CN112033672A - 船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶径向轴承静动态载荷识别的标定装置和标定方法，包括：无线遥测装置、键相信号采集装置、配重盘、应变片、加载装置及压力传感器，加载装置可选择对测试轴承进行轴向、径向加载或混合加载模式，选择模拟不平衡力、冲击力与正弦激励三种工况，有丰富的静、动态标定条件，更为真实的模拟船舶服役期内轴承所承受的外界影响。本发明提出一种在测试数据分析中计入测试系统误差和识别模型误差的标定方法，通过设置等效支点修正系数与应变修正系数，采用循环迭代的方法来提升船舶径向轴承的载荷识别的精度，增强服役期内船舶推进轴系径向轴承在线监测的可靠性。

Description

船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及用于船舶径向轴承静动态载荷识别的标定装置及标定方法，尤其是涉及船舶推进轴系轴承服役期所承受的动态载荷识别与标定。

背景技术

目前，随着船运行业的飞速发展，船舶大型化的发展趋势日益凸显。为了满足更大的扭矩传递需求，船舶推进轴系与螺旋桨的直径不断增大，使得轴系设计的额定载荷值相应增加，但是在船舶实际服役期中会有很多不确定性因素会导致推进轴系中各轴承载荷分配的不均衡，对船舶推进轴系造成严重的安全隐患，对服役期船舶推进轴系轴承载荷识别是未来船舶推进轴系制造的发展趋势。近年来，越来越多的研究者采用测量轴系截面应变来计算轴承载荷，此方法操作简便，计算量小，但是由于船舶服役期外界条件变化等原因导致识别精度较差。因此，对船舶径向轴承静动态载荷识别过程中进行标定是提高轴承载荷识别精度的关键技术。

针对提高船舶径向轴承静动态载荷识别精度这一问题，提出一种在测试数据分析中计入测试系统误差和识别模型误差的精度增长方法。其原因在于：在船舶径向轴承实际服役期间受到外界条件变化，轴承等效支点位置发生变化，而识别模型默认轴承等效支点为轴承中点，势必影响测试精度；在应变信号传输过程中会受到周围杂波影响等因素，会使测试系统得到的轴承载荷产生明显的误差，因此测试结果的分析中必须计入测试系统误差与识别模型误差。通过对船舶径向轴承静动态载荷的标定，确定等效支点位置与应变修正范围，为船舶轴承在服役期中对轴承载荷进行实时监测奠定基础。在传统船舶径向轴承标定装置中，通常在静态或者准静态条件下，以改变轴承标高、在轮盘上添加质量块和利用液压顶起设备施加载荷来模拟外界因素对轴承载荷识别值的影响，而没有针对船舶推进轴系服役期内受到波浪拍击或装载条件变化产生的冲击力，螺旋桨的水动力，柴油机燃烧产生的气体力和惯性力等不确定性因素进行模拟试验。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置及标定方法，具有精度高、操作简单、计算时间短、模拟工况丰富等优势，特别适合对服役期的船舶推进轴系径向轴承载荷识别方法进行标定。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置，包括：无线遥测装置、键相信号采集装置、应变片、加载装置及第一压力传感器；

其中，所述无线遥测装置包括无线发射模块与无线接收模块，所述键相信号采集装置和所述应变片均与对应轴段上的无线发射模块连接，将采集到的数据通过无线发射模块发送至无线接收模块，形成无线数据传输系统；

所述加载装置可选择对测试轴承进行径向、轴向加载或者混合加载的模式，选择模拟不平衡力、冲击力和正弦激励三种工况；

所述第一压力传感器位于测试轴承与基座之间。

在一些可选的实施方案中，所述加载装置由支撑模块及加载模块组成，将加载模块布置在支撑模块的X方向与Y方向上，实现轴线加载与径向加载，且在测试轴承左右两端均布置有加载装置。

在一些可选的实施方案中，所述加载模块由压电作动器、过渡器和滚动轴承组成，压电作动器与过渡器通过加载杆板传递加载力，滚动轴承布置在试验轴系的轴颈上，过渡器下方的加载探头与滚动轴承通过螺栓连接。

