CN116399440B - 螺旋桨振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨振动测量装置及方法，其包括光学跟随机构、光束发生器、图像采集单元、控制台以及供电单元；光束发生器固定于螺旋桨的桨轴；光学跟随机构包括套管一、套管二、反射板和透板，所述套管一和套管二均套设于桨轴；反射板一端固定于套管一的内壁，另一端朝向桨轴倾斜，光束发生器发出的光束落在反射板上；透板的一端固定于套管一的端沿，另一端远离套管一，透板远离套管一的一端朝向桨轴倾斜；被所述反射板所反射的光束落在透板上；图像采集单元朝向透板背离光束的一面，控制台基于图像采集单元采集的图像计算和评估桨轴振动信息。本申请具有能更直接的从螺旋桨的桨轴上得到其运行时的相关参数的效果。

Description

螺旋桨振动测量装置及方法

技术领域

本申请涉及船舶组成质量检测技术领域，尤其是涉及一种螺旋桨振动测量装置及方法。

背景技术

螺旋桨作为船舶的重要组成，其质量和工作时状态对船舶安全、顺畅运行起到了决定性作用。

目前，针对螺旋桨的监测方式至少有两类：

第一类，螺旋桨设计、出厂阶段进行模拟测试，监测螺旋桨的各项参数变化；

第二类，针对安装使用阶段的螺旋桨，考虑桨轴磨损等，对其做轴振动监测，以评估构件磨损程度，及时安排维修等工作。

上述对于螺旋桨的桨轴振动测量多从其他关联参数的变化得出，比如：对螺旋桨的桨轴油液检测，通过油液中磨粒、污染情况评估桨轴振动、磨损变化，而无法更为直接的基于桨轴自身振动行为得到相关参数信息，因此本申请提出一种新的技术方案。

发明内容

为了能更直接的从螺旋桨的桨轴上得到其运行时的相关参数，本申请提供一种螺旋桨振动测量装置及方法。

第一方面，本申请提供一种螺旋桨振动测量装置，采用如下的技术方案：

一种螺旋桨振动测量装置，包括：包括光学跟随机构、光束发生器、图像采集单元、控制台以及供电单元；

所述光束发生器固定于螺旋桨的桨轴，且用于朝向远离桨轴的方向发出光束；

所述光学跟随机构包括套管一、套管二、反射板和透板，所述套管一和套管二均套设于桨轴且与桨轴分隔，所述套管一和套管二沿桨轴的长度分布且相对船体或地面固定；所述反射板一端固定于套管一的内壁，另一端朝向桨轴倾斜，所述光束发生器发出的光束落在反射板上且光束被反射出套管一；所述透板的一端固定于套管一的端沿，另一端远离套管一，所述透板远离套管一的一端朝向桨轴倾斜；被所述反射板所反射的光束落在透板上；

所述图像采集单元安装于套管二且摄像端朝向透板背离光束的一面，所述控制台电连接于图像采集单元且用于基于图像采集单元采集的图像计算评估桨轴振动信息；所述供电单元用于向控制台、图像采集单元和光束发生器供电。

可选的，所述反射板和透板均环绕桨轴设置，所述套管二靠近套管一的一端朝向桨轴径向延伸形成端板，所述端板靠近桨轴的一端固定于透板远离套管一的一端。

可选的，所述图像采集单元为多个且环绕桨轴分布，所述控制台用于将多个图像采集单元所采集的图像拼接，得到桨轴环向振动特征图。

可选的，所述套管二环绕内壁设置有环槽，所述环槽内滑移连接有适配的滑块，所述滑块伸出环槽且固定安装板，所述图像采集单元固定于安装板，桨轴径向固定推杆，所述推杆远离桨轴的一端插接于安装板且可相对安装板伸缩；所述控制台用于将图像采集单元所采集的图像根据时序拼接，得到桨轴环向振动特征图。

可选的，所述供电单元包括电源模块、导电环和电极针；所述导电环两个一组且一组套设固定于桨轴，套接于桨轴的导电环电连接于光束发生器，所述电极针固定于套管一且端头接触导电环，所述电极针用于电连接电源模块。

