及电源模块均对称布置，从而避免对轴系产生不平衡力，影响实验精度，且测试系统的水密性良好，保证数据能够正常传输；本测试系统在实尺度船舶正常航行时，进行船舶推进轴系推进器脉动力、轴系振动加速度实船测试，同时实现了轴系旋转状态下推进轴系工作状态下的动态特性测试，可为船舶推进轴系推进器动态力、轴系振动传递特性及动态特性研究提供试验测试装置，与传统的在实验室进行轴系动态特性的研究相比，本测试系统在船舶实际工作环境下进行动态特性测试实验，比实验室模拟环境的可信度高、实验精度更为准确。

附图说明

图1是本申请提供的推进轴系动态特性测试系统的总体示意图。

图2是本申请提供的六分量动态力测量装置的结构图。

图3是本申请提供的非接触式电磁加载装置的结构图及其A-A剖面图。

图4是本申请提供的数据采集发射装置的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种船舶推进轴系动态特性测试系统，其总体示意图如图1所示，包括推进器1、尾轴后段2、六分量动态力测量装置3、尾轴前段4、数据采集发射装置5、半联轴节6、中间轴7、非接触式电磁加载装置8和多个三向水密加速度传感器，推进器1安装在尾轴后段2的第一端，六分量动态力测量装置3两端分别连接尾轴后段2的第二端和尾轴前段4的第一端，尾轴前段4的第二端、半联轴节6和中间轴7依次相连，形成一个完整的推进轴系，起到传递扭矩和推力的作用，中间轴7的外端作为推进轴系的外端连接实尺度船舶的主机。

推进器1在流场中旋转产生推力并推动船舶航行，同时流场的非均匀性将在推进器1上产生多个方向的脉动力，六分量动态力测量装置3用于采集推进器1作用在推进轴系上的脉动力，图2(a)示出了六分量动态力测量装置3的正视图，图2(b)示出了六分量动态力测量装置3的俯视图，六分量动态力测量装置3包括上预紧连接端板3.1、下预紧连接端板3.2、多个电荷放大器3.3(图2未示出)以及设置在上预紧连接端板3.1、下预紧连接端板3.2之间的至少两个三向动态力环，三向动态力环径向对称分布，每个三向动态力环通过电荷放大器3.3连接数据采集发射装置5。可选的，本申请采用四个三向动态力环3.4-3.7、且两两对称分布。在本申请中，六分量动态力测量装置3的结构强度满足推进轴系运转所产生的扭矩、推力及弯矩的共同作用。

非接触式电磁加载装置8安装在中间轴7上，用于对推进轴系施加动态激励，其中图3(a)示出了非接触式电磁加载装置的结构图，图3(b)示出了该结构图对应的A-A剖面图，非接触式电磁加载装置8包括多个径向加载电磁线圈8.1及其径向线圈固定结构8.2、轴向正加载电磁线圈8.3及其轴向正加载电磁线圈固定结构8.4、轴向负加载电磁线圈8.5及其轴向负加载电磁线圈固定结构8.6以及导磁环8.7，多个径向加载电磁线圈8.1及其径向线圈固定结构8.2沿推进轴系的径向成对对称分布，其数量根据动态力的实际需求进行设计。各个固定结构用于固定对应的电磁线圈，导磁环8.7套设在中间轴7上并与各个固定结构同轴设置，且各个固定结构位于导磁环8.7的外侧，导磁环8.7还将轴向正加载电磁线圈8.3和轴向负加载电磁线圈8.5隔离，径向加载电磁线圈8.1、轴向正加载电磁线圈8.3和轴向负加载电磁线圈8.5用于产生径向动态激励和轴向动态激励。

各个三向水密加速度传感器分布在尾轴不同截面处，在尾轴多个截面的对应分布位置上设置有凹槽，用于安装三向水密加速度传感器，三向水密加速度传感器用于采集推进轴系不同截面处的振动信号，其数量根据测试实际情况设置，可选的，本实施例采用六个三向水密加速度传感器9.1-9.6，且分布在尾轴各个截面上。