在一些可选的实施方案中，所述过渡器从上至下由加载杆板、蝶形弹簧和第二压力传感器组成，其中，加载杆板上部有加工好的螺纹与压电作动器的底部螺孔配套，以此传递加载力，加载杆板与第二压力传感器之间设有蝶形弹簧，用于缓冲转轴振动而导致压电作动器杆的伸长量变化引起加载力波动的现象，第二压力传感器记录加载装置的实际加载力，过渡器下方设置一个加载探头，中间开有孔，用于连接滚动轴承。

在一些可选的实施方案中，所述键相信号采集装置包括电涡流传感器与电镀反光条，其中，电镀反光条粘贴在转轴上，电涡流传感器探头正对电镀反光条位置，电涡流传感器连接无线发射模块。

在一些可选的实施方案中，在测试轴承附近轴段选取若干个截面分别布置应变片，各应变片采用全桥布置的方式与无线发射模块连接，且应变片不能在测试轴承的同一侧，应布片布置的位置应与电镀反光条在同一条水平线上。

在一些可选的实施方案中，所述无线发射模块的信号接入端口数量大于等于应变信号及键相信号的数量总和，所述无线接收模块能够同步接收多个无线发射模块传输的应变信号和键相信号，并与数据分析仪相连。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置的标定方法，包括：

(1)标定试验状态选择，确定进行船舶径向轴承静态标定或是动态标定，若选择静态标定则关闭变频电机；若选择动态标定，则启动变频电机；

(2)模拟工况选择，确定施加不平衡力、冲击力或是正弦激励；其中，若选择模拟不平衡力，则不启动加载装置，调整轴系转速，通过配重盘的转动，引起轴系产生不平衡力；若选择模拟冲击力或正弦激励，则向加载装置输入冲击电信号或是正弦电信号，由压电作动器产生对应的加载力；

(3)加载模式选择，加载装置可提供X向加载、Y向加载和混合加载，选择一种进行加载；

(4)将试验轴系看作变截面连续梁，各轴段自重看作均布载荷，高弹联轴节及加载力视为集中载荷，将测试轴承的等效支点修正系数初始值设置为1，其等效支点计算公式为：

L_F为轴承等效支点距离轴承右端点的距离，Z为轴承宽度，r为等效支点修正系数；

(5)当压力传感器、键相信号和应变信号稳定后，将无线遥测装置收到的各组截面应变信号ε_i(t)(i＝1,2,3,…)与一组键相信号

输入数据分析仪，将测试截面应变修正系数初始值设为1，其应变计算公式为：ε'_i(t)＝ε_i(t)*α，ε_i(t)(i＝1,2,3,…)为各组截面的应变信号，α为应变修正系数，ε'_i(t)为应变修正值；

(6)将修正之后的应变信号ε'_i(t)(i＝1,2,3,…)与键相信号

计算轴系动态弯矩；

(7)建立计算分析模型，对各单元列出受力平衡方程和力矩平衡方程，其中。未知数为截面剪力与测试轴承支反力；

(8)记录某一时间t1内n个采样点的第一压力传感器的示数，与相应载荷识别值进行误差分析，计算时间t1内的平均误差是否满足设定精度，判别公式如下：

A为标定试验设定精度，F_R(j)为时间段t1内每一个采样点的第一压力传感器的示数，F(j)为时间段t1内每一个采样点动态载荷识别值；若不满足实际要求计算精度，则返回步骤(4)，调整等效支点修正系数与应变修正系数重新计算，直至满足预设精度要求；

(9)满足精度要求后，记录该工况下等效支点修正系数与应变修正系数，作为轴承载荷标定结果。

在一些可选的实施方案中，在步骤(6)中，由

将修正之后的应变信号ε'_i(t)(i＝1,2,3,…)与键相信号

计算轴系动态弯矩，其中，M为轴段截面弯矩，E为轴段材料的弹性模量，

为轴颈抗弯截面系数，d为截面直径，I_z为轴的横截面对中心轴的惯性矩。

在一些可选的实施方案中，在步骤(8)中，由

判别t1内的平均误差是否满足设定精度，A为标定试验设定精度，F_R(j)为时间段t1内每一个采样点的第一压力传感器的示数，F(j)为时间段t1内每一个采样点动态载荷识别值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.船舶径向轴承静动态载荷识别的标定装置采用两端加载方案，模拟船舶径向轴承在实际服役期受到的各种载荷，设计压电作动器、过渡器和滚动轴承组合的加载方案，克服传统液压加载系统产生加载力不稳定，随轴系振动变化较大以及动载频率低等缺点。

