CN117309319A - 一种水下拉式全回转推进器的推力测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下拉式全回转推进器的推力测量装置和测量方法，测量装置包括下平台、中平台、上平台、水下拉式全回转推进器、测力装置、上位机、龙门架、水池、主推进电机、转舵电机、中央控制单元和变频柜；本发明在测量时，将水下拉式全回转推进器安装在测力装置上，将测力装置固定在龙门架上；水下拉式全回转推进器的带动中平台和上平台沿着第一直线导轨和第二直线导轨运动，并将推力或拉力传递给第一拉压力传感器和第二拉压力传感器，上位机计算第一拉压力传感器和第二拉压力传感器测得的两个水平方向相互垂直的力；改变水下拉式全回转推进器舵角θ和螺旋桨转速v进行测试。本发明实现了水下拉式全回转推进器的推力的大小和方向的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及推力测量装置，尤其涉及一种水下拉式全回转推进器的推力测量装置和测量方法。
背景技术
水下拉式全回转推进器是一种高效、稳定、多功能、节能的推进器，能够满足现代高性能船舶的所有要求。
随着海洋开发的不断深入，水下推进器的应用范围越来越广，其静水推力和巡航状态下的推力是设计的关键参数，由于推进器静水推力通常是基于理论参数估算的，与实际推力存在一定的偏差，因此，准确测得实际环境下推进器的推力具有重要意义。
中国专利申请号为CN201721425608.4公开了一种小型水下推进器静水推力测试装置，利用等臂原理，在等臂杠杆另一端的测力计读出了力的数值。中国专利申请号为CN201920429139.6公开了一种水下机器人推进器推力测试装置，采用测力计对螺旋桨的推力进行测试。测力计根据弹簧的形变来测量力的大小，弹簧对力的敏感程度较低，因此使用测力计存在测量结果精确度较差的问题。中国专利申请号为CN202111475061.X公开了一种用于水下推进器推力测试装置，包括固定架，固定架由两根纵梁和三根横梁构成，每个纵梁上均安装有方形座，两个方形座之间转动连接有轴承座，轴承座上穿设有校准杆，校准杆的两端均设有平衡调节杆，轴承座上还设有第一立杆，第一立杆上设有与试下推进器相配合的安装板，位于中间的横梁上设有第二立杆，第二立杆上设有压力传感器。但是该测试装置仅能够测量单方向上的推力。中国专利申请号为CN202210357629.6公开了一种螺旋桨推拉力测量装置及方法，该发明能够根据杠杆原理，基于第一测力计和第二测力计进行力矩平衡计算，在更换推进器时无需重新测量，即可得到螺旋桨的推力或拉力。但是，当测试对象为水下拉式全回转推进器时，上述装置及方法无法准确测量推进器的准确推力大小和方向。
发明内容
发明目的：针对现有技术中无法对水下拉式全回转推进器的推力大小和方向进行准确测量的不足之处，本发明提出一种水下拉式全回转推进器的推力测量装置和测量方法，使两个拉压力传感器同时受力，实时测得两个方向的推力或拉力，进而计算出水下拉式全回转推进器推力或拉力的实时大小和方向，测量方便，计算误差小。
技术方案：本发明水下拉式全回转推进器的推力测量装置包括下平台、中平台、上平台、水下拉式全回转推进器、测力装置、上位机、龙门架、水池、主推进电机、转舵电机、中央控制单元和变频柜；
水下拉式全回转推进器包括上部回转部件、下部推进器和中部连接部件；
下平台与龙门架连接；上平台与中部连接部件连接；
下平台包括下层固定平台，下层固定平台上设有第一直线导轨和第一传感器支座；
中平台包括中层平台，中层平台上设有第二传感器支座和第二直线导轨；中层平台下方固定有第一滑块和第一拉压力传感器；中层平台通过第一拉压力传感器与第一传感器支座连接；第一滑块沿着第一直线导轨滑动；
上平台包括上层连接平台，上层连接平台下方设有第二滑块和第二拉压力传感器，上层连接平台通过第二拉压力传感器与第二传感器支座连接；第二滑块沿着第二直线导轨滑动；
主推进电机与转舵电机连接，转舵电机与水下拉式全回转推进器连接。
第一直线导轨的方向与第二直线导轨的布设方向垂直。
第一拉压力传感器与第二拉压力传感器的布设方向垂直。
上层连接平台包括固定板，固定板的底部设有加强筋。
变频柜包括主推电机变频柜和转舵电机变频柜。
本发明水下拉式全回转推进器的推力测量方法，由水下拉式全回转推进器的推力测量装置来实施，该方法包括以下步骤：
(1)将水下拉式全回转推进器安装在测力装置上，测力装置固定在龙门架上，然后将水下拉式全回转推进器放入水池内；将第一拉压力传感器和第二拉压力传感器与上位机连接并校准；
(2)通过上位机设定测试参数，所述测试参数包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v；
(3)上位机将设定的测试指令发送给中央控制单元，测试指令包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v设定值，中央控制单元对测试指令进行运算，变频柜根据测试指令控制转舵电机或主推电机的工作状态，使水下拉式全回转推进器(4)按照设定的舵角θ和转速v运行；
