устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна
Классы МПК: | G01L1/22 с помощью резисторных тензометров |
Автор(ы): | Беззубик О.Н., Беляшов В.А., Зачек Л.Г. |
Патентообладатель(и): | Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-07-01 публикация патента:
20.07.1998 |
Устройство относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна в сложных судовых или корабельных условиях. Устройство содержит установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные мосты тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы. В устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными измерительными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровня по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно. Устройство решает задачу повышения надежности и достоверности измерений в сложных судовых и корабельных условиях. 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
Формула изобретения
Устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребневого винта судна, содержащее установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы, отличающееся тем, что в устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными измерительными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровня по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно, причем выходы усилителей двух основных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами одного мультиплексора, а выходы усилителей двух дополнительных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами второго мультиплексора, управляемых тактовым генератором, при этом выход первого мультиплексора соединен с одной дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух основных измерительных каналов и формирователем тактовых импульсов, который управляет демультиплексором, а выход второго мультиплексора соединен с другой дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух дополнительных измерительных каналов, управляемых формирователем тактовых импульсов, причем выходы демультиплексоров соединены через устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры с регистраторами сигналов основных и дополнительных каналов измерения.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для измерения осевых усилий и крутящих моментов на гребных валах судов. Известно устройство для измерения крутящего момента и усилия, содержащее тензорезисторы, установленные на вращающемся валу и соединенные в измерительный мост, токосъемник со скользящими щетками, усилительно-измерительную аппаратуру и источник питания, установленные стационарно на неподвижном объекте [1]. Недостатками известного устройства являются малая надежность и недостаточная точность измерений, обусловленная значительным влиянием помех контактного токосъемника ввиду того, что через него передаются очень низкие по уровню сигналы разбаланса тензометрических мостов, так как усилительная аппаратура установлена на стационарной части после токосъемника. Другим недостатком устройства является необходимость использования большого количества токосъемных дорожек для передачи информации (четыре дорожки для одного измерительного моста), что ограничивает возможности устройства при проведении испытаний современных судов и кораблей. У крупнотоннажных судов и кораблей диаметры валов превышают 500 мм, а у атомных ледоколов и специальных судов (например, атомный снабженец "Севморпуть") диаметры валов составляют 800 - 1100 мм. Конструкции токосъемников для таких валов становятся чрезвычайно громоздкими, металлоемкими и очень тяжелыми. Эти недостатки токосъемников особенно проявляются при их транспортировке и монтаже на гребной вал. В этих условиях и особенно при ограниченной протяженности свободной поверхности вала актуальным становится создание устройств, использующих минимальное количество токосъемных дорожек, обеспечивая при этом передачу информации от нескольких измерительных мостов. Известно также устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна, содержащее установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные мосты тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы, выполненное по [2]. Это устройство обеспечивает передачу измерительной информации с вращающегося вала практически без помех благодаря тому, что усилители сигналов, установленные на валу до токосъемных колец, многократно повышают уровень передаваемых полезных сигналов. Кроме того, для передачи питания на два тензометрических моста и съема информации с них используются всего пять дорожек токосъемника (три дорожки - передача питания, две дорожки - съем информации с двух измерительных мостов). Недостатком известного устройства является малая надежность и недостаточная точность измерений ввиду отсутствия возможности резервирования каналов измерения в заданных пределах токосъемных колец. Опасность снижения надежности работы устройства особенно велика, если с момента градуировки до проведения измерений проходит значительный промежуток времени, в течение которого тензорезисторы подвергаются действию повышенной влажности и агрессивных сред. Заявленное изобретение решает задачу повышения надежности и достоверности измерений в сложных судовых или корабельных условиях при ограниченной протяженности поверхности вала, выделенной для размещения измерительной аппаратуры, и, как следствие, ограниченном числе токосъемных дорожек. Для этого в устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровней по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещений уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно, причем выходы усилителей двух основных измерительных каналов через схемы уровней связаны с входами одного мультиплексора, а выходы усилителей двух дополнительных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами второго мультиплексора, управляемых тактовым генератором, при этом выход первого мультиплексора соединен с одной дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух основных