CN103837275A

CN103837275A - 一种船舶轴系动态弯曲力矩测试***

Info

Publication number: CN103837275A
Application number: CN201410090208.7A
Authority: CN
Inventors: 周新聪; 杨志飞; 唐育民; 秦丽
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明是一种船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其包括用于测量船舶轴系的弯曲应力、弯矩测量机构，用于测量船舶轴转速的转速测量机构；所述弯矩测量机构、弯曲应力测量机构应用电阻应变片，该电阻应变片粘贴于靠近螺旋桨端的船舶轴上；弯曲应力、弯矩测量机构通过数据线与PC机相连；转速测量机构通过粘贴在船舶轴表面上的反光条，船舶轴转动产生脉冲信号值被转速传感器感知，将信号值传输给PC机。本发明采用两组四片应变片，可增加电阻应变片的测量精度，该测量机构具有自动调零的功能；应变片的粘贴方法能消除其它力的影响单独测量出弯矩。本发明测试***能实现数据的剔除、储存、调用、查询、导出数据以及图形化实时显示等功能。

Description

一种船舶轴系动态弯曲力矩测试***

技术领域

本发明涉及与一种船舶轴系动态弯曲力矩测试***。

背景技术

测量轴段所受的弯曲力矩，为分析轴系受力提供有力的依据，这一原理已被应用于轴系静态校中方法中。轴系弯曲力矩通常在静态条件下采用顶举法测量，而后利用三弯矩的方法得到轴承的受力情况，利用应变片进行轴系的功率以及扭矩测量技术已经非常成熟。而应用应变片进行弯曲力矩测量，也有部分研究机构（例如美国ABS）给出了测量方法及公式；但都未涉及轴系动态条件下的弯曲力矩测量。对于运转中的轴系，由于受到众多动态因素如螺旋桨的水动力、船体变形、轴承油膜厚度等影响，仅进行轴系静态测量不能满足要求，要知道轴段的受力情况就必须做动态测量，目前国内尚没有利用应变片进行轴系弯矩测量，所以研制轴系动态弯矩测试装置十分有意义。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是：提供一种易于安装、操作简便、能实时、准确测量船舶轴系动态弯曲力矩测试***，以克服上述现有技术存在的缺陷。

本发明解决所述技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其包括用于测量船舶轴系的弯矩测量机构、弯曲应力测量机构、用于测量船舶轴转速的转速测量机构。所述弯矩测量机构、弯曲应力测量机构应用电阻应变片，该电阻应变片粘贴于靠近螺旋桨端的船舶轴上；弯矩测量机构、弯曲应力测量机构通过数据线与PC机相连。转速测量机构通过粘贴在船舶轴表面上的反光条，轴转动产生脉冲信号值被转速传感器感知，将信号值传输给PC机；

所述的弯矩测量机构、弯曲应力，由电阻应变片、干电池、信号发射单元、信号接收装置、NI数据采集卡、PC机组成，其中：干电池是信号发射单元的工作电源，它们装在船舶轴的表面上；电阻应变片粘贴于船舶轴表面，并且通过导线与信号发射单元的输入端相连；信号接收装置与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

所述弯曲应力、弯矩测量机构设有两组电阻应变片，它们以全桥方法呈180°粘贴于船舶轴的表面上。

所述信号接收器可以在相距≤3m范围内与信号发射器实现无线传输信号。

所述的数据采集卡可以采用NI USB—6009数据采集卡。

所述的转速测量机构可以由转速传感器、NI数据采集卡、PC机和粘贴于轴表面的反光条组成，其中：转速传感器正对着反光条距离≤100mm；转速传感器与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

所述的转速传感器测量的是脉冲信号，船舶轴每转一周传输光栅数目的脉冲信号供给转速传感器，转速传感器传输信号给NI数据采集卡，PC机接收信号采集卡的信号，最后由PC机内的数据采集***来统计频率，该轴的转速通过下述公式得到：

V=(f*60)/n，

式中：V为转速，f为频率，n为测量值。

其数值计算部分由labview中的调用函数节点、VC++编程的DLL的动态连接库、access数据库、互连接口database、显示装置组成，其中：access数据库与互连接口database相连；互连接口database与labview中的调用函数节点相连；labview中的调用函数节点与VC++编程的DLL的动态连接库相连；互连接口database与access数据库相连；labview中的调用函数节点与显示装置相连。

其数据处理部分由转速测量值、弯曲应力测量值、弯矩测量值、弯曲应力趋势图组成，所述的显示模块，其用于显示转速测量机构所测量的船舶轴的转速值、弯矩测量机构所测量的船舶轴的弯矩值及弯曲应力测量机构所测量的船舶轴的弯曲应力值的趋势图。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要的优点：

（1）应变片粘贴方式是两组四片，增加电阻应变片的测量精度。

（2）轴系在运转过程中通常受到推力、扭矩以及弯矩复杂受力状态，通过图1的应变片的粘贴方法能消除其它力的影响单独测量出弯矩。

（3）给出适合轴系动态弯矩和弯曲应力测量公式，该公式与美国ABS和NK检查应变片轴系校中推荐公式最大的不同在于，上述两个船级社给出的公式是轴类杆件单一受弯，拉—弯或扭弯组合的公式，而轴受到扭转弯曲组合变形上述船级社给出的公式就不适用。

