外部载荷测试设备的制作方法

1.本发明涉及全尺寸测试台(或测试装备，即test rig)，特别是用于进行船舶螺旋桨吊舱的外部载荷测试(特别是冰载荷测试)的测试台。


背景技术：

2.为了改善大型船舶的操舵，推力矢量化越来越普遍。这种矢量化使得能够将主推进螺旋桨使用于横向或反向运动。为了实现这种矢量化，主螺旋桨装配在吊舱上，从而使得能够传输发动机功率，同时允许螺旋桨方向旋转。
3.严格的法规要求这种吊舱能够承受北极海洋中可能遇到的冰块的压力。
4.到目前为止，所述法规的遵守由于在统计方法内组合设计安全裕度和按比例缩小的原型试验而实现。这种试验通常被称为冰载荷测试。
5.然而，客户现在通常要求保证每个吊舱的合规性。因此，要求对每个吊舱进行单独测试。还要求在其装配前执行测试，以避免对船舶的损伤。
6.从现有技术来看，以下文献是已知的。
7.文献wo2019-011927a1公开了一种用于确定施加到推进机舱的力的方向和幅度的方法，包括应力方向识别。
8.文献cn103913291公开了一种吊舱推进系统测试装置，其包括用于测量由吊舱推进系统产生的扭矩和推力的器件。
9.不存在能够对螺旋桨吊舱执行全尺寸外部载荷测试的测试台。


