CN116923681B - 一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法 - Google Patents

一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶设备制造领域，公开一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法，包括位于船体内的舵杆套筒和舵杆，舵杆套筒内有轴承检测传感器，舵杆底部设有舵叶，舵系附体外设有侧板，舵系附体内设有筋板，筋板包括横向筋板和竖向筋板。检测方法：超声波进入工件，反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，计算机计算；轴承检测传感器测量厚度，超声波计算。设计方法：设置坐标属性，计算曲线半径关系和圆弧，水平截面圆弧段曲线R2计算，水平截面椭圆弧段曲线E1计算。提高整体舵系强度的同时，也降低艉部带来的空化影响并减小航行阻力，提升航行效率与舵系附体的寿命。求解能得到实用的舵系附体曲线，能更好满足船舶设计要求，操作简单。

Description

一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法
技术领域
本发明涉及船舶设备制造技术领域，具体是一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法。
背景技术
船舶轴舵系是船舶建造工程中的最重要的一环，轴舵系的设计及安装直接影响船舶航速和操纵性能，间接影响整个船舶营运的经济性和安全性,尤其是舵杆与舵系轴承的磨损程度，会直接影响舵系使用寿命以及航行效率。传统舵装置中对于舵系附体的结构相关专利很少涉及，这不利于舵系整体受力的有效传递，如航行过程中船艉螺旋桨产生大量空化泡和湍流。同时为了保证舵杆与舵系轴承的同轴度和磨损度，需要在每次航行之前对舵杆进行检查以及维修，确保航行过程中的安全性，这不仅无法实时的监测，而且每次检测都需要进入舵系附体中，操作繁琐。
在文件CN 101879930 B中，公开了船舶舵系“三位一体”检测方法，它是由调节装置、舵销轴套、检测平台、千分尺所组成，将舵叶置于检验平台上方，并用激光仪调整舵叶四周中心及舵杆承座及舵销承座中心处于同一水平位置，同时用水平仪调整检验平台至水平，装入舵销及舵杆；用电池组与灯泡接好线路，线路一端连接内径千分尺，另一端连接拉钢丝线的调整装置，利用此测量装置分别测量舵销轴套及舵杆上轴套处的E、F尺寸，经计算得出舵杆下轴套中心相对于舵杆上轴套与舵销轴套中心的偏差。这种方法需要进行多次测量，比较浪费时间，而且测量的时候还会存在误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种舵系附体结构及其检测方法和设计方法，只需要通过计算即可，不需要再进行测量，降低艉部带来的空化影响并减小航行阻力，从而大大提升了航行效率与舵系附体的寿命，更好的满足船舶设计要求。
本发明的技术方案为：一种舵系附体结构，包括位于船体内的舵杆套筒，舵杆套筒上半部分位于船体上方的内部钢板中，下半部分位于舵系附体内部，舵杆套筒内设有舵杆，舵杆套筒的螺纹通孔内设有轴承检测传感器，舵杆底部设有舵叶，舵系附体外设有侧板，舵系附体内设有筋板，筋板包括横向筋板和竖向筋板。
通过采用上述技术方案，筋板能够有效提高整体的强度，能够保护舵杆套筒及舵杆免受破坏，提高航行效率，防止舵杆偏心及磨损严重，流线形侧板能有效减小水流阻力，降低艉部带来的空化影响，这样整个舵系的使用寿命能够得到进一步提高。
优选地，舵杆套筒和舵杆的中心线重合，舵杆下端与舵杆套筒下端之间设置衬套。
通过采用上述技术方案，舵杆套筒和舵杆的轴心一致，三者之间形成一种类轴承结构，衬套的作用可以防止舵杆和舵杆套筒之间的磨损，减小舵杆的磨损。
优选地，舵杆套筒下端通过螺栓固定连接有轴承座，轴承座底部固定在舵系附体底板上，底板与舵杆套筒垂直，底板呈豆荚形，侧板流线型且侧板前部低后部高，与上方船体以及舵系附体底板采用焊接固定。
通过采用上述技术方案，轴承座和舵系附体底板之间的连接可以增加轴承座的连接强度，流线型的侧板在船舶航行的时候可以有效减少阻力。
