CN115856747A - 船舶动态轴扭矩模拟装置及模拟、设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶动态轴扭矩模拟装置及模拟、设计方法，采用双电机对转形式，包括工作台，所述工作台两端分别设置用作动力源的第一电机、用作第一电机的负载的第二电机；第一电机、第二电机之间连接有空心结构的试验轴段，所述试验轴段上设有高精度轴扭矩转速仪，试验轴段上还套设有可调安装架、轴功率仪动环。本发明提出的船舶动态轴扭矩模拟装置，能够对不同规格的船舶轴扭矩仪和轴转速传感器进行动态整体调试和校验，检验测量设备是否满足技术要求，提高新产品的可靠性和测量精度。同时，也能够作为计量平台，进行轴扭矩仪和轴转速传感器进行定期计量。

Description

船舶动态轴扭矩模拟装置及模拟、设计方法

技术领域

本发明涉及船舶扭矩模拟技术领域，尤其是一种船舶动态轴扭矩模拟装置及模拟、设计方法。

背景技术

轴功率是船舶动力性能的主要技术指标，是新船交付和船舶大修后测试的主要参数之一。主机功率不能充分发挥，船舶将达不到设计航速；超负荷运行，将缩短主机使用寿命。船用柴油机轴功率的测试，不仅可以判断柴油机的技术状况是否良好，还可以判断整个船、机、桨的匹配情况，为用户提供可靠的测量数据，以便及时进行修理和调整，从而保证船舶动力系统处于良好的运行状态，是实船试验中的一项重要环节。

船舶轴功率仪在出厂前和实船安装前要进行调试和校验，按照轴功率的测量理论，船舶轴功率仪一般由轴扭矩仪和转速传感器组成，因此在进行轴功率仪调试和校验中，对扭矩和转速测量都要进行调试和校验。由于一般实验室设备所产生的扭矩远小于实船额定轴扭矩，船舶轴功率仪大都在静态扭矩试验台上进行扭矩测量调试和校验，在单独的转速试验台上进行转速测量调试和校验，很难在动态试验台上进行整体调试和校验。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的船舶动态轴扭矩模拟装置及模拟、设计方法，能够为轴功率测量设备提供动态模拟环境，实现对轴功率测量和监测设备的调试、校验和计量等功能。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船舶动态轴扭矩模拟装置，采用双电机对转形式，包括工作台，所述工作台两端分别设置用作动力源的第一电机、用作第一电机的负载的第二电机；第一电机、第二电机之间连接有空心结构的试验轴段，所述试验轴段上设有高精度轴扭矩转速仪，试验轴段上还套设有可调安装架，

所述可调安装架包括：

支架，安装在试验轴段上，

连杆，轴向安装在支架上，连杆所围成的区域与试验轴段同轴，

紧固螺母，固定连接连杆和支架；

所述连杆所围成的柱形结构上套设轴功率仪动环。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述支架呈放射延伸状，形成以试验轴段为基准的环形阵列结构。

所述支架的阵列结构上设有通槽，连杆穿设在通槽中，紧固螺母锁紧在支架轴向两侧。

所述轴功率仪动环采用对半结构。

所述第一电机、第二电机的输出轴上都连接有减速箱，减速箱的输出转速小于电机的输出转速，以增大试验轴段上的扭矩。

工作台采用T型槽安装平台。

一种船舶动态轴扭矩模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：

试验前，将轴功率仪动环安装在可调安装架上，测量应变片贴设在试验轴段的表面上；

轴功率仪的主控制器防止在可调安装架周边，且与可调安装架间距设置；

试验时，在工控机上设定电机的转速、扭矩后，启动第一电机和第二电机，此时试验轴段在一定扭矩下按预期转速旋转；或设定期望的扭矩变化曲线，让试验轴段在动态扭矩下转动，通过数据采集系统，获得被调试或校验轴功率仪和嵌入式高精度轴扭矩转速仪的测量数据，分析评判被调试或校验轴功率仪的性能。