(4)水下拉式全回转推进器带动中平台和上平台沿着第一直线导轨和第二直线导轨运动，并将推力或拉力传递给第一拉压力传感器和第二拉压力传感器，上位机记录水下拉式全回转推进器的推力或拉力大小F和方向θ'；
(5)计算并记录水下拉式全回转推进器(4)的推力或拉力的大小和方向，并计算第一拉压力传感器和第二拉压力传感器测得的两个水平方向相互垂直的力；
(6)改变水下拉式全回转推进器舵角θ和螺旋桨转速v进行测试。
步骤(3)中，中央控制单元对测试指令进行运算，同时输出对应的动作指令给转舵电机变频柜或主推电机变频柜，变频柜根据指令控制转舵电机或主推电机的工作状态，使水下拉式全回转推进器按照设定的舵角θ和转速v运行。
步骤(5)中，力的计算公式如下：
其中，Fx为第一拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，Fy为第二拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，F为水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力的大小。
步骤(5)中，水下拉式全回转推进器的实际推力方向通过反正切函数计算，公式为：
θ'＝arctan(Fy/Fx)；
其中，θ'为所述水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力方向与Fx的方向的夹角。
步骤(6)的过程为：
(6.1)螺旋桨转速v不变，调整水下拉式全回转推进器舵角θ每次顺时针转动θ*后，重复步骤(2)-步骤(5)，直至水下拉式全回转推进器舵角θ转动为360°，记录对应的水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力F的大小和方向θ'；
(6.2)将螺旋桨转速v每次增加螺旋桨最大转速的m％后，重复步骤(6.1)，直至螺旋桨转速v达到螺旋桨最大转速。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的水下拉式全回转推进器的推力测量方法使两个拉压力传感器同时受力，实时测得两个方向的推力或拉力；进而计算出水下拉式全回转推进器推力或拉力的实时大小和方向，测量方便、计算误差小。
(2)本发明实现了水下拉式全回转推进器的推力的大小和方向的精确测量，便于对水下拉式全回转水下推进器的结构和性能进行改进；且该水下拉式全回转推进器推力测量装置易于安装和维护，适用于各种环境。
附图说明
图1为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的立体结构示意图；
图2为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的立体结构局部示意图；
图3为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的立体结构局部主视图；
图4为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的下层固定平台立体结构示意图；
图5为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的中层平台立体结构示意图；
图6为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的上层连接平台立体结构示意图；
图7为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的第一传感器支座和第二传感器支座的立体结构示意图；
图8为本发明水下拉式全回转推进器推力测量装置的拉压力传感器立体结构示意图；
图9为本发明水下拉式全回转推进器推力测量方法的流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明水下拉式全回转推进器的推力测量装置包括下平台、中平台、上平台、水下拉式全回转推进器4、测力装置、上位机10、龙门架11、用于实验的水池12、主推进电机5、转舵电机6、中央控制单元8和变频柜。
水下拉式全回转推进器4包括上部回转部件4.1、下部推进器4.2和中部连接部件4.3。
下平台1包括下层固定平台1.1，下层固定平台1.1上设有第一直线导轨1.2和第一传感器支座1.3。下平台1的具体结构为，下层固定平台1.1由方形钢板和底部加强筋构成。方形钢板的中心开设有圆形通孔。下层固定平台1.1与龙门架11通过螺栓连接作为固定平台。下层固定平台1.1上螺栓连接有两条相互平行的第一直线导轨1.2。下层固定平台1.1上还设有第一传感器支座1.3。
中平台2包括中层平台2.1，中层平台2.1由方形钢板和底部加强筋构成，方形钢板的中心开设有圆形通孔。中层平台2.1上开设有螺栓孔，通过螺栓连接有两条相互平行的第二直线导轨2.2。中层平台上设有第二传感器固定支座2.3。中层平台2.1下方通过螺栓连接有两排平行分布的第一滑块2.4。中层平台2.1的下方通过螺栓连接有第一拉压力传感器2.5。第一滑块2.4沿着第一直线导轨1.2滑动。第一拉压力传感器2.5的一端安装在中层平台的筋板上，第一拉压力传感器2.5的另一端与中层平台下方的第一传感器支座1.3连接。