измерительных каналов и формирователем тактовых импульсов, который управляет демультиплексором, а выход второго мультиплексора соединен с другой дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух дополнительных измерительных каналов, управляемым формирователем тактовых импульсов, причем выходы демультиплексоров соединены через устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры с регистраторами сигналов основных и дополнительных каналов измерения. Заявленное устройство благодаря двукратному резервированию каналов измерения существенно повышает надежность, а также достоверность и точность измерений, будучи выполненным в пределах тех же границ протяженности гребного вала и при использовании того же комплекта токосъемных колец и щеток (пять дорожек). Измерение одного и того же параметра (упор, крутящий момент) двумя независимыми измерительными каналами позволяет в процессе испытаний судна анализировать состояние тензорезисторных мостов по таким параметрам, как повторяемость результатов измерений при одинаковых режимах движения судна и частот вращения гребного вала, стабильность начальных отсчетов при остановках вала. Результаты измерений ненадежно работающего канала исключаются. Заключения об измеряемых величинах делают по надежно работающим каналам. В этом случае предложенное устройство повышает достоверность измерений. В случае, когда все измерительные каналы (основной и дополнительный) работают надежно, результаты измерений по каждому параметру (упор или момент) осредняют. В этом случае устройство повышает точность измерений. Для особо важных заказов или дорогостоящих комплексных испытаний судов и кораблей срыв испытаний или недостоверность результатов измерений может повлечь за собой значительные экономические затраты. В этих условиях резервирование каналов измерений является особенно целесообразным. Заявленное устройство в зависимости от целей испытаний может быть использовано в различных сочетаниях измерительных каналов: два канала измерения осевого усилия и два канала измерения крутящего момента либо все четыре канала для измерения крутящего момента и др. варианты. Настройкой фильтров нижних частот на соответствующие граничные частоты среза и используя различные регистраторы (ЭВМ, самописцы, измерительные магнитофоны и т.д.), устройство позволяет получать как средние характеристики процессов, так и анализировать их амплитудно-частотные спектры. Сущность заявленного изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 показаны участок гребного вала судна с размещенными на нем элементами устройства и размещенная стационарно преобразовательно-регистрирующая аппаратура, на фиг. 2 - блок-схема устройства, на фиг. 3 - изменение упора и крутящего момента гребного винта судна во времени, на фиг. 4 - 8 - временная диаграмма преобразования сигналов в двух измерительных каналах. Устройство (фиг.1, 2) содержит тензорезисторы 1, 2, 3, 4, установленные на гребном валу 5 по осям соответствующих главных напряжений: 0 и 90o, а также 45 и 135o (отсчет угла производится относительно продольной оси вала), и собранные в измерительные мосты осевого усилия и крутящего момента усилители сигналов 6, 7, 8, 9 и схемы смещения уровня 10, 11, 12, 13, входы которых соединены с выходами усилителей, а их выходы соединены с входами двух мультиплексоров 14 и 15. Работа мультиплексоров управляется тактовым генератором 16. Схемы смещения уровней, мультиплексоры и тактовый генератор размещены в одном блоке 17, который вместе с усилителями закреплен на гребном валу бандажной лентой 18. Выходы мультиплексоров соединены с соответствующими дорожками токосъемника 19, корпус которого жестко закреплен на гребном валу. Скользящие щетки 20 токосъемника соединены кабелем 21 с блоком питания 22 и преобразовательной аппаратурой 23, установленными стационарно на столе оператора. Преобразовательная аппаратура содержит два демультиплексора 24, 25, управляемых формирователем тактовых импульсов 26, выходы которых через устройства выборки-хранения 27, 28, 29, 30 соединены со схемами смещения уровня 31, 32, 33, 34 и фильтрами нижних частот 35, 36, 37, 38. Выходы измерительных каналов соединены с регистраторами 39, 40, 41, 42. При работе ГВ в равномерном потоке на нем развиваются постоянные во времени гидродинамические силы и моменты. Однако за корпусом судна поток жидкости деформируется и на гребном винте возникают периодические силы и моменты, кратные частоте nZ (n - частота вращения, Z - число лопастей гребного винта). Практический интерес представляет только лопастная гармоника первого порядка с частотой f= nZ, амплитуда которой обычно не превышает 4 - 8% от среднего значения (гармоника второго порядка с частотой 2nZ, как правило, на порядок меньше лопастной, амплитуды гармоник более высокого порядка резко уменьшаются по мере роста порядкового номера гармоники). На фиг. 3 показано изменение во времени упора и крутящего момента, возбуждаемых на гребном винте при работе его за корпусом судна (высокочастотные гармоники ввиду малости их амплитуд в принятом масштабе изображения не видны). Такой же вид имеют электрические сигналы на выходе измерительных мостов и усилителей. На фиг. 3 пунктирными линиями выделен короткий участок электрических сигналов с максимальным градиентом амплитуды протяженностью в четверть периода вращения гребного винта, для которого на фиг. 4 - 8 представлена временная диаграмма работы устройства. Устройство работает следующим образом. При вращении гребного винта на нем развиваются осевая сила и крутящий момент, деформирующие вал гребного винта. Закрепленные на нем тензорезисторы изменяют свое сопротивление и в диагоналях измерительных мостов 1, 2, 3, 4 возникают напряжения разбаланса, которые усиливаются усилителями 6, 7, 8, 9 и подаются на схемы смещения уровня 10, 11, 12, 13. Схемы смещения уровня 10 и 12 повышают уровень поступающего на них сигнала на некоторую постоянную величину +






Класс G01L1/22 с помощью резисторных тензометров