优选地，舵叶包括主舵叶和子舵叶，主舵叶与舵杆底部液压螺母连接，子舵叶与轴承座连杆铰链连接，主舵叶正前方的船艉，与船体结构焊接。
通过采用上述技术方案，能够推进船体的航行。
优选地，舵杆套筒下端距离轴承座外1m水平面的外部，每间隔90°开设螺纹通孔，共开设两个螺纹通孔。
通过采用上述技术方案，螺纹通孔可以便于后期的轴承检测传感器的放置，便于轴承检测传感器的检测。
优选地，轴承检测传感器与螺纹通孔之间采用螺纹连接并留有间隙，轴承检测传感器为相位式超声波测距传感器。
通过采用上述技术方案，轴承检测传感器这样的排列方式便于后期对舵系附体结构进行检测，相位式超声波测距传感器对舵系附体结构的检测效果最佳。
优选地，筋板上开设有通孔，横向筋板和竖向筋板之间垂直，横向筋板的一外侧面有两个长度、宽度及厚度相等的竖板，且两个竖板间隔大小为竖向筋板的厚度，另一外侧面与其完全对称，即横向筋板与竖向筋板的连接处呈H型，竖向筋板通过螺栓螺母固定连接在横向筋板的H型竖板中间。
通过采用上述技术方案，通孔可以便于后期进行检修横向筋板和竖向筋板之间的H型连接方式可以使得连接的牢固度更高，横向筋板和竖向筋板之间对称布置，进一步提高筋板对舵系附体的强度提升。
一种舵系附体结构的检测方法，包括下列步骤：
步骤1：将一低频调制信号发射至检测探头上，激励压电片产生脉冲超声波，超声波进入工件，在舵杆外壁与衬套内壁之间形成多次反射，反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，由计算系统测出声波在上下两面间的传播时间t，再由公式间接求得待测距离d，距离的一般计算公式为：
步骤2：同一平面内的两个轴承检测传感器两两间隔90°，同时从这两个方位发射信号，而舵杆在航行时左右转动的最大角度为120°，轴承检测传感器分别对初始安装位置进行检测，舵杆从左侧最大角度位置转向右侧最大角度位置时，轴承检测传感器测量转动范围内的舵杆沿传感器直线方向上的厚度；
步骤3：超声波在垂直两方向的舵杆厚度dm，dn，轴承圆心为O1,舵杆圆心坐标为O2(x0，y0)，对于舵杆圆心坐标以及O1O2之间距离计算如下：
由此可得轴承磨损量：
其中d为舵杆直径，r为舵杆半径，R为轴承直径。
优选地，步骤1中的Φ为超声波在距离为2d上的相位差，c为超声波的传播速度，t为超声波在待测距离往返一次所需要的时间，f为超声波的频率。
通过采用上述技术方案，轴承检测传感器装置在舵杆套筒中检测舵杆轴承的磨损，各个轴承检测传感器夹角相隔90°，可以有效实时检测轴承磨损，提高监测效率，进而提高航行的安全性。
一种舵系附体结构的设计方法，包括下列步骤：
步骤1：设舵杆水平圆心为坐标原点，坐标原点至最右侧顶点的长度为L1，上下两侧宽度为L2，坐标原点至最左侧顶点的长度为L3，最右侧竖向筋板上端坐标为P1(T1，t1)，与之相邻的竖向筋板顶端坐标为P3(T3，t3)，坐标原点右侧第一个竖向筋板顶端坐标为P2(T2，t2)，坐标原点左侧第二个竖向筋板顶端坐标为最左侧顶点坐标为P5(-L3，0)，Z为辅助线，其中y4为未知量，其余都是已知量；
步骤2：对于舵系附体的侧板水平截面最右侧圆弧段曲线R1计算，公式如下：
曲线半径关系式为
圆弧计算公式(x-L1+r)2+y2＝r2,T1≤x≤L1-T1,-t1≤y≤t1；
步骤3：对于坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2计算，公式如下：
圆弧曲率半径关系式：
上圆弧段计算公式：x2+(y-L2+r)2＝r2, y4≤y≤L2；
下圆弧段计算公式：x2+(y+L2-r)2＝r2, -L2≤y≤-y4；
其中将P4的横坐标带入坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2的计算公式可以得出y4；
步骤4：对于水平截面椭圆弧段曲线E1计算，公式如下：
其中m，n，a，b，都是未知量，P0，P1，P2，P3，P5的坐标都是已知且都是椭圆方程上的点，即五个方程四个未知数可解出m，n，a，b的值。
通过采用上述技术方案，舵系附体线型设计在考虑到船体结构合理性的基础上，不仅与主船体结构相互协调，而且大大提高整体船舶的性能，并根据所设计的舵系附体曲线数学函数模型，对其求解能得到实用的舵系附体曲线，从而能更好的满足船舶设计要求。