第二直线导轨2.2与第一直线导轨1.2在水平方向上相互垂直。第二传感器支座2.3的安装位置相对于第一传感器支座1.3以中心圆形通孔回转中心线为轴线偏转90°。
上平台3包括上层连接平台3.1。上平台3的结构为，上层连接平台3.1由方形钢板和底部加强筋构成，方形钢板的中心开设有圆形通孔，上层连接平台3.1的中心圆形通孔周围设有圆周均布的螺栓孔，螺栓孔与水下拉式全回转推进器4的中部连接部件4.3螺栓连接，上层连接平台3.1下方螺栓连接有两排平行且的第二滑块3.2。上层连接平台3.1下方的筋板上通过螺栓连接有第二拉压力传感器3.3。第二滑块3.2沿着第二直线导轨2.2滑动。第二拉压力传感器3.3另一端与第二传感器支座2.3螺栓连接，第一拉压力传感器2.5和第二拉压力传感器3.3与上位机10连接。
变频柜包括主推电机变频柜7和转舵电机变频柜9。上位机10连接中央控制单元8的一端。
中央控制单元8另一端连接主推电机变频柜7、转舵电机6、转舵电机变频柜9的一端。转舵电机变频柜9的另一端与转舵电机6一端连接，主推电机变频柜7的另一端与主推进电机5连接，主推进电机5的另一端与转舵电机6连接，转舵电机6与拉式全回转推进器4连接。
如图1和图9所示，本发明水下拉式全回转推进器的推力测量方法包括如下步骤：
(1)安装水下拉式全回转推进器及测力装置并进行传感器校准：首先将水下拉式全回转推进器4安装在测力装置上，测力装置固定在龙门架上11，然后将水下拉式全回转推进器浸没在试验水池12中。将第一拉压力传感器和第二拉压力传感器与上位机10的数据采集系统连接，确保第一拉压力传感器和第二拉压力传感器采集到的拉压力数据被准确记录和储存。在施加零拉力或零压力的状态下，对第一拉压力传感器和第二拉压力传感器进行校准。
(2)设定测试参数：通过上位机10设定好所需的测试参数，该测试参数包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v。
(3)发送测试指令控制水下拉式全回转推进器运行：上位机10将设定好的测试指令发送给中央控制单元，测试指令包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v设定值，中央控制单元对指令进行运算，同时输出对应的动作指令给转舵电机变频柜或主推电机变频柜，变频柜根据指令控制转舵电机或主推电机的工作状态，使水下拉式全回转推进器4按照设定的舵角θ和转速v运行。
(4)测量推力或拉力数据：随着水下拉式全回转推进器4的运行，推力或拉力被施加到测力装置上，由水下拉式全回转推进器4分别带动中层平台和上层连接平台产生沿着第一直线导轨和第二直线导轨方向上的运动趋势并将推力或拉力传递给对应的第一拉压力传感器、第二拉压力传感器，从而通过第一拉压力传感器和第二拉压力传感器将所测得的数据传回上位机，上位机将水下拉式全回转推进器产生的两个方向的推力数据采集记录下来，这些数据为水下拉式全回转推进器产生的推力或拉力大小F和方向θ'。
(5)数据分析与记录：计算并记录水下拉式全回转推进器4的推力或拉力的大小和方向，通过矢量相加的方法来计算第一拉压力传感器和第二拉压力传感器测得的两个水平方向相互垂直的力，采用以下公式计算合力：
其中，Fx为第一拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，Fy为第二拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，F为水下全回转推进器的实际推力或拉力的大小；
水下全回转推进器的实际推力方向θ'通过反正切函数计算，公式为：
θ'＝arctan(Fy/Fx)；
其中，θ'为水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力方向与Fx力的方向的夹角；
(6)改变测试参数：分别调整水下拉式全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v。
(6.1)控制螺旋桨转速v固定不变，调整水下拉式全回转推进器舵角θ每次顺时针转动θ*，每次转动后重复步骤(2)-步骤(5)，直至水下拉式全回转推进器舵角θ转动达到360°，记录对应的水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力F的大小和方向θ'。
(6.2)将螺旋桨转速v每次增加螺旋桨最大转速的m％，每次增加转速后重复步骤(6.1)，直至螺旋桨转速v增加至螺旋桨最大转速。
Claims (10)
1.一种水下拉式全回转推进器的推力测量装置，其特征在于：包括下平台(1)、中平台(2)、上平台(3)、水下拉式全回转推进器(4)、测力装置、上位机(10)、龙门架(11)、水池(12)、主推进电机(5)、转舵电机(6)、中央控制单元(8)和变频柜；
所述水下拉式全回转推进器(4)包括上部回转部件(4.1)、下部推进器(4.2)和中部连接部件(4.3)；