技术实现要素：

10.本发明的目的是一种外部载荷测试设备，其包括：具有至少三个支柱的结构，支柱支撑平台，该平台被配置为在悬挂位置接收吊舱式电推进马达，同时允许操作所述吊舱；至少测试子系统，用于在吊舱上施加力以模拟全尺寸外部载荷。
11.测试子系统可以包括吊舱致动器接口、致动器和致动器结构接口，致动器结构接口包括旨在可移除地固定到结构的框架和器件，所述器件与致动器形成旋转接头，使得致动器被锚固到该结构上同时保持至少一个旋转度，致动器包括致动器主体和致动器杆，致动器杆被配置成使得致动器杆根据命令从致动器主体延伸或缩回到致动器主体中。
12.吊舱致动器接口可以在一侧上包括用于与吊舱输出轴匹配的钻孔，并且在相对侧上包括与致动器杆的致动器旋转接头。
13.扭矩测量装置可以装配在测试子系统上，该扭矩测量装置包括将吊舱致动器接口连接到结构的两个连杆以及附接在每个连杆上的力传感器，扭矩基于被测量的力、连杆的尺寸和测试设备的尺寸而被确定。
14.该力可以施加在与吊舱输出轴的方向不同的方向上。
15.吊舱致动器接口可以在一侧上包括板，该板装配有与吊舱接触的吊舱形状补偿元件，并且在相对侧上包括与致动器杆的旋转接头。
16.致动器结构接口可以包括用于将测试子系统可移除地固定到结构的框架或梁。
17.测试子系统可以沿着与吊舱输出轴的方向合理匹配的方向施加力。
18.测试子系统可以沿竖直方向施加力。
19.测试子系统致动器可以是液压千斤顶、磁性致动器或阿基米德螺杆。
20.吊舱可以可旋转地固定到平台，吊舱旋转有助于沿不同方向施加力。
21.测试子系统可以可移除地固定到结构。
22.测试设备可以包括命令器件，用于命令吊舱、至少一个致动器以及(如果适用的话)力传感器旋转。
23.命令器件能够有能力执行连续、可变或循环的外部载荷。
24.该测试设备可被使用于冰载荷测试。
附图说明
25.本发明将从研究通过完全非限制性示例的方式考虑并由附图图示的多个实施例的详细描述而更好地理解，在附图中：-图1示出了外部载荷测试设备的实施例，-图2示出了轴向测试子系统，-图3示出了横向测试子系统，以及-图4示出了装配有扭矩测量系统的轴向测试子系统。
具体实施方式
26.冰载荷测试是外部载荷测试的特殊情况，其中，外部载荷施加到吊舱式电推进马达。
27.本文中所描述的外部载荷测试设备呈现为自支撑的优点，因为它在操作前不需要复杂的土木工程工作。它也不要求土木工程工作对测试中涉及的反作用力具有回弹性。
28.外部载荷测试设备包括具有至少三个支柱的结构，支柱支撑平台，平台接收吊舱式电推进马达(“吊舱”)，并提供操作所述吊舱所要求的辅助系统，特别是液压和电功率。图1图示具有四个支柱2的外部载荷测试设备1的特定实施例。
29.更具体地，平台3包括与吊舱4上的互补套环配合的套环，并且允许紧固和旋转吊舱。套环中的至少一个包括允许持久旋转能力的轴承。配合可以通过螺栓连接来实现。一旦固定到平台，螺旋桨吊舱就以类似于其装配在船舶上的方式悬挂在平台下方。这种布置被认为是针对在船舶的外壳上装配吊舱的标准做法，并且因此不进一步描述。
30.结构2、3可以装配有不同的子系统5a、5b用于外部载荷测试，特别是轴向测试子系统5a和/或横向测试子系统5b。由于套环和辅助系统，吊舱可以像其在船舶上会的那样操作和旋转。吊舱的旋转与不同测试子系统5a、5b的放置相组合使得能够沿着不同方向对吊舱进行外部载荷测试。外部载荷也可以施加到吊舱螺旋桨上。
31.图2作为分解图图示轴向测试子系统5a。它包括吊舱致动器接口6a，和致动器7a以及致动器结构接口8a。
32.吊舱致动器接口6a装配在吊舱输出轴上，螺旋桨被指定装配在该吊舱输出轴上。在一侧上，吊舱致动器接口6a因此包括与螺旋桨上存在的钻孔类似的钻孔，使得吊舱致动
器接口可以紧固在吊舱轴上。在相对侧上，吊舱轴致动器接口6a包括与致动器的旋转接头。在图2中，旋转接头包括两个销孔61a，其被设计成与进入致动器杆中的对应钻孔70a和销60a两者合作。
33.致动器7a包括致动器主体71a和致动器杆72a，该杆根据命令从致动器主体延伸或缩回到致动器主体中。致动器包括位于致动器杆自由端处的钻孔70a和远离致动器主体71a的两个轴销(gudgeon)73a。当致动器正在延伸时，钻孔与轴销之间的距离增大。轴销是与致动器结构接口8a的第二旋转接头的一部分。外部载荷测试设备不限于如图2中所示的那样将耳轴接头使用于第二旋转接头。
34.致动器结构接口8a使得能够将致动器主体71a锚固到外部载荷测试设备结构2、3，使得当致动器杆正在延伸时，在吊舱输出轴上产生力。