本发明的有益之处：1、本发明轴承磨损监测传感器装置在舵套筒中检测舵杆轴承的磨损，两个传感器夹角相隔90°，可以有效实时检测轴承磨损，提高监测效率，进而提高航行的安全性。
2、本发明利用特殊的椭圆弧段和圆弧段设计了新型舵系附体，通过对比减阻系数发现，其在提高整体舵系强度的同时，也降低艉部带来的空化影响并减小航行阻力，从而大大提升了航行效率与舵系附体的寿命。
3、本发明舵系附体线型设计在考虑到船体结构合理性的基础上，不仅与主船体结构相互协调，而且大大提高整体船舶的性能，并根据所设计的舵系附体曲线数学函数模型，对其求解能得到实用的舵系附体曲线，从而能更好的满足船舶设计要求，操作简单。
附图说明
图1为本发明提出的一种舵系整体结构示意图；
图2为本发明提出的一种舵系附体结构侧视图；
图3为本发明舵系附体A-A截面结构示意图；
图4为图3中B区结构放大示意图；
图5为轴承检测装置工作流程图；
图6为轴承检测装置安装示意图；
图7为轴承磨损检测计算示意图；
图8为A-A截面曲线设计计算示意图；
图9为舵系附体阻力系数比值图。
其中：1、舵杆套筒，2、舵杆，3、碳纤维筋板，31、竖向筋板，32、横向筋板，321、竖板，4、侧板，5、主舵叶，6、子舵叶，7、轴承座，8、轴承检测传感器，9、衬套，10、螺栓，11、螺母，12、船艉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-9所示，一种舵系附体结构，包括位于船体内的舵杆套筒1，舵杆套筒1上半部分位于船体上方的内部钢板中，下半部分位于舵系附体内部，舵杆套筒1内设有舵杆2，舵杆套筒1的螺纹通孔内设有轴承检测传感器8，舵杆2底部设有舵叶，舵系附体外设有侧板4，舵系附体内设有筋板，其材料为碳纤维，可以有效降低舵系附体整体质量，提高航行效率，筋板包括横向筋板32和竖向筋板31。
筋板能够有效提高整体的强度，能够保护舵杆套筒1及舵杆2免受破坏，提高航行效率，防止舵杆2偏心及磨损严重，流线形侧板4能有效减小水流阻力，降低艉部带来的空化影响，这样整个舵系的使用寿命能够得到进一步提高。
舵杆套筒1和舵杆2的中心线重合，舵杆2下端与舵杆套筒1下端之间设置衬套9，舵杆套筒1下端通过螺栓固定连接有轴承座7，轴承座7底部固定在舵系附体底板上，底板与舵杆套筒垂直，底板呈豆荚形，侧板4流线型且侧板前部低后部高，与上方船体以及舵系附体底板采用焊接固定。
舵杆套筒1和舵杆2的轴心一致，三者之间形成一种类轴承结构，衬套9的作用可以防止舵杆2和舵杆套筒1之间的磨损，减小舵杆2的磨损，轴承座7和舵系附体底板之间的连接可以增加轴承座7的连接强度，流线型的侧板4在船舶航行的时候可以有效减少阻力。
舵叶包括主舵叶5和子舵叶6，主舵叶5与舵杆2底部液压螺母连接，子舵叶6与轴承座7连杆铰链连接，主舵叶5正前方的船艉，与船体结构焊接，能够推进船体的航行。
舵杆套筒1下端距离轴承座7外1m水平面的外部，每间隔90°开设螺纹通孔，共开设两个螺纹通孔，螺纹通孔可以便于后期的轴承检测传感器8的放置，便于轴承检测传感器8的检测。
轴承检测传感器8与螺纹通孔之间采用螺纹连接并留有间隙，轴承检测传感器8为相位式超声波测距传感器，轴承检测传感器8这样的排列方式便于后期对舵系附体结构进行检测，相位式超声波测距传感器对舵系附体结构的检测效果最佳。
筋板上开设有通孔，横向筋板32和竖向筋板31之间垂直，横向筋板32的一外侧面有两个长度、宽度及厚度相等的竖板321，且两个竖板321间隔大小为竖向筋板31的厚度，另一外侧面与其完全对称，即横向筋板32与竖向筋板31的连接处呈H型，竖向筋板31通过螺栓螺母固定连接在横向筋板32的H型竖板321中间，通孔可以便于后期进行检修横向筋板32和竖向筋板31之间的H型连接方式可以使得连接的牢固度更高，横向筋板32和竖向筋板31之间对称布置，进一步提高筋板对舵系附体的强度提升。
一种舵系附体结构的检测方法，包括下列步骤：
步骤1：如图5所示，将一低频调制信号发射至检测探头上，激励压电片产生脉冲超声波，超声波进入工件，在舵杆2外壁与衬套9内壁之间形成多次反射，反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，由计算系统测出声波在上下两面间的传播时间t，再由公式间接求得待测距离d，距离的一般计算公式为：