可选的，所述透板背离光束的一面设置有光致变色层；

所述控制台用于令光束发生器以T1为开启时长，T2为关闭时长间歇工作。

可选的，所述光束发生器的开启时长T1根据桨轴的转速设置且呈反比例关系。

可选的，所述套管二上设置有加速度传感器，所述加速度传感器电连接于控制台；所述控制台基于加速度传感器的反馈校正桨轴振动信息。

第二方面，本申请提供一种螺旋桨振动测量方法，采用如下的技术方案：

一种螺旋桨振动测量方法，应用如上述任一所述的螺旋桨振动测量装置对螺旋桨的桨轴做振动测量。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：一方面克服了直接利用加速度传感器测桨轴振动的高频采样难度，另一方面桨轴的振动特征直接转变为光束落点位置变化，无需考虑桨轴的油液温度、质量产生的干扰；同时，还可通过反射的光束放大桨轴的振动，相对细小的振动，经过光路较长一段距离和各个斜面的配合后变化量也将得到放大，可测量范围更广。

附图说明

图1是本发明的装置使用时的剖面示意图；

图2是图1的A部的放大示意图；

图3是本发明的电路结构示意图。

附图标记说明：1、光束发生器；2、图像采集单元；3、控制台；4、供电单元；41、导电环；42、电极针；5、光学跟随机构；51、套管一；52、套管二；53、反射板；54、透板；55、端板；6、加速度传感器；7、桨轴。

具体实施方式

以下结合附图1-图3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种螺旋桨振动测量装置。

参照图1-图3，螺旋桨振动测量装置包括：光学跟随机构5、光束发生器1、图像采集单元2、控制台3和供电单元4。

其中，光束发生器1在本申请中因为后续是否光致变色层而有不同的选择，可以是激光器，也可以是紫外光发生器，具体设置下述内容结合光学跟随机构的设置分别阐述。

参照图1和图2，光学跟随机构5安装于螺旋桨的桨轴7上，其包括套管一51、套管二52、反射板53和透板54。

套管一51和套管二52均套设于桨轴7上，两者与桨轴7分不直接接触而是分隔，一种测试场景，以支架支撑固定于地面；另一种实际应用场景，与船舶的水下壳体部分通过支架固定。套管一51和套管二52沿桨轴的长度方向分布。

反射板53位于桨轴7和套管一51之间，反射板53呈倾斜设置，一端横展通过螺栓固定于套管一51的内壁，另一端朝向桨轴7倾斜。光束发生器1以基座配合螺栓固定于桨轴7上，其射出的光束落在反射板53的倾斜部上，并被反射板53反射出套管一51。

透板54以插接的方式插接固定于套管一51靠近套管二52的一端。反射后的光束落透板54上。透板54在本实施例中有两种选择，一种采用白色薄塑料板，此时光束发生器1可以是激光器，使得从透板54的另一面可以看到一个红点（激光点）。另一种，透板54可以采用透明亚克力板、玻璃制成，此时光束发生器1可以是能产生紫外光的射灯型灯具。

图像采集单元2可以是高速摄像机，其安装于套管二52且镜头朝透板54背离桨轴7的一面。控制台3根据实验室、船舶场景存在差异，一种组成示例为集成有显示屏的工控台，控制台3作为数据分析处理和控制核心，其以视频采集卡连图像采集单元2，以开关电路连光束发生器1的供电回路。供电单元4包括电源模块和其他电路组成，通过电源模块向控制台3直接供电，通过电源模块和其他电路组成为图像采集单元2和光束发生器1供电。

使用过程：桨轴7转动带动其上的光束发生器1转动，光束发生器1射出的光束照射于反射板53时被反射到透板54上，图像采集单元2采集透板54上的图像，对图像上的特征（红点）做像素位置计算，再将其与标准图像中特征的像素位置比较，求位置差值，根据位置差值即可评估得到桨轴7的振动信息。

根据上述可知，本装置一方面克服了直接利用加速度传感器测桨轴7振动的高频采样难度，另一方面桨轴7的振动特征直接转变为光束落点位置变化，无需考虑桨轴的油液温度、质量产生的干扰；同时，还可通过反射的光束放大桨轴7的振动，哪怕只是相对细小的振动，经过光路较长一段距离和各个斜面的配合变化量也将得到放大，可测量范围更广。