35.为此，致动器结构接口8a包括旨在可移除地固定到结构2、3的框架80a以及通过支撑构件82a联结到框架的两个半柱体81a。半柱体与致动器主体上的两个轴销形成耳轴轴承(或耳轴接头)。其他形式的旋转接头可用于替换耳轴轴承。由于耳轴接头，致动器能够绕着延伸穿过轴销和半柱体的轴线旋转。这种旋转使得轴向测试子系统能够适应吊舱输出轴与平台之间的不同角度。
36.在特定实施例中，该结构包括用于致动器结构接口的多个固定点，使得其可以相对于平台装配在不同的距离处。它使测试子系统能够适应不同尺寸的吊舱。
37.图3图示横向测试子系统5b的分解图。横向测试子系统包括吊舱致动器接口6b、致动器7b和结构致动器接口8b，并且因此类似于轴向冰载荷子系统5a。
38.在一侧上，吊舱致动器接口包括两个销孔60b，其被设计成与进入致动器端部中的对应钻孔70b和销61b合作。这种布置允许紧固吊舱致动器接口与致动器之间的连接，同时允许一个旋转度。如先前所叙述，这种布置是可被使用在测试子系统中的旋转接头的示例。也可以考虑其他旋转接头，只要它们耐得住相关的力。
39.吊舱致动器接口的相对侧包括板62b和堆叠在所述板上方的吊舱形状补偿元件63b，使得致动器在板上施加力，板在吊舱形状补偿元件上施加力，吊舱形状补偿元件继而在吊舱壳上施加力。根据吊舱壳的形状，吊舱形状补偿元件63b可以呈现复杂的形状，以便配合壳的形状和板的取向两者。它也可以由可压缩或可变形的材料制成，使得其形状在施加压力的情况下被改变以匹配壳的形状。
40.致动器7b包括致动器主体71b和致动器杆72b，该杆根据命令从致动器主体71b延伸或缩回到致动器主体71b中。致动器7b包括位于致动器杆自由端处的钻孔70b和远离致动器主体的两个轴销73b。当致动器正在延伸时，钻孔与轴销之间的距离增大。
41.致动器结构接口8b包括旨在可移除地固定到结构的框架80b以及通过支撑构件联结到框架的两个半柱体81b。半柱体与致动器的两个轴销形成耳轴轴承。可以考虑与耳轴轴承不同的旋转接头。
42.根据结构支柱2的数量和放置，致动器结构接口8b包括梁83b，其作为臂将框架80b联结到支撑构件82b。在特定实施例中，梁83b可移除地固定到框架80b，使得致动器相对于平台2的距离可以被调适。它使横向测试子系统能够适应不同尺寸的吊舱。
43.在特定实施例中，致动器包括第二对轴销74b，每个轴销远离致动器主体，并且致动器结构接口包括第二对半柱体85b。在这样的实施例中，两个耳轴轴承因此形成在致动器
7b与致动器结构接口8b之间，从而锁定致动器相对于平台的角度。在又一个实施例中，致动器结构接口包括多个第一对半柱体和/或多个第二对半柱体，使得每对致动器轴销可以接合相对于平台各自处于不同距离的两对半柱体。这种布置允许基于成对的轴销之间的间距和成对的半柱体之间的距离利用单个横向测试子系统实现在平台与致动器之间的不同角度。
44.每个测试子系统都可以装配有扭矩测量系统，包括在吊舱致动器接口和结构之间延伸的两个刚性连杆。至少力传感器(像应变仪或变形仪)附接在每个连杆上，优选地在杆端的相等距离处。然后扭矩可以继而基于连杆、吊舱致动器接口和结构的尺寸以及所测量的力来确定。图4图示装配有扭矩测量系统的轴向测试子系统，该扭矩测量系统包括两个刚性连杆90a、91a。
45.测试子系统的另一个实施例连接到该结构，使得致动器定位在吊舱下方，以便合理地竖直地施加力。在这样的实施例中，框架优选作为结构致动器接口。
46.以上描述的实施例涉及将致动器使用于在吊舱上施加压力。然而，可以使用不同的致动器，特别是液压、磁性或机械致动器。液压致动器的一个示例是千斤顶。机械致动器的一个示例涉及将环形螺杆或阿基米德螺杆使用于在吊舱千斤顶接口上施加力。
47.外部载荷测试设备包括用于命令使吊舱、致动器以及(如果适用的话)力传感器旋转的命令系统。它允许外部加载测试设备的开环或闭环操作。操作可以是有监督的或自主的。可以实现连续、可变或循环的外部载荷。
48.外部载荷测试设备允许施加大范围的力，从几n到几mn。
49.如以上所描述的外部载荷测试设备不要求复杂的土木工程工作，因为它是自支撑的。然而，在一些实施例中，竖直测试子系统可以被锚固到外部载荷测试设备下方的土木工程工作，而不是被固定到该结构。
50.最后，当包括多个测试子系统时，外部载荷测试设备能够同时组合施加在吊舱和/或其螺旋桨上的多个方向的力，以用于更复杂的测试方案。