所述下平台(1)与龙门架(11)连接；上平台(3)与所述中部连接部件(4.3)连接；
下平台(1)包括下层固定平台(1.1)，下层固定平台(1.1)上设有第一直线导轨(1.2)和第一传感器支座(1.3)；
所述中平台(2)包括中层平台(2.1)，所述中层平台(2.1)上设有第二传感器支座(2.3)和第二直线导轨(2.2)；所述中层平台(2.1)下方固定有第一滑块(2.4)和第一拉压力传感器(2.5)；所述中层平台(2.1)通过第一拉压力传感器(2.5)与第一传感器支座(1.3)连接；第一滑块(2.4)沿着第一直线导轨(1.2)滑动；
所述上平台(3)包括上层连接平台(3.1)，所述上层连接平台(3.1)下方设有第二滑块(3.2)和第二拉压力传感器(3.3)，所述上层连接平台(3.1)通过第二拉压力传感器(3.3)与第二传感器支座(2.3)连接；第二滑块(3.2)沿着第二直线导轨(2.2)滑动；
所述主推进电机(5)与转舵电机(6)连接，转舵电机(6)与水下拉式全回转推进器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的水下拉式全回转推进器的推力测量装置，其特征在于：所述第一直线导轨(1.2)的方向与第二直线导轨(2.2)的布设方向垂直。
3.根据权利要求1所述的水下拉式全回转推进器的推力测量装置，其特征在于：所述第一拉压力传感器(2.5)与第二拉压力传感器(3.3)的布设方向垂直。
4.根据权利要求1所述的水下拉式全回转推进器的推力测量装置，其特征在于：所述上层连接平台(3.1)包括固定板，所述固定板的底部设有加强筋。
5.根据权利要求1所述的水下拉式全回转推进器的推力测量装置，其特征在于：所述变频柜包括主推电机变频柜(7)和转舵电机变频柜(9)。
6.一种水下拉式全回转推进器的推力测量方法，其特征在于：由权利要求1至5所述的水下拉式全回转推进器的推力测量装置来实施，所述方法包括以下步骤：
(1)将水下拉式全回转推进器(4)安装在测力装置上，测力装置固定在龙门架(11)上，然后将水下拉式全回转推进器(4)放入水池(12)内；将第一拉压力传感器(2.5)和第二拉压力传感器(3.3)与上位机(10)连接并校准；
(2)通过上位机(10)设定测试参数，所述测试参数包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v；
(3)上位机(10)将设定的测试指令发送给中央控制单元，指令包括水下全回转推进器的舵角θ和螺旋桨转速v设定值，中央控制单元对测试指令进行运算，变频柜根据测试指令控制转舵电机或主推电机的工作状态，使水下拉式全回转推进器(4)按照设定的舵角θ和转速v运行；
(4)水下拉式全回转推进器(4)带动中平台和上平台沿着第一直线导轨(1.2)和第二直线导轨(2.2)运动，并将推力或拉力传递给第一拉压力传感器和第二拉压力传感器，上位机记录水下拉式全回转推进器(4)的推力或拉力大小F和方向θ'；
(5)计算并记录水下拉式全回转推进器(4)的推力或拉力的大小和方向，并计算第一拉压力传感器和第二拉压力传感器测得的两个水平方向相互垂直的力；
(6)改变水下拉式全回转推进器舵角θ和螺旋桨转速v进行测试。
7.根据权利要求6所述的水下拉式全回转推进器的推力测量方法，其特征在于：步骤(3)中，中央控制单元对测试指令进行运算，同时输出对应的动作指令给转舵电机变频柜或主推电机变频柜，变频柜根据指令控制转舵电机或主推电机的工作状态，使水下拉式全回转推进器(4)按照设定的舵角θ和转速v运行。
8.根据权利要求6所述的水下拉式全回转推进器的推力测量方法，其特征在于：步骤(5)中，力的计算公式如下：
其中，Fx为所述第一拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，Fy为所述第二拉压力传感器测得的推力或拉力的大小，F为所述水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力的大小。
9.根据权利要求6所述的水下拉式全回转推进器的推力测量方法，其特征在于：步骤(5)中，所述水下拉式全回转推进器的实际推力方向通过反正切函数计算，公式为：
θ'＝arctan(Fy/Fx)；
其中，θ'为所述水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力方向与Fx的方向的夹角。
10.根据去权利要求6所述的水下拉式全回转推进器的推力测量方法，其特征在于：步骤(6)的过程为：
(6.1)螺旋桨转速v不变，调整水下拉式全回转推进器舵角θ每次顺时针转动θ*后，重复步骤(2)-步骤(5)，直至水下拉式全回转推进器舵角θ转动为360°，记录对应的水下拉式全回转推进器的实际推力或拉力F的大小和方向θ'；
(6.2)将螺旋桨转速v每次增加螺旋桨最大转速的m％后，重复步骤(6.1)，直至螺旋桨转速v达到螺旋桨最大转速。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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