参照图2，反射板53和透板54均设置为环绕桨轴7成型，以满足对桨轴7的环向振动测量的目的。

为了方便对透板54固定且加强其稳固性，套管二52靠近套管一51的一端朝向桨轴7径向延伸形成端板55，端板55靠近桨轴7的一端朝向套管一51用于成型插接固定透板54的结构。

可以理解的是，单一静止的图像采集单元2是无法满足对透板54各个位置做图像采集的需求的，因此本装置还做以下设置：

第一种：图像采集单元2为多个且环绕桨轴均匀分布；此时，控制台3需要对多个图像采集单元2的图像根据安装位置、顺序进行拼接，以便得到一圈一圈的光束落点（环向振动）特征图，以此与标准图比较，得到桨轴7的环形振动信息。

上述方式虽然成本更高，但是误差更小，且满足后续的针对图像采集的延迟拍摄需求。此时，图像采集单元2的镜头可以安装于上述的端板55。

第二种：套管二52环绕内壁开设环槽，环槽内滑移连接适配的滑块，滑块伸出环并以螺栓固定安装板，图像采集单元2固定于安装板上。在桨轴7上固定一径向延伸的推杆，推杆远离桨轴7的一端插接于安装板且可以相对伸缩，即可以沿长度方向滑移。

对应的，控制台3用于将图像采集单元2所采集的图像根据时序拼接，得到桨轴7的环向振动特征图。

此时，当桨轴7转动，其通过推杆驱使图像采集单元2一同转动，因此一个图像采集单元2即可完成环向特征采集。然而该方式存在一个问题：高速移动的图像采集单元2采集高速移动的光点，对图像采集单元2的防抖和采集频次要求相对更高。

需要注意的是，无论是上述哪一种图像采集单元2的设置应用在本装置的应用场景，其实际都存在一个图像中所需特征模糊，影响测量的情况，因此在本装置的一个实施例中，建立特征延迟拍摄机制，具体地：

在透板54背离光束的一面涂覆光致变色涂料，形成光致变色层。此时，上述光束发生器1应该与其匹配，如：选用可射出紫外光的射灯型灯具。

使用时，转动的光束透过透板54之后令光致变色层变色，形成一条连续的区别色痕迹；此时，图像采集单元2只要在轨迹颜色恢复之前对其拍摄即可，因为不再是对高速移动的光点拍摄，所以图像更为清晰。

需要注意的是，根据上述设置光束发生器1不再是持续开启，而是间歇开启，优选为：控制台用于令光束发生器以T1为开启时长，T2为关闭时长间歇工作。

例如：桨轴7转动第一圈时光束发生器1亮，桨轴7转动后续几圈时光束发生器1灭；之后，依次类推，以得到时序正向，但是不连续的环向特征图。

根据上述可知，光束发生器1的开启时长T1实际根据桨轴7的转速设置，且呈反比例关系，即转速越快，T1越小。例如：桨轴7的转速为2s一圈，则T1为2s，T2可以是2s、4s、6s等。

为了达到可以控制光束发生器1启闭的功能，上述控制台3可以集成开关电路，以开关电路通断光束发生器1的电源回路。

可以理解的是，在不考虑第二种图像采集单元2的设置方式时，光束发生器1是跟随桨轴7转动的，因此传统直接导线供电的方式不再适用，因此供电单元4除了电源模块外的其他电路组成还包括：导电环41和电极针42。导电环41两个一组且一组套设固定于桨轴7，套接于桨轴7的导电环电连接于光束发生器1，电极针42固定于套管一51且端头套接导电块作为耗材接触导电环41，电极针42用于电连接电源模块。

根据上述设置，只需定期更换电极针42端头的耗材块即可保证对光束发生器1供电。

上述方式虽然可以对桨轴7的振动测量，但是一个重要的前提是套管二52振动可忽略，或者相对桨轴7静止，因此本装置还做下述设置提高适用性和抗干扰能力。在套管二52上设置有加速度传感器6，加速度传感器6电连接于控制台3；控制台3基于加速度传感器6的反馈校正桨轴振动信息。