（4）利用数据库能实现数据的剔除、储存、调用、查询、导出数据以及图形化实时显示等功能。

试验验证：在Measurement&Automation中建立虚拟采集卡，其电压信号为标准的正弦波，幅值为（-10到+10V），利用DAQmx采集上述的电压信号，程序运行以后在数据库中生成的数据如表1所示：从电压项可以一个完整周期正弦波数据，将采集的电压值代入到弯矩和弯曲应力计算公式得出的结果与上表实测的结果完全一致，从而可以得出该测试***正确可靠。

附图说明

图1是弯矩测量惠斯通电桥原理示意图。

图2是转速测量机构安装结构图。

图3是弯曲应力机构安装结构图。

图4是弯曲应力、弯矩及转速测量机构安装结构图。

图5是数值计算框图。

图6是database数据处理框图。

图中：1.等分反光条码；2.轴；3.转速传感器；4.电阻应变片；5.输出电压；6.输入电压。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其结构如图1至图4所示，包括测量船舶轴系弯曲应力、弯矩测量机构，用于测量船舶轴转速的转速测量机构，通过电阻应变片与弯矩测量机构相连，用于计算船舶轴系动态弯矩的计算单元，用于显示船舶轴系弯矩随时间变化的图形的显示装置，用于储存测量数据的数据库，其中：测量船舶轴系弯曲应力测量机构所用电阻应变片为两组四片通过全桥方法呈180°粘贴于靠近螺旋桨端的轴上；转速测量机构通过粘贴在船舶轴表面上的反光条，分别与转速传感器、数据采集机构相连，该反光条接受反射光；数据采集机构通过NI USB—6009数据采集卡采集信号，其通过数据线与所述的计算单元相连，该计算单元装在PC机上；显示装置通过数据线分别与数据采集机构、计算单元相连；数据库通过labview中的调用函数节点与VC++编程的DLL的动态连接库相连。

所述转速测量机构，其结构如图2所示，由转速传感器、NI数据采集卡、PC机和粘贴于轴表面的反光条组成，其中：转速传感器正对着反光条，二者距离≤100mm；转速传感器与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

所述转速传感器测量的是脉冲信号，船舶轴每转一周传输光栅数目的脉冲信号供给PC机内的数据采集***来统计频率。船舶轴的转速通过计算公式V=(f*60)/n计算得到，式中：V—转速，f—频率，n—测量值。

所述船舶弯曲应力、弯矩测量机构，其结构如图4所示，由船舶轴、电阻应变片、干电池、信号发射单元、信号接收装置、NI数据采集卡、PC机组成，其中：电阻应变片粘贴于轴表面，该电阻应变片为日本共和KFG系列通用箔式应变片；干电池、信号发射单元固定在轴表面；电阻应变片通过导线与信号发射单元的输入端相连；信号发射单元与干电池相连；信号接收装置在信号发射单元3m以内通过无线传输信号；信号接收装置与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

所述计算单元，其结构如图5所示，其由DAQMX数据采集模块、调用函数节点、VC++编程的DLL的动态连接库、Access数据库组成，其中DAQMX数据采集模块与调用函数节点相连；调用函数节点与VC++编程的DLL的动态连接库相连；调用函数节点与Access数据库相连。

所述信号的显示装置，其由弯矩测量值、转速测量值、弯曲应力测量值、弯曲应力趋势图组成，用于显示弯矩测量机构所测量的船舶轴的弯矩值、转速测量机构所测量的船舶轴的转速值、弯曲应力测量机构所测量的船舶轴的弯曲应力值的趋势图。

所述数据库，如图6所示，其由labview中的调用函数节点、VC++编程的DLL的动态连接库、access数据库、互连接口database、显示装置组成，其中：access数据库与互连接口database相连；互连接口database与labview中的调用函数节点相连；labview中的调用函数节点与VC++编程的DLL的动态连接库相连；互连接口database与access数据库相连；labview中的调用函数节点与显示装置相连。

本发明应用的labview为研发平台，其工作原理如下：

1.当轴转过一定的角度以后，上述粘贴于轴表面的电阻应变片的电阻产生变形，产生应变片阻值的变化，导致应变片的输出量变化，被遥测仪感知，并把轴弯矩信号转化为相应的电信号传送给遥测仪的发射机；

2.发射机以无线电波的形式向接收装置发射信号，并将其还原为相应的电信号；

3.接受装置接收电信号并与NI数据采集卡采集卡相连，采集电压信号；

4、NI数据采集卡与PC机相连；

5、采集的电信号进入PC机进行数据处理；

6、数据处理的具体过程包括：数值剔除，求平均等处理导入到用VC++编程的动态链接库中进行数据运算；

7、计算出来的结果一方面以数字的形式储存到access数据库中，另一方面以图形的形式显示于前面板；

8、储存于access数据库中的数据可利用database模块进行储存、调用等操作。

本发明提供的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，可解决船舶轴系受推力扭转弯曲组合变形，和单独测量轴的弯矩及给出动态弯矩和弯曲应力，具体工作过程如下：