步骤2：同一平面内的两个轴承检测传感器8两两间隔90°，同时从这两个方位发射信号，而舵杆2在航行时左右转动的最大角度为120°，轴承检测传感器8分别对初始安装位置进行检测，舵杆2从左侧最大角度位置转向右侧最大角度位置时，轴承检测传感器8测量转动范围内的舵杆2沿传感器直线方向上的厚度，
步骤3：如图7所示，超声波在垂直两方向的舵杆2厚度dm，dn，轴承圆心为O1,舵杆2圆心坐标为O2(x0，y0)，对于舵杆2圆心坐标以及O1O2之间距离计算如下：
由此可得轴承磨损量：
其中d为舵杆直径，r为舵杆半径，R为轴承直径。
优选地，步骤1中的Φ为超声波在距离为2d上的相位差，c为超声波的传播速度，t为超声波在待测距离往返一次所需要的时间，f为超声波的频率。
通过采用上述技术方案，轴承检测传感器8装置在舵杆套筒1中检测舵杆2轴承的磨损，各个轴承检测传感器8夹角相隔90°，可以有效实时检测轴承磨损，提高监测效率，进而提高航行的安全性。
一种舵系附体结构的设计方法，如图8所示，包括下列步骤：
步骤1：设舵杆2水平圆心为坐标原点，坐标原点至最右侧顶点的长度为L1，上下两侧宽度为L2，坐标原点至最左侧顶点的长度为L3，最右侧竖向筋板31上端坐标为P1(T1，t1)，与之相邻的竖向筋板31顶端坐标为P3(T3，t3)，坐标原点右侧第一个竖向筋板31顶端坐标为P2(T2，t2)，坐标原点左侧第二个竖向筋板31顶端坐标为 最左侧顶点坐标为P5(-L3，0)，Z为辅助线，其中y4为未知量，其余都是已知量；
步骤2：对于舵系附体的侧板4水平截面最右侧圆弧段曲线R1计算，公式如下：
曲线半径关系式为
圆弧计算公式(x-L1+r)2+y2＝r2,T1≤x≤L1-T1,-t1≤y≤t1；
步骤3：对于坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2计算，公式如下：
圆弧曲率半径关系式：
上圆弧段计算公式：x2+(y-L2+r)2＝r2, y4≤y≤L2；
下圆弧段计算公式：x2+(y+L2-r)2＝r2, -L2≤y≤-y4；
其中将P4的横坐标带入坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2的计算公式可以得出y4；
步骤4：对于水平截面椭圆弧段曲线E1计算，公式如下：
其中m，n，a，b，都是未知量，P0，P1，P2，P3，P5的坐标都是已知且都是椭圆方程上的点，即五个方程四个未知数可解出m，n，a，b的值。
舵系附体线型设计在考虑到船体结构合理性的基础上，不仅与主船体结构相互协调，而且大大提高整体船舶的性能，并根据所设计的舵系附体曲线数学函数模型，对其求解能得到实用的舵系附体曲线，从而能更好的满足船舶设计要求。
舵系附体的整体线型设计参考船舶设计手册数学造船法，是将舵系附体曲面分成四对数学函数方程不同的曲线，而碳纤维筋板3的横纵坐标为不同曲线的连接点，从而构成整体设计曲线。
对于图9中椭圆型与豆荚型舵系附体结构的减阻效果比较，在于其减阻系数比值是否大于1且减阻系数越小，减阻效果越好，图示减阻系数比值最大为4，但随着时间趋于稳定，比值接近于3。所以椭圆型舵系附体减阻系数远大于豆荚型舵系附体减阻系数，而豆荚型舵系附体结构的减阻效果却高于椭圆型舵系附体结构，其中Cd1为椭圆型舵系附体减阻系数，Cd2为豆荚型舵系附体减阻系数。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明，本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.一种舵系附体结构，包括位于船体内的舵杆套筒，所述舵杆套筒上半部分位于船体上方的内部钢板中，下半部分位于舵系附体内部，所述舵杆套筒内设有舵杆，其特征在于：所述舵杆套筒的螺纹通孔内设有轴承检测传感器，所述舵杆底部设有舵叶，所述舵系附体外设有侧板，所述舵系附体内设有筋板，所述筋板包括横向筋板和竖向筋板；
一种舵系附体结构的检测方法，包括下列步骤：