2.船舶径向轴承静态、动态载荷标定方法通过向加载装置输入冲击电信号、正弦电信号等模拟轴承所受的冲击力，通过配重盘对轴系的影响模拟轴承受到的不平衡力。与传统径向轴承载荷标定方法相比，可选择静态、动态两种轴系状态，选择对测试轴承进行轴向、径向加载或混合加载模式，选择模拟不平衡力、冲击力与正弦激励三种工况，有丰富的静、动态标定条件，更为真实的模拟船舶服役期内轴承所承受的外界影响。

3.船舶径向轴承静态、动态载荷标定方法设置等效支点系数、应变修正系数，通过与压力传感器所示真值对比，对给定条件下标定试验结果进行精度分析及提升，补偿轴承等效支点位置不准确带来的误差。

总之上述船舶径向轴承静动态载荷识别的标定装置及标定方法，具有精度高、操作简单、计算时间短、模拟工况丰富等优势，特别适合对服役期的船舶推进轴系径向轴承载荷识别方法进行标定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种船舶推进轴系轴承动态标定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种加载模块结构简图；

图3是本发明实施例提供的一种加载装置原理图；

图4是本发明实施例提供的一种测试轴系轴段力学模型简图；

图5是本发明实施例提供的一种船舶径向轴承静动态载荷识别的标定方法的流程图；

图中：1-变频电机；2-联轴节；3-第一支撑轴承；4-基座；5-第一配重盘；6-第二配重盘；7-第二支撑轴承；8-高弹联轴节；9-第一加载装置；10-键相信号采集装置；11-第一无线发射装置；12-第一应变截面；13-第一压力传感器；14-测试轴承；15-第二应变截面；16-第三应变截面；17-转轴；18-第二加载装置；19-无线接收装置；20-数据分析仪；21-第二无线发射装置；22-压电作动器；23-加载杆板；24-蝶形弹簧；25-第二压力传感器；26-滚动轴承；27-支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示是本发明实施例提供的一种船舶推进轴系动态标定装置的结构示意图，由变频电机1、第一支撑轴承3、第二支撑轴承7、转轴17、第一无线发射装置11、第二无线发射装置21、无线接收装置19、键相信号采集装置10、联轴节2、高弹联轴节8、第一配重盘5、第二配重盘6、应变片、第一加载装置9、第二加载装置18、第一压力传感器13及数据分析仪20组成。

其中，无线接收装置19与第一无线发射装置11、第二无线发射装置21构成无线遥测装置，第一无线发射装置11用胶带固定在测试轴承14左侧的轴段上，第二无线发射装置21用胶带固定在测试轴承14右侧的轴段上，无线接收装置19与数据分析仪20相连。

键相信号采集装置10由电涡流传感器和电镀反光条组成，电涡流传感器固定在第一加载装置9的右侧，电镀反光条粘贴在转轴17表面，正对电涡流传感器探头，电涡流传感器与第一无线发射装置11通过导线连接。位于第一应变截面12上的第一应变片、位于第二应变截面15上的第二应变片和位于第三应变截面16上的第三应变片采用全桥接线方式布置在测试轴承14的两侧，第一应变片接入第一无线发射转置11，第二应变片与三应变片接入第二无线发射装置21。第一压力传感器13安装在测试轴承14与基座4之间。

如图2所示，加载模块由压电作动器22、过渡器和滚动轴承26组成，通过向其输入不同形式的电信号，模拟船舶轴系所受到的静态、动态载荷。加载模块可选择对测试轴承进行径向、轴向加载或者混合加载的模式，选择模拟不平衡力、冲击力和正弦激励三种工况。

其中，过渡器由加载杆板23、蝶形弹簧24和第二压力传感器25组成，加载杆板23上部有加工好的螺纹与压电作动器22的底部螺孔配套，以此传递加载力，加载杆板23与第二压力传感器25之间设有蝶形弹簧24，用于缓冲转轴17振动而导致压电作动器杆的伸长量变化引起加载力失稳的现象，第二压力传感器25记录加载装置的实际加载力，过渡器下方设置一个加载探头，中间开有一个圆孔，用于连接滚动轴承26。

如图3所示，各加载装置由支架27与x，y方向两个加载模块组成，滚动轴承26外侧在x，y方向各开了一个圆孔，与加载模块下方的加载探头相耦合，通过螺栓进行连接。

结合上述说明的船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置，参见图1至图3，进行船舶径向轴承静动态载荷识别的标定方法，其流程图参见图5，通过设置等效支点修正系数与应变修正系数，采用迭代循环的方式来满足试验所需精度。