第一步，所用电阻应变片贴两组四片如图1所示，以全桥方法呈180°粘贴于靠近螺旋桨端轴表面上。这种粘贴方法能消除由推力和扭矩对应变产生的影响，并具有温度补偿性能；

第二步，当轴转过一定的角度以后，上述粘贴于轴表面的电阻应变片的电阻产生变形，产生应变片阻值的变化，导致应变片的输出量变化，并将其转化为与应变片成正比的模拟电压信号Vout；

第三步，将所述的模拟电压信号Vout，通过labview中的函数调用节点调用VC++编程的动态连接库进行转速、弯矩以及弯曲应力的计算；

第四步，弯矩M通过如下公式得出：

M = \frac{π \cdot V_{out} \cdot E \cdot (D_{0}^{4} - D_{1}^{4})}{32 \cdot V_{EXC} \cdot k_{GF} \cdot G_{XMT} \cdot (10^{3}) \cdot D_{0}}

式中：M—轴段弯矩；

V_out—模拟电压信号；

E—杨氏模量；

D₀—轴的外径；

D_i—轴的内径；

V_EXC—电桥励磁电压；

k_GF—应变片灵敏系数；

G_XMT—发射装置的放大比例；

第五步，弯曲应力W通过如下公式得出：

W = \frac{32 \cdot D_{0} \cdot M \cdot (10^{3})}{π \cdot (D_{0}^{4} - D_{1}^{4})}

式中：W—弯曲应力；

M—轴段弯矩；

D₀—轴的外径；

D_i—轴的内径；

第六步，数据计算结果储存于access数据库中以及在前面板上实时显示，同时利用database模块进行储存、调用等操作。

第六步，当轴转动时，转速传感器接收粘贴于轴表面反光条产生的脉冲信号，脉冲信号被采集卡采集，进入到PC机中进行数据计算、数据处理以及储存等过程。

附表

表1

Claims

1.一种船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于包括用于测量船舶轴系的弯曲应力、弯矩测量机构，用于测量船舶轴转速的转速测量机构；所述弯矩测量机构、弯曲应力测量机构应用电阻应变片，该电阻应变片粘贴于靠近螺旋桨端的船舶轴上；弯曲应力、弯矩测量机构通过数据线与PC机相连；转速测量机构通过粘贴在船舶轴表面上的反光条，船舶轴转动产生脉冲信号值被转速传感器感知，将信号值传输给PC机。

2.根据权利要求1所述的船舶轴系动态弯矩、弯曲应力测试***，其特征在于所述的弯曲应力、弯矩测量机构，其由电阻应变片、干电池、信号发射单元、信号接收装置、NI数据采集卡、PC机组成，其中：干电池是信号发射单元的工作电源，它们装在船舶轴的表面上；电阻应变片粘贴于船舶轴表面，并且通过导线与信号发射单元的输入端相连；信号接收装置与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

3.根据权利要求2所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：所述弯曲应力、弯矩测量机构设有两组电阻应变片，它们以全桥方法呈180°粘贴于船舶轴的表面上。

4.根据权利要求2所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：所述信号接收装置在相距≤3m范围内与信号发射器实现无线传输信号。

5.根据权利要求2所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：所述的数据采集卡采用NI USB—6009数据采集卡。

6.根据权利要求1所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：所述的转速测量机构由转速传感器、NI数据采集卡、PC机和粘贴于轴表面的反光条组成，其中：转速传感器正对着反光条距离≤100mm；转速传感器与NI数据采集卡相连；NI数据采集卡与PC机相连。

7.根据权利要求6所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：所述的转速传感器测量的是脉冲信号，船舶轴每转一周传输光栅数目的脉冲信号供给转速传感器，转速传感器传输信号给NI数据采集卡，PC机接收信号采集卡的信号，最后由PC机内的数据采集***来统计频率，该轴的转速通过下述公式得到：

V=(f*60)/n，式中：V为转速，f为频率，n为测量值。

8.根据权利要求1所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：其数值计算部分由labview中的调用函数节点、VC++编程的DLL的动态连接库、access数据库、互连接口database、显示装置组成，其中：access数据库与互连接口database相连；互连接口database与labview中的调用函数节点相连；labview中的调用函数节点与VC++编程的DLL的动态连接库相连；互连接口database与access数据库相连；labview中的调用函数节点与显示装置相连。

9.根据权利要求1所述的船舶轴系动态弯曲力矩测试***，其特征在于：其数据处理部分由弯矩测量值、转速测量值、弯曲应力测量值、弯曲应力趋势图组成，所述的显示模块，其用于显示弯矩测量机构所测量的船舶轴的弯矩值、转速测量机构所测量的船舶轴的转速值、弯曲应力测量机构所测量的船舶轴的弯曲应力值的趋势图。