一种船舶动态轴扭矩模拟装置的设计方法，其特征在于，试验轴段空心设计步骤如下：

试验轴段的圆轴扭转变形和轴表面应变满足如下公式：

式中：

ε—轴表面主应变；

T—轴扭矩

μ—材料泊松比；

E—材料弹性模量；

D—轴外径；

d—轴内径。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，本发明提出的船舶动态轴扭矩模拟装置，能够对不同规格的船舶轴扭矩仪和轴转速传感器进行动态整体调试和校验，检验测量设备是否满足技术要求，提高新产品的可靠性和测量精度。同时，也能够作为计量平台，进行轴扭矩仪和轴转速传感器进行定期计量。

本发明中，采用空心轴作为试验轴段，根据材料力学理论，可以在实验室环境下，通过小扭矩电机就可以使试验轴段的表面主应变与航行中实船中间轴的表面主应变一致，巧妙地解决了实船轴功率仪由于实验室扭矩限制而不能整体动态调试和校验的难题；

本发明中的可调安装架能够适用于多规格的轴功率仪动环的安装使用。

本发明中公开的电机对转的模拟形式，能够使试验轴段产生一定的扭矩和转速，具有控制精度高、噪声小、能耗低的优点；

本发明中的船舶动态轴扭矩模拟装置能够根据实际需要，产生一定频率的动态扭矩，模拟船舶在实际航行中的轴扭振，以检验被调试轴功率仪的动态测量特性；这是静态扭矩试验台无法实现的功能。

本发明还配有嵌入式高精度轴扭矩仪和转速传感器，能够对非嵌入式轴扭矩仪和转速传感器进行设备校验和计量。

附图说明

图1为本发明的整体工作结构示意图。

图2为本发明的可调安装架结构示意图。

其中：1、工作台；2、第一电机；3、联轴器；4、第一减速箱；5、可调安装架；6、试验轴段；7、高精度轴扭矩转速仪；8、第二减速箱；9、第二电机。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的船舶动态轴扭矩模拟装置，采用双电机对转形式，包括工作台1，工作台1两端分别设置用作动力源的第一电机2、用作第一电机2的负载的第二电机9；第一电机2、第二电机9之间连接有空心结构的试验轴段6，试验轴段6上设有高精度轴扭矩转速仪7，试验轴段6上还套设有可调安装架5，

可调安装架5包括：

支架，安装在试验轴段6上，

连杆，轴向安装在支架上，连杆所围成的区域与试验轴段6同轴，

紧固螺母，固定连接连杆和支架；

连杆所围成的柱形结构上套设轴功率仪动环。

支架呈放射延伸状，形成以试验轴段6为基准的环形阵列结构。

支架的阵列结构上设有通槽，连杆穿设在通槽中，紧固螺母锁紧在支架轴向两侧。

轴功率仪动环采用对半结构。

第一电机2、第二电机9的输出轴上都连接有减速箱，减速箱的输出转速小于电机的输出转速，以增大试验轴段6上的扭矩。

工作台1采用T型槽安装平台。

本实施例的船舶动态轴扭矩模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：

试验前，将轴功率仪动环安装在可调安装架5上，测量应变片贴设在试验轴段6的表面上；

轴功率仪的主控制器放置在可调安装架5周边，且与可调安装架5间距设置；

试验时，在工控机上设定电机的转速、扭矩后，启动第一电机2和第二电机9，此时试验轴段6在一定扭矩下按预期转速旋转；或设定期望的扭矩变化曲线，让试验轴段6在动态扭矩下转动，通过数据采集系统，获得被调试或校验轴功率仪和嵌入式高精度轴扭矩转速仪7的测量数据，分析评判被调试或校验轴功率仪的性能。