下例进行船舶径向轴承在轴系转动的情况下，受到第二加载装置18径向正弦激励的动态载荷识别的标定方法，其步骤如下：

(1)设置标定试验精度A，启动变频电机1，待轴系转速稳定后，向第二加载装置18的径向加载模块输入正弦电信号，通过第二压力传感器读取动态正弦加载力T(t)；

(2)将试验轴系看作变截面连续梁，各轴段自重看作均布载荷，高弹联轴节、加载力等视为集中载荷，将测试轴承的等效支点修正系数初始值设置为1，其等效支点计算公式为：

其中，L_F为轴承等效支点距离轴承右端点的距离；Z为轴承宽度，单位m；r为等效支点修正系数，默认值为1。

(3)当正弦激励稳定后，设置应变修正系数α，将无线遥测装置收到的三组应变截面信号ε_i(t)(i＝1,2,3)与一组键相信号

输入数据分析仪，计算修正后的应变截面信号，计算公式如下：

ε'_i(t)＝ε_i(t)*α

其中：ε_i(t)(i＝1,2,3)为三组截面的应变信号；α为应变修正系数；ε'_i(t)应变修正值。

(4)将修正之后的应变信号ε'_i(t)(i＝1,2,3)与键相信号

计算轴系动态弯矩，计算公式为：

其中，M为轴段截面弯矩，单位为N·m，E为轴段材料的弹性模量，单位Pa，

为轴颈抗弯截面系数，单位为m³，d为截面直径，I_z为轴的横截面对中心轴的惯性矩。

(5)建立计算分析模型，参见图4，对由三组应变片所截得的两个轴段列出受力平衡方程和力矩平衡方程，共可列出4个方程，如下所示。其中未知数为3个截面剪力Q_i(i＝1,2,3)与1个测试轴承支反力F(t)，4个方程4个未知数，可得唯一解。

Q₁(t)-Q₂(t)+F(t)＝q₁L₁

Q₂(t)-Q₃(t)＝q₂L₂

其中，L_F为等效支点位置到右侧测量截面之间的距离，Q_i(t)(i＝1,2,3)为各截面剪力，M_i(t)(i＝1,2,3)为各截面弯矩，F(t)为测试轴承载荷识别值，L_i(i＝1,2)为各轴段长度，q_i(i＝1,2)为各轴段自重对应的均布载荷。

(6)记录某一时间t1内n个采样点的第一压力传感器13的示数，与相应载荷识别值进行误差分析，计算时间t1内的平均误差是否满足设定精度，判别公式如下：

其中，A为标定试验设定精度，F_R(j)为时间段t1内每一个采样点的第一压力传感器13的示数，F(j)为时间段t1内每一个采样点动态载荷识别值，即F(j)为步骤(5)所得到的F(t)中的第j个采样点。

(7)若时间t1内平均误差满足该判别式，则输出等效支点系数与应变修正系数作为标定结果，若不满足该判别式则返回步骤(2)，调整等效支点系数和应变修正系数，重新计算直至满足精度要求，则输出该工况下，等效支点系数与应变修正系数作为标定结果。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置，其特征在于，包括：无线遥测装置、键相信号采集装置、应变片、加载装置及第一压力传感器；

其中，所述无线遥测装置包括无线发射模块与无线接收模块，所述键相信号采集装置和所述应变片均与对应轴段上的无线发射模块连接，将采集到的数据通过无线发射模块发送至无线接收模块，形成无线数据传输系统；

所述加载装置可选择对测试轴承进行径向、轴向加载或者混合加载的模式，选择模拟不平衡力、冲击力和正弦激励三种工况；

所述第一压力传感器位于测试轴承与基座之间。

2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述加载装置由支撑模块及加载模块组成，将加载模块布置在支撑模块的X方向与Y方向上，实现轴线加载与径向加载，且在测试轴承左右两端均布置有加载装置。

