船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台及试验方法与流程

本发明属于船舶螺旋桨安装测试领域，具体涉及一种船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台及试验方法。

背景技术：

目前陆地上的资源由于长期的使用已日渐匮乏，在世界上的许多地区发生了“能源危机”。为了解决这个全球性问题，人类便把目光转向海洋，致力于对海洋资源的开发。海洋是人类21世纪的希望，海洋是富饶而未充分开发的自然资源宝库，开发海洋资源成为世界各国发展的重大战略方向，为了更好地进行海洋资源的开发和海洋权益的维护，船舶工业的发展是实现海洋强国战略的重要技术支撑。近年来，澳大利亚、日本、韩国等多个国家都在强化对海洋资源开发的战略部署，加大海洋工程装备资金的投入和高新技术的应用，以美、日为代表的发达国家已经建立了结构庞大的海洋产业群，高度重视海洋资源的开发。

海洋是经济全球化的重要物质基础，据统计通过海洋实现了90%的世界贸易，海洋开发技术的提升使得世界经济贸易越来越依赖海洋资源。目前我国经济已发展为对海洋高度依赖的外向型经济，对海洋资源和空间的依赖程度大幅提高，因此我国提出海洋强国战略。为实现海洋强国战略，在船舶工业发展规划中提出以船用设备、海洋工程装备、高技术船舶领域为重点，加大船舶企业数字化、自动化和智能化技术改造的提升力度，发展高技术、高附加值船舶的专业化设施设备，努力由造船大国向造船强国进行转变。

随着造船技术的不断发展，船舶的建造向着大型化和高速化发展，船舶动力推进装置工作的可靠性被船舶设计、建造、船检和航运等部门高度重视。螺旋桨是船舶动力推进装置中的重要组成部件，船舶主机输出的功率通过船舶推进轴系传递给螺旋桨，螺旋桨将推力传递到船体推动船舶航行。在船舶的航行过程中，螺旋桨需要传递很大的扭矩和推力，螺旋桨和螺旋桨轴的连接是利用过盈配合产生接触压力，并依靠接触压力产生结合面的摩擦力来传递推力和扭矩，如果螺旋桨无键安装的过盈量较小，螺旋桨不能传递正常工作推力和扭矩，在船舶的航行工程中螺旋桨与螺旋桨轴可能出现打滑现象，严重时螺旋桨与螺旋桨轴的无键过盈连接突然失效造成严重的海上事故；如果螺旋桨无键安装的过盈量较大，螺旋桨和螺旋桨轴的配合面会结合得非常紧密，螺旋桨材料所受应力也随之提高，可能会超过材料的屈服应力，严重时螺旋桨内表面出现裂纹而不得不报废，螺旋桨的工作可靠性和使用寿命直接影响船舶航行安全及船员和旅客的生命安全，因此螺旋桨的安装质量成为船舶建造过程中的重要环节。

目前国内外大型新建船舶的螺旋桨大多采用油压无键安装，它是通过向螺旋桨毂内表面的油槽通入径向高压油，使螺旋桨毂在材料的弹性范围内产生径向膨胀变形，同时向液压螺母通入轴向高压油，液压螺母的活塞对螺旋桨毂产生轴向推力，当螺旋桨毂与螺旋桨轴的相对位移达到无键安装所需的推入量时释放加载油压，最终螺旋桨和螺旋桨轴形成无键过盈连接。螺旋桨无键油压安装有：制造工艺简单、安装拆卸简便、承载能力强、使用寿命长等优点，但大多数船厂仍采用人工手动控制液压泵的加载油压对螺旋桨进行油压无键装拆，螺旋桨安装配套设备的自动化程度不高，这不仅降低了安装人员的工作效率，增加了船厂对螺旋桨安装的投入成本，而且无键螺旋桨的安装质量也得不到很好保证，《中国制造2025》把海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一，目前我国造船效率仍远低于先进的造船国家，随着劳动成本的不断升高，效率对保持竞争优势的作用会更加突出，因此建立船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台并进行相应的试验研究，对于大型船舶和高技术船舶螺旋桨数字化、自动化、智能化油压无键安装技术的发展具有重要的理论指导作用和工程应用价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台及试验方法，能够真实的模拟无键螺旋桨的油压装拆过程，不但为螺旋桨油压装拆方案的设计和优化提供理论依据，而且对于船舶螺旋桨数字化、自动化、智能化油压无键安装技术的发展具有重要的理论指导作用和工程应用价值。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台，其特征在于：它包括螺旋桨油压装拆相似模型、液压动力单元及监测控制单元；其中，