一种船舶动态轴扭矩模拟装置的设计方法，其特征在于，试验轴段6空心设计步骤如下：

试验轴段6空心设计的主要理论依据是材料力学圆轴扭转变形理论及强度理论，圆轴的扭转变形和轴表面应变可根据轴扭矩、材料属性、圆轴尺寸计算得到。试验轴段6的圆轴扭转变形和轴表面应变满足如下公式：

式中：

ε—轴表面主应变；

T—轴扭矩

μ—材料泊松比；

E—材料弹性模量；

D—轴外径；

d—轴内径。

从公式中可以看出，当轴扭矩、材料属性如泊松比、弹性模量，及轴外径确定时，空心轴的内径越大，轴表面的主应变越大；当轴扭矩、轴内外径确定时，由于金属材料泊松比变化不大，材料弹性模量越小，轴表面的主应变越大。

因此，可以通过计算，设计一定尺寸的空心轴，在实验室环境下，电机产生的扭矩就可以使得试验轴段(6)的主应变和航行中实船中间轴的表面主应变一致。

本发明的具体结构和工作原理如下：

船舶动态轴扭矩模拟装置包括工作台1、第一电机2、联轴器3、第一减速箱4、可调安装架5、试验轴段6、高精度轴扭矩转速仪7、第二减速箱8、第二电机9、变频驱动模块、数据采集仪、工控机、保护罩等主要设备。

在工作台1上采用两个电机对转形式，第一电机2为主动电机，发挥电动机作用，第二电机9为从动电机，发挥发电机作用。第二电机9相当于第一电机2的负载，从而使第二电机9和第一电机2之间的试验轴段6产生一定的扭矩和转速。

采用电机对转形式的优点在于：采用从动电机作为负载，系统扭矩控制精度高；从动电机起到阻尼作用，代替了体积庞大的液压阻尼器，以及冷却系统等辅助设备；从动电机在工作中会产生电能，反馈到系统电路中，这样会使得整个系统的功耗非常小。

第一减速箱4和第二减速箱8的作用是按照设定减速比进行变速，将电机输出的转速减小，使得试验轴段6的扭矩增大，达到期望的转速和扭矩。

船舶动态轴扭矩模拟装置配有经过专业计量的嵌入式高精度轴扭矩转速仪7，其精度远高于船舶功率测试所要求的精度，可对船舶轴功率仪进行动态调试和校验。

第一电机2与第一减速箱4之间、第二电机9与第二减速箱8之间采用联轴器3连接。

第一电机2、第二电机9、第一减速箱4、第二减速箱8均安装在T型槽安装平台工作台1上，方便所安装的设备前后左右移动及固定。

本发明的一个实施方式中，试验轴段6采用厚度均匀的金属空心轴，通过空心设计，能够在实验室环境下，通过小扭矩电机就可以使试验轴段6的表面主应变和航行中实船中间轴的表面主应变一致，从而解决了实验室无法模拟实船中间轴形变状态的难题。在实际使用中，试验轴段6有多种材质和尺寸，可根据试验目的选择不同的试验轴段6。

可调安装架5固定在试验轴段6上，如图2所示，是安装被调试轴功率仪的支架，包括支架、连杆、紧固螺母。

可根据轴功率仪动环的尺寸调节4根连杆所形成的的圆柱直径，从而轻松固定不同规格的轴功率仪，满足不同规格轴功率仪的调试与校验。

由于可调安装架5是随试验轴段6同步高速旋转，因此，可调安装架5的设计具有简单、实用、安全的特点。

支架通过紧固螺钉固定在试验轴段6上。轴功率仪动环一般为对半结构，通过紧固螺栓将轴功率仪动环的两个半环固定到可调安装架5上。鉴于轴功率仪动环的质量较小，实际试验中可采用绑带或卡箍等简易固定装置对轴功率仪动环进行再次固定。

船舶动态轴扭矩模拟装置还包括变频驱动模块、数据采集仪、工控机、保护罩等设备。变频驱动模块主要用于控制电机的转速和扭矩；数据采集仪用于对转速、扭矩、温度、振动加速度等物理量的数据采集；工控机主要安装数据采集与控制软件，以及进行测试数据的处理、存储等；保护罩主要用于告诉旋转部分的安全保护。