例如：基于加速度传感器6的反馈值计算图像采集器1各个方向上的位移量，将该位移量在桨轴7振动形成的特征图位置计算时，相同时间的数值对应相加，从而起到一个校正作用。

本申请实施例还公开一种螺旋桨振动测量方法。

螺旋桨振动测量方法，其应用如上述任一所述的螺旋桨振动测量装置对螺旋桨的桨轴做振动测量，具体步骤见上述内容，不再赘述。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种螺旋桨振动测量装置，其特征在于：包括光学跟随机构（5）、光束发生器（1）、图像采集单元（2）、控制台（3）以及供电单元（4）；

所述光束发生器（1）固定于螺旋桨的桨轴（7），且用于朝向远离桨轴（7）的方向发出光束；

所述光学跟随机构（5）包括套管一（51）、套管二（52）、反射板（53）和透板（54），所述套管一（51）和套管二（52）均套设于桨轴（7）且与桨轴（7）分隔，所述套管一（51）和套管二（52）沿桨轴（7）的长度分布且相对船体或地面固定；所述反射板（53）一端固定于套管一（51）的内壁，另一端朝向桨轴（7）倾斜，所述光束发生器（1）发出的光束落在反射板（53）上且光束被反射出套管一（51）；所述透板（54）的一端固定于套管一（51）的端沿，另一端远离套管一（51），所述透板（54）远离套管一（51）的一端朝向桨轴（7）倾斜；被所述反射板（53）所反射的光束落在透板（54）上；

所述图像采集单元（2）安装于套管二（52）且摄像端朝向透板（54）背离光束的一面，所述控制台（3）电连接于图像采集单元（2）且用于基于图像采集单元（2）采集的图像计算和评估桨轴（7）振动信息；所述供电单元（4）用于向控制台（3）、图像采集单元（2）和光束发生器（1）供电。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述反射板（53）和透板（54）均环绕桨轴（7）设置，所述套管二（52）靠近套管一（51）的一端朝向桨轴（7）径向延伸形成端板（55），所述端板（55）靠近桨轴（7）的一端固定于透板（54）远离套管一（51）的一端。

3.根据权利要求2所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述图像采集单元（2）为多个且环绕桨轴（7）分布，所述控制台（3）用于将多个图像采集单元（2）所采集的图像拼接，得到桨轴（7）环向振动特征图。

4.根据权利要求2所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述套管二（52）环绕内壁设置有环槽，所述环槽内滑移连接有适配的滑块，所述滑块伸出环槽且固定安装板，所述图像采集单元（2）固定于安装板，桨轴（7）径向固定推杆，所述推杆远离桨轴（7）的一端插接于安装板且可相对安装板伸缩；所述控制台（3）用于将图像采集单元（2）所采集的图像根据时序拼接，得到桨轴（7）环向振动特征图。

5.根据权利要求3所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述供电单元（4）包括电源模块、导电环（41）和电极针（42）；所述导电环（41）两个一组且一组套设固定于桨轴（7），套接于桨轴（7）的导电环（41）电连接于光束发生器（1），所述电极针（42）固定于套管一（51）且端头接触导电环（41），所述电极针（42）用于电连接电源模块。

6.根据权利要求1所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述透板（54）背离光束的一面设置有光致变色层；

所述控制台（3）用于令光束发生器（1）以T1为开启时长，T2为关闭时长间歇工作。

7.根据权利要求6所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述光束发生器（1）的开启时长T1根据桨轴（7）的转速设置且呈反比例关系。

8.根据权利要求2所述的螺旋桨振动测量装置，其特征在于：所述套管二（52）上设置有加速度传感器（6），所述加速度传感器（6）电连接于控制台（3）；所述控制台（3）基于加速度传感器（6）的反馈校正桨轴（7）振动信息。

9.一种螺旋桨振动测量方法，其特征在于：应用如权利要求1-8任一所述的螺旋桨振动测量装置对螺旋桨的桨轴（7）做振动测量。