所述的螺旋桨油压装拆相似模型包括与实船成几何相似和物理相似等比缩小设计的螺旋桨轴、螺旋桨毂和液压螺母，螺旋桨轴通过固定支架固定在机座上，且螺旋桨轴通过轴承与固定支架连接；所述的螺旋桨毂的内表面设有径向油通道；所述的液压螺母的密封腔内设有轴向油通道；

所述的液压动力单元包括分别与所述的径向油通道和轴向油通道油路连接的径向油路和轴向油路，径向油路和轴向油路中分别设有高压油泵和控制阀；

所述的监测控制单元包括信号采集单元、显示单元、输入单元和控制单元；信号采集单元包括螺旋桨毂轴向位移传感器、螺旋桨毂径向油通道油压传感器、液压螺母轴向油通道油压传感器、径向油路油压传感器、轴向油路油压传感器、液位计；显示单元用于显示信号采集单元采集的实时数据；输入单元用于输入控制指令和/或控制策略；控制单元用于根据输入单元输入的数据，按照控制策略控制高压油泵、控制阀，同时从信号采集单元获取数据进行处理分析。

按上述方案，所述的液压动力单元还包括油箱，油箱分别与径向油路和轴向油路连接，且径向油路和轴向油路分别通过同一条回油油路与油箱连接；所述的液位计与油箱连接。

按上述方案，所述的径向油路上依次设有过滤器、所述的高压油泵、单向阀和节流阀，其中所述的径向油路油压传感器设置在单向阀之后；所述的径向油路与回油回路之间设有比例溢流阀；所述的节流阀的输入端通过电磁球阀与油箱连接；所述的回油回路与油箱之间设有空气过滤器；

所述的轴向油路与径向油路结构相同。

按上述方案，所述的信号采集单元还包括油箱温度传感器；所述的液压动力单元还包括由控制单元控制启停的油路冷却回路，油路冷却回路与所述的油箱连接。

按上述方案，所述的油路冷却回路包括依次连接的过滤器、冷却油泵和风冷却器；油箱的油依次经过过滤器、冷却油泵和风冷却器后回到油箱。

按上述方案，所述的螺旋桨毂轴向位移传感器为2个垂直于螺旋桨毂端面并对称分布的位移传感器，位移传感器固定安装在所述的螺旋桨轴上。

按上述方案，所述的控制单元包括相互连接的上位机和下位机；其中，显示单元和输入单元与上位机连接，信号采集单元与下位机连接，上位机用于数据显示分析和设置控制策略，下位机用于将采集到的信号实时反馈给上位机，并按照上位机的控制策略及逻辑关系给高压油泵和控制阀发送控制信号。

按上述方案，所述的信号采集单元还包括用于检测装拆试验过程中螺旋桨毂端面位置应力变化的应变片，应变片的输出端与所述的控制单元相连接。

利用上述船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台实现的船舶螺旋桨油压装拆模拟试验方法，其特征在于：它包括：

按照螺旋桨真实的无键油压装拆过程，输入参数，进行模拟试验，实时获得油压装拆过程中液压螺母轴向油通道油压、螺旋桨毂径向油通道油压和轴向位移；所述的参数包括液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压的加载方案；

不断修改所述的参数，获得多组数据并保存；

分析液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压与轴向位移之间的关系。

按上述方法，所述的螺旋桨毂轴向位移传感器为2个垂直于桨毂端面并对称分布的位移传感器，位移传感器固定安装在所述的螺旋桨轴上；

实时监测2个位移传感器采集的螺旋桨毂的轴向位移，当2个轴向位移的差值超过设定的偏差极限值、或任何一个轴向位移超过设定的位移最大值时，发出控制指令切断油压，立即停止模拟试验。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过设计等比缩小的螺旋桨油压装拆相似模型，在螺旋桨毂的内表面设有径向油通道，在液压螺母的密封腔设有轴向油通道，利用液压动力单元分别对径向油通道和轴向油通道提供液压动力，利用位移传感器获取螺旋桨毂的轴向位移（即推入量），采用本发明试验平台能够模拟真实的螺旋桨油压无键装拆过程，并获取液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压与轴向位移之间的关系，不但为螺旋桨油压装拆方案的设计和优化提供理论依据，而且对于船舶螺旋桨数字化、自动化、智能化油压无键安装技术的发展具有重要的理论指导作用和工程应用价值。