如图4所示，数据采集发射装置5分别与六分量动态力测量装置3和三向水密加速度传感器9.1-9.6水密连接，实现推进轴系的动态特性测试分析。六分量动态力测量装置3、三向水密加速度传感器9.1-9.6的信号线沿尾轴中空部分水密铺设，能够在水下长时间稳定工作，保证数据能够正常传输。

数据采集发射装置5设置在水密舱内，包括多个采集模块、电源模块、无线AP 5.1和数据采集分析电脑5.2，其中采集模块的数量根据三向动态力环和三向水密加速度传感器的数量而设定，可选的，本实施例采用五个采集模块5.3-5.7。每个采集模块通过电荷放大器3.3对应连接六分量动态力测量装置3中的三向动态力环或者直接连接三向水密加速度传感器，可选的，采集模块通过多个并联的电荷放大器3.3对应连接三向动态力环。电源模块连接采集模块5.3-5.7并提供电源，采集模块5.3-5.7和电源模块对称布置在半联轴节6的外侧圆周上。可选的，选用一个电源模块分别连接各个采集模块5.3-5.7，或者每个采集模块对应连接一个电源模块，本实施例优选第二种连接方式，采用五个电源模块5.8-5.12，则采集模块5.3-5.7和电源模块5.8-5.12间隔对称布置在半联轴节6的外侧圆周上，从而避免对轴系产生不平衡力。无线AP 5.1通过网线5.13连接数据采集分析电脑5.2，采集模块5.3-5.7将获取的脉动力和振动信号发射至无线AP 5.1，数据采集分析电脑5.2内集成的数据采集分析系统对脉动力和振动信号进行数据分析，实现动态数据的无线采集及分析功能。

在安装该动态特性测试系统时，首先将六分量动态力测试装置3按照预紧要求装配好，然后利用螺栓将六分量动态力测试装置3的两端法兰与尾轴前段4和尾轴后段2的对接法兰连接。同时将三向水密加速度传感器安装于所设置的凹槽内。将三向动态力环3.4-3.7和三向水密加速度传感器9.1-9.6的信号线沿尾轴中空部分铺设，并做好水密工作。

随后将装配好的尾轴整体从船舶尾部安装到相应的支撑轴承位置。在水密舱内将半联轴节6安装于尾轴前段4，同时在半联轴节6外圈通过胶水将采集模块5.3-5.7和电源模块5.8-5.12安装到位，将从尾轴中空部分引出的信号线连接到采集模块5.3-5.7上，并将电源模块5.8-5.12与采集模块5.3-5.7的供电线路连接。

将非接触式电磁加载装置8安装于中间轴7的中部，同时将中间轴7后端法兰与半联轴节6相连，前端法兰与船舶内部的推力轴承或齿轮箱等连接，实现主机扭矩的传递。

最后将推进器1安装于尾轴后段2上，并对轴系的安装及密封状态进行调试，使其满足航行要求。

本实施例的测试系统在工作时，

首先，每一次试验前，先对数据采集发射装置5进行调试，首先打开电源模块5.8-5.12的供电开关，实现对采集模块5.3-5.7的供电，随后，通过数据采集分析系统实现数据采集分析电脑5.2与无线AP 5.1、采集模块5.3-5.7的连接与通信，并进行测试数据的预测及调试，保证数据采集发射装置5工作正常。

随后，船舶按照实际使用工况开始航行，调整主机转速，使得轴系达到需要的测试转速并稳定运转，然后测试系统开始记录六个方向的动态力和三向加速度数据，并进行数据分析。一个转速工况结束后，进行轴系转速调整，待稳定到下一个测试工况，重复测试过程。

另外，通过非接触式电磁加载装置8，对轴系分别施加径向动态激励力和轴向动态激励力，同时测试轴系上各测点的加速度信号，记录测试数据；同样一个转速工况结束后，进行轴系转速调整，待稳定到下一个测试工况，重复测试过程。

最后，针对相应的试验内容进行测试数据的对比分析，得到推进器六分量动态力、轴系三向振动加速度的大小、频率特性与轴系转速的关系，以及轴系振动加速度沿轴系长度方向的分布规律，同时通过模态参数识别方法，对轴系在不同运转状态下的轴系模态参数进行分析，得到轴系模态参数与轴系运转状态的关系，从而为推进器激励力研究和轴系振动特性的研究提供实测数据。