步骤1：将一低频调制信号发射至检测探头上，激励压电片产生脉冲超声波，超声波进入工件，在舵杆外壁与衬套内壁之间形成多次反射，反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，由计算系统测出声波在上下两面间的传播时间t，再由公式间接求得待测距离d，距离的一般计算公式为：
其中，Φ为超声波在距离为2d上的相位差，c为超声波的传播速度，t为超声波在待测距离往返一次所需要的时间，f为超声波的频率；
步骤2：同一平面内的两个轴承检测传感器两两间隔90°，同时从这两个方位发射信号，而舵杆在航行时左右转动的最大角度为120°，轴承检测传感器分别对初始安装位置进行检测，舵杆从左侧最大角度位置转向右侧最大角度位置时，轴承检测传感器测量转动范围内的舵杆沿传感器直线方向上的厚度；
步骤3：超声波在垂直两方向的舵杆厚度dm，dn，轴承圆心为O1,舵杆圆心坐标为O2(x0，y0)，对于舵杆圆心坐标以及O1O2之间距离计算如下：
由此可得轴承磨损量：
其中d为舵杆直径，r为舵杆半径，R为轴承直径；
一种舵系附体结构的设计方法，包括下列步骤：
步骤1：设舵杆水平圆心为坐标原点，坐标原点至最右侧顶点的长度为L1，上下两侧宽度为L2，坐标原点至最左侧顶点的长度为L3，最右侧竖向筋板上端坐标为P1(T1，t1)，与之相邻的竖向筋板顶端坐标为P3(T3，t3)，坐标原点右侧第一个竖向筋板顶端坐标为P2(T2，t2)，坐标原点左侧第二个竖向筋板（31）顶端坐标为最左侧顶点坐标为P5(-L3，0)，Z为辅助线，其中y4为未知量，其余都是已知量；
步骤2：对于舵系附体的侧板水平截面最右侧圆弧段曲线R1计算，公式如下：
曲线半径关系式为
圆弧计算公式(x-L1+r)2+y2＝r2,T1≤x≤L1-T1,-t1≤y≤t1；
步骤3：对于坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2计算，公式如下：
圆弧曲率半径关系式：
上圆弧段计算公式：x2+(y-L2+r)2＝r2,
下圆弧段计算公式：x2+(y+L2-r)2＝r2,
其中将P4的横坐标带入坐标原点上方的水平截面圆弧段曲线R2的计算公式可以得出y4；
步骤4：对于水平截面椭圆弧段曲线E1计算，公式如下：
其中m，n，a，b，都是未知量，P0，P1，P2，P3，P5的坐标都是已知且都是椭圆方程上的点，即五个方程四个未知数可解出m，n，a，b的值。
2.根据权利要求1所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述舵杆套筒和舵杆的中心线重合，所述舵杆下端与舵杆套筒下端之间设置衬套。
3.根据权利要求1所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述舵杆套筒下端通过螺栓固定连接有轴承座，所述轴承座底部固定在舵系附体底板上，所述底板与舵杆套筒垂直，所述底板呈豆荚形，所述侧板流线型且侧板前部低后部高，与上方船体以及舵系附体底板采用焊接固定。
4.根据权利要求1所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述舵叶包括主舵叶和子舵叶，所述主舵叶与舵杆底部液压螺母连接，子舵叶与轴承座连杆铰链连接，所述主舵叶正前方的船艉，与船体结构焊接。
5.根据权利要求3所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述舵杆套筒下端距离轴承座外1m水平面的外部，每间隔90°开设螺纹通孔，共开设两个螺纹通孔。
6.根据权利要求1所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述轴承检测传感器与螺纹通孔之间采用螺纹连接并留有间隙，所述轴承检测传感器为相位式超声波测距传感器。
7.根据权利要求3所述的一种舵系附体结构，其特征在于：所述筋板上开设有通孔，所述横向筋板和竖向筋板之间垂直，所述横向筋板的一外侧面有两个长度、宽度及厚度相等的竖板，且两个竖板间隔大小为竖向筋板的厚度，另一外侧面与其完全对称，即横向筋板与竖向筋板(31)的连接处呈H型，所述竖向筋板通过螺栓螺母固定连接在横向筋板的H型竖板中间。
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