3.根据权利要求2所述的标定装置，其特征在于，所述加载模块由压电作动器、过渡器和滚动轴承组成，压电作动器与过渡器通过加载杆板传递加载力，滚动轴承布置在试验轴系的轴颈上，过渡器下方的加载探头与滚动轴承通过螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的标定装置，其特征在于，所述过渡器从上至下由加载杆板、蝶形弹簧和第二压力传感器组成，其中，加载杆板上部有加工好的螺纹与压电作动器的底部螺孔配套，以此传递加载力，加载杆板与第二压力传感器之间设有蝶形弹簧，用于缓冲转轴振动而导致压电作动器杆的伸长量变化引起加载力波动的现象，第二压力传感器记录加载装置的实际加载力，过渡器下方设置一个加载探头，中间开有孔，用于连接滚动轴承。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的标定装置，其特征在于，所述键相信号采集装置包括电涡流传感器与电镀反光条，其中，电镀反光条粘贴在转轴上，电涡流传感器探头正对电镀反光条位置，电涡流传感器连接无线发射模块。

6.根据权利要求5所述的标定装置，其特征在于，在测试轴承附近轴段选取若干个截面分别布置应变片，各应变片采用全桥布置的方式与无线发射模块连接，且应变片不能在测试轴承的同一侧，应布片布置的位置应与电镀反光条在同一条水平线上。

7.根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述无线发射模块的信号接入端口数量大于等于应变信号及键相信号的数量总和，所述无线接收模块能够同步接收多个无线发射模块传输的应变信号和键相信号，并与数据分析仪相连。

8.一种基于权利要求1至7任意一项所述的船舶径向轴承静动载荷识别的标定装置的标定方法，其特征在于，包括：

(1)标定试验状态选择，确定进行船舶径向轴承静态标定或是动态标定，若选择静态标定则关闭变频电机；若选择动态标定，则启动变频电机；

(2)模拟工况选择，确定施加不平衡力、冲击力或是正弦激励；其中，若选择模拟不平衡力，则不启动加载装置，调整轴系转速，通过配重盘的转动，引起轴系产生不平衡力；若选择模拟冲击力或正弦激励，则向加载装置输入冲击电信号或是正弦电信号，由压电作动器产生对应的加载力；

(3)加载模式选择，加载装置可提供X向加载、Y向加载和混合加载，选择一种进行加载；

(4)将试验轴系看作变截面连续梁，各轴段自重看作均布载荷，高弹联轴节及加载力视为集中载荷，将测试轴承的等效支点修正系数初始值设置为1，其等效支点计算公式为：

L_F为轴承等效支点距离轴承右端点的距离，Z为轴承宽度，r为等效支点修正系数；

(5)当压力传感器、键相信号和应变信号稳定后，将无线遥测装置收到的各组截面应变信号ε_i(t)(i＝1,2,3,…)与一组键相信号

输入数据分析仪，将测试截面应变修正系数初始值设为1，其应变计算公式为：ε'_i(t)＝ε_i(t)*α，ε_i(t)(i＝1,2,3,…)为各组截面的应变信号，α为应变修正系数，ε'_i(t)为应变修正值；

(6)将修正之后的应变信号ε'_i(t)(i＝1,2,3,…)与键相信号

计算轴系动态弯矩；

(7)建立计算分析模型，对各单元列出受力平衡方程和力矩平衡方程，其中。未知数为截面剪力与测试轴承支反力；

(8)记录某一时间t1内n个采样点的第一压力传感器的示数，与相应载荷识别值进行误差分析，计算时间t1内的平均误差是否满足设定精度，判别公式如下：

A为标定试验设定精度，F_R(j)为时间段t1内每一个采样点的第一压力传感器的示数，F(j)为时间段t1内每一个采样点动态载荷识别值；若不满足实际要求计算精度，则返回步骤(4)，调整等效支点修正系数与应变修正系数重新计算，直至满足预设精度要求；

(9)满足精度要求后，记录该工况下等效支点修正系数与应变修正系数，作为轴承载荷标定结果。

9.根据权利要求8所述的标定方法，其特征在于，在步骤(6)中，由

将修正之后的应变信号ε'_i(t)(i＝1,2,3,…)与键相信号

计算轴系动态弯矩，其中，M为轴段截面弯矩，E为轴段材料的弹性模量，

为轴颈抗弯截面系数，d为截面直径，I_z为轴的横截面对中心轴的惯性矩。

10.根据权利要求9所述的标定方法，其特征在于，在步骤(8)中，由

判别t1内的平均误差是否满足设定精度，A为标定试验设定精度，F_R(j)为时间段t1内每一个采样点的第一压力传感器的示数，F(j)为时间段t1内每一个采样点动态载荷识别值。

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