Способ определения осевого усилия и крутящего момента

 

Использование: на гребных валах судов. Сущность изобретения: на швартовном режиме изменяют частоту вращения гребного винта от нуля до номинальных оборотов и регистрируют сигналы преобразователей осевого усилия и крутящего момента, измеряют в этих сигналах амплитуды крутильных колебаний в момент времени, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия, и по математической зависимости определяют величину осевого усилия. 2 ил, 1 табл.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для измерения осевых усилий и крутящих моментов на гребных валах судов.

Известен способ определения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна, заключающийся в преобразовании деформаций гребного вала в электрический сигнал с помощью закрепленных на нем тензорезисторов и регистрации электрических сигналов на режимах движения судна [1].

Недостатком известного способа является низкая точность измерения осевого усилия, обусловленная влиянием крутящего момента, вследствие угловых ошибок ориентации тензорезисторов на гребном валу.

Цель изобретения - повышение достоверности определения осевого усилия.

Для этого на швартовном режиме изменяют частоту вращения гребного винта от нуля до номинальных оборотов и одновременно регистрируют электрические сигналы преобразователей осевого усилия и крутящего момента, измеряют амплитуды крутильных колебаний в этих сигналах в фиксированный момент времени, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия, а величину осевого усилия Р определяют по формуле: P = BU₂-BU₁ · Sign , где В - коэффициент пропорциональности, определяемый расчетным путем; U₁, U₂ - величины электрических сигналов, измеренные регистраторами крутящего момента и осевого усилия соответственно на режимах движения судна; Δ Рt, Δ Qt - значения амплитуд крутильных колебаний в электрических сигналах преобразователей осевого усилия и крутящего момента соответственно, измеренные в момент времени t, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия в процессе изменения частоты вращения гребного винта на швартовном режиме; Р_о, Q_о - величины постоянных составляющих сигналов осевого усилия и крутящего момента, измеренные в момент времени t.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - осциллограмма записи осевого усилия и крутящего момента на швартовном режиме.

Устройство содержит измерительный мост 1 крутящего момента и измерительный мост 2 осевого усилия из тензорезисторов, закрепленных на валу гребного винта по осям главных напряжений измеряемых нагрузок, усилители 3 и 4 сигналов, токосъемное устройство 5, регистраторы 6 и 7.

Способ измерения реализуется следующим образом.

При вращении гребного винта на нем развиваются осевое усилие Р и крутящий момент Q, деформирующие вал гребного винта. Закрепленные на нем тензорезисторы изменяют свое сопротивление и в диагоналях измерительных мостов 1 и 2 возникают напряжения разбаланса, которые усиливаются усилителями 3, 4 и через токосъемные кольца и щетки 5 поступают на регистраторы 6, 7.

Ошибки ориентации тензорезисторов моста 2 приводят к заметному искажению результата измерения осевого усилия. Величина и знак ошибки измерения не известны, они зависят от конкретного исполнения преобразователя осевого усилия, т.е. от фактических ошибок в ориентации каждого из тензорезисторов.

Для повышения достоверности определения осевого усилия результат измерения корректируют в соответствии с предложенной формулой. Для этого на швартовном режиме движения судна в системе вала гребного винта возбуждают крутильные колебания и измеряют амплитуды крутильных колебаний в сигналах осевого усилия и крутящего момента.

На фиг. 2 представлена осциллографическая запись осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна "Иван Папанин" на швартовном режиме (V_s = 0) и частоте вращения, соответствующей возникновению в вале гребного винта крутильных колебаний. Возникновение крутильных колебаний в системе вала гребного винта подтверждается наличием на кривой записи крутящего момента (кривая 1) пульсации с частотой крутильных колебаний (f = =390 кол/мин). Вследствие влияния крутящего момента на преобразователь осевого усилия, обусловленного угловыми ошибками ориентации тензорезисторов на гребном валу, в сигнале осевого усилия также возникают периодические пульсации с той же частотой крутильных колебаний вала. Эти пульсации видны на осциллографической записи осевого усилия (кривая 2) которые наложены на низкочастотную периодическую составляющую, обусловленную изгибной деформацией вала.

Амплитуда крутильных колебаний в сигнале осевого усилия постоянно меняется во времени. Это объясняется, с одной стороны, изменением амплитуды самих крутильных колебаний вала (кривая 1), а, с другой стороны, влиянием изгибной деформации вала. Для исключения влияния последней амплитуду крутильных колебаний следует измерять в момент времени t, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия.

Для достоверной оценки величины влияния крутящего момента возбуждение крутильных колебаний следует производить на швартовном режиме (V_s = 0). При движении судна (V_s ≠ 0) на крутильные колебания накладываются гидродинамические периодические силы, вызванные работой гребного винта в неравномерном потоке, который образуется за кормой при движении судна. Эти периодические силы, значительно деформирующие результирующие колебания, снижают достоверность определения амплитуд крутильных колебаний.

Для правильной корректировки результата измерения осевого усилия помимо амплитуд крутильных колебаний необходимо определить по осциллографической записи полярности сигналов крутильных колебаний и постоянных составляющих сигналов осевого усилия и крутящего момента в момент времени t.

Для случая, показанного на фиг. 2, полярности сигналов и знак коэффициента влияния приведены в таблице (за положительное направление принято отклонение вверх от нулевого значения).

Предложенный способ определения осевого усилия и крутящего момента судна повышает достоверность определения осевого усилия без проведения стендовой градуировки гребного вала.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА гребного винта судна, заключающийся в преобразовании деформации гребного вала в электрический сигнал с помощью закрепленных на нем тензорезисторов и регистрации электрических сигналов на режимах движения судна, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения осевого усилия, на швартовном режиме изменяют частоту вращения гребного винта от нуля до номинальных оборотов и одновременно регистрируют электрические сигналы преобразователей осевого усилия и крутящего момента, измеряют амплитуды крутильных колебаний, в этих сигналах в фиксированный момент времени, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия, а величину осевого усилия P определяют по формуле P = BU₂-BU₁ · Sign , , где B - коэффициент пропорциональности, определяемый расчетным путем; U₁, U₂ - величины электрических сигналов, измеренные регистраторами крутящего момента и осевого усилия соответственно на режимах движения судна; ΔP_t ,ΔQ_t - значения амплитуд крутильных колебаний в электрических сигналах преобразователей осевого усилия и крутящего момента соответственно, измеренные в момент времени t, соответствующий минимальной величине изгибной деформации преобразователя осевого усилия в процессе изменения частоты вращения гребного винта на швартовном режиме;
P₀, Q₀ - величины постоянных составляющих сигналов осевого усилия и крутящего момента, измеренные в момент времени t.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3