本测试系统在实尺度船舶正常航行时，进行船舶推进轴系推进器脉动力、轴系振动加速度实船测试，同时实现了轴系旋转状态下推进轴系工作状态下的动态特性测试，可为船舶推进轴系推进器动态力、轴系振动传递特性及动态特性研究提供试验测试装置，与传统的在实验室进行轴系动态特性的研究相比，本测试系统在船舶实际工作环境下进行动态特性测试实验，比实验室模拟环境的可信度高、实验精度更为准确。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.船舶推进轴系动态特性测试系统，其特征在于，包括推进器、尾轴后段、六分量动态力测量装置、尾轴前段、数据采集发射装置、半联轴节、中间轴、非接触式电磁加载装置和多个三向水密加速度传感器，所述推进器安装在所述尾轴后段的第一端，所述六分量动态力测量装置两端分别连接所述尾轴后段的第二端和所述尾轴前段的第一端，所述尾轴前段的第二端、半联轴节和中间轴依次相连，形成一个推进轴系，所述中间轴的外端作为所述推进轴系的外端连接实尺度船舶的主机；

所述六分量动态力测量装置用于采集所述推进器作用在所述推进轴系上的脉动力；所述非接触式电磁加载装置安装在所述中间轴上，用于对所述推进轴系施加动态激励；各个所述三向水密加速度传感器分布在尾轴不同截面处，用于采集所述推进轴系的振动信号；所述数据采集发射装置分别与所述六分量动态力测量装置和三向水密加速度传感器水密连接，实现所述推进轴系在船舶实际工作环境下的动态特性测试分析；

所述非接触式电磁加载装置包括多个径向加载电磁线圈及其径向线圈固定结构、轴向正加载电磁线圈及其轴向正加载电磁线圈固定结构、轴向负加载电磁线圈及其轴向负加载电磁线圈固定结构以及导磁环，所述多个径向加载电磁线圈及其径向线圈固定结构沿所述推进轴系的径向成对对称分布，各个固定结构用于固定对应的电磁线圈，所述导磁环套设在所述中间轴上并与所述各个固定结构同轴设置，且所述各个固定结构位于所述导磁环的外侧，所述导磁环还将所述轴向正加载电磁线圈和轴向负加载电磁线圈隔离，所述径向加载电磁线圈、轴向正加载电磁线圈和轴向负加载电磁线圈用于产生径向动态激励和轴向动态激励。

2.根据权利要求1所述的船舶推进轴系动态特性测试系统，其特征在于，所述六分量动态力测量装置包括上预紧连接端板、下预紧连接端板、多个电荷放大器以及设置在所述上预紧连接端板、下预紧连接端板之间的至少两个三向动态力环，所述三向动态力环径向对称分布，每个所述三向动态力环通过所述电荷放大器连接所述数据采集发射装置。

3.根据权利要求2所述的船舶推进轴系动态特性测试系统，其特征在于，所述数据采集发射装置设置在水密舱内，包括多个采集模块、电源模块、无线AP和数据采集分析电脑，每个所述采集模块通过所述电荷放大器对应连接所述三向动态力环或者直接连接所述三向水密加速度传感器，所述电源模块连接所述采集模块并提供电源，所述采集模块和电源模块对称布置在所述半联轴节的外侧圆周上，所述无线AP通过网线连接所述数据采集分析电脑，所述采集模块将获取的所述脉动力和振动信号发射至所述无线AP，所述数据采集分析电脑内集成的数据采集分析系统对所述脉动力和振动信号进行数据分析，实现动态数据的无线采集及分析功能。

4.根据权利要求2所述的船舶推进轴系动态特性测试系统，其特征在于，所述六分量动态力测量装置的结构强度满足推进轴系运转所产生的扭矩、推力及弯矩的共同作用。

5.根据权利要求1或2所述的船舶推进轴系动态特性测试系统，其特征在于，根据所述三向水密加速度传感器在尾轴不同截面上的分布位置，尾轴多个截面的对应分布位置上设置有凹槽，用于安装所述三向水密加速度传感器；

所述六分量动态力测量装置、三向水密加速度传感器的信号线沿尾轴中空部分水密铺设。

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