船舶动态轴扭矩模拟装置可根据需要产生一定频率一定幅值的动态扭矩，可以模拟船舶在实际航行中的轴扭矩动态变化，以验证被调试轴功率仪的动态测量特性。

船舶动态轴扭矩模拟装置还具有数据超限和故障报警功能，以及快速异常制动功能。

试验前，先将轴功率仪动环安装固定在可调安装架5上，测量应变片按要求粘贴在试验轴段6的表面上，轴功率仪的主控制器放置在可调安装架5周边一定距离的位置。试验时，在工控机上设定电机的转速和扭矩后启动第一电机2和第二电机9，让试验轴段6在一定扭矩下按一定转速旋转，也可设定期望的扭矩变化曲线，让试验轴段6在动态扭矩下转动，通过数据采集系统，获得被调试或校验轴功率仪和嵌入式高精度轴扭矩转速仪7的测量数据，通过科学的数据处理方法对试验数据进行分析处理，以评判被调试或校验轴功率仪的性能。

本发明提出的船舶动态轴扭矩模拟装置，实现了船舶在实际航线中的动态扭矩实验室模拟，可对不同规格的船舶轴扭矩仪和轴转速传感器进行动态整体调试和校验，检验测量设备是否满足技术要求，提高新产品的可靠性和测量精度。同时，该装置也可作为计量平台，进行轴扭矩仪和轴转速传感器进行定期计量。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (8)

1.一种船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：采用双电机对转形式，包括工作台(1)，所述工作台(1)两端分别设置用作动力源的第一电机(2)、用作第一电机(2)的负载的第二电机(9)；第一电机(2)、第二电机(9)之间连接有空心结构的试验轴段(6)，所述试验轴段(6)上设有高精度轴扭矩转速仪(7)，试验轴段(6)上还套设有可调安装架(5)，

所述可调安装架(5)包括：

支架，安装在试验轴段(6)上，

连杆，轴向安装在支架上，连杆所围成的区域与试验轴段(6)同轴，

紧固螺母，固定连接连杆和支架；

所述连杆所围成的柱形结构上套设轴功率仪动环。

2.如权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：所述支架呈放射延伸状，形成以试验轴段(6)为基准的环形阵列结构。

3.如权利要求2所述的船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：所述支架的阵列结构上设有通槽，连杆穿设在通槽中，紧固螺母锁紧在支架轴向两侧。

4.如权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：所述轴功率仪动环采用对半结构。

5.如权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：所述第一电机(2)、第二电机(9)的输出轴上都连接有减速箱，减速箱的输出转速小于电机的输出转速，以增大试验轴段(6)上的扭矩。

6.如权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置，其特征在于：工作台(1)采用T型槽安装平台。

7.一种权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

试验前，将轴功率仪动环安装在可调安装架(5)上，测量应变片贴设在试验轴段(6)的表面上；

轴功率仪的主控制器防止在可调安装架(5)周边，且与可调安装架(5)间距设置；

试验时，在工控机上设定电机的转速、扭矩后，启动第一电机(2)和第二电机(9)，此时试验轴段(6)在一定扭矩下按预期转速旋转；或设定期望的扭矩变化曲线，让试验轴段(6)在动态扭矩下转动，通过数据采集系统，获得被调试或校验轴功率仪和嵌入式高精度轴扭矩转速仪(7)的测量数据，分析评判被调试或校验轴功率仪的性能。

8.一种权利要求1所述的船舶动态轴扭矩模拟装置的设计方法，其特征在于，试验轴段(6)空心设计步骤如下：

试验轴段(6)的圆轴扭转变形和轴表面应变满足如下公式：

式中：

ε—轴表面主应变；

T—轴扭矩

μ—材料泊松比；

E—材料弹性模量；

D—轴外径；

d—轴内径。

Images