2、通过设置2个垂直于桨毂端面并对称分布的位移传感器采集螺旋桨毂的轴向位移，通过比较2个传感器采集的轴向位移的偏差，防止螺旋桨毂由于油压装拆过程中受力不均而出现安装偏斜的情况，并且在监测控制单元中可以任意设置轴向位移的极限值，如果轴向油压和径向油压设置过大，当轴向位移超过设置的极限值时，触发保护装置迅速卸载油压，防止螺旋桨毂由于设置的油压过大材料出现塑性变形，提高试验的安全性和可靠性。

3、通过试验多种不同的液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压的加载方案，考核螺旋桨油压无键安装的用时以及推入量的真实值，提出一种较好的螺旋桨无键安装油压加载方案，为实现船舶螺旋桨数字化、自动化和智能化油压无键安装技术提供一定的理论基础。

4、船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台中的液压动力单元（液压站）和监测控制单元（控制柜）可以组合安装在一起，其设备体积小质量轻并安装有脚轮便于搬运和移动，可以将试验平台的液压站和控制箱应用于船厂代替人工手动控制液压油泵，对实船螺旋桨进行数字化、自动化和智能化的油压无键装拆。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为螺旋桨油压装拆试验台液压系统原理图。

图3-1为立式液压站和控制箱整体的主视结构示意图。

图3-2为立式液压站和控制箱整体的俯视结构示意图。

图3-3为立式液压站的左视结构示意图。

图中： 1-螺旋桨轴；2-固定支架；3-位移传感器；4-螺旋桨毂；5-液压螺母；6-地基；7-机座；8-液压动力单元；9-监测控制单元；10-油箱；11-液位计；12-过滤器；13-空气过滤器；14-回油过滤器；15-油箱温度传感器；16-冷却油泵电机；17-冷却油泵；18-风冷却器；19-高压油泵电机；20-高压油泵；21-单向阀；22-比例溢流阀；23-压力传感器；24-电磁球阀；25-节流阀；26-高压软管；27-状态指示灯；28-工业触摸平板电脑；29-急停按钮；30-轴流风机；31-橡胶减震垫；32-万向带刹车轮；33-固定脚轮；34-控制阀；35-卡套式管接头；36-放油孔；37-联轴器。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台，如图1所示，它包括螺旋桨油压装拆相似模型、液压动力单元8及监测控制单元9；其中，所述的螺旋桨油压装拆相似模型包括与实船成几何相似和物理相似等比缩小设计的螺旋桨轴1、螺旋桨毂4和液压螺母5，螺旋桨轴1通过固定支架2固定在机座7上，且螺旋桨轴1通过轴承与固定支架2连接；所述的螺旋桨毂4内表面设有径向油通道；所述的液压螺母5密封腔内设有轴向油通道；本实施例中，所述的机座7固定在地基6上。

其中，几何相似是指等比缩小加工，物理相似是指采用和实物相同材料。本实施例的螺旋桨油压装拆相似模型与实物缩比5-10倍，优选8倍。

所述的液压动力单元8包括分别与所述的径向油通道和轴向油通道油路连接的径向油路和轴向油路，径向油路和轴向油路中分别设有高压油泵20和控制阀34。本实施例中，所述的液压动力单元还包括油箱10，油箱10分别与径向油路和轴向油路连接，且径向油路和轴向油路分别通过同一条回油油路与油箱10连接；油箱10连接有液位计11。如图2所示，所述的径向油路上依次设有过滤器12、所述的高压油泵20（由高压油泵电机19驱动）、单向阀21（控制径向油路的方向）和节流阀25（调节径向油路中油压建立的速度，保证螺旋桨油压装拆过程中径向油路中油压平稳缓慢的建立，以确保试验的安全可靠），其中所述的径向油路油压传感器23设置在单向阀21之后；所述的径向油路与回油油路之间设有比例溢流阀22（实现无级的调节轴向油路油压和径向油路油压的大小）；所述的节流阀25的输入端通过电磁球阀24（用于控制径向油路的通断）与油箱连接；所述的回油油路与油箱10之间设有回油过滤器14。所述的轴向油路与径向油路结构相同。本实施例中，径向油路和轴向油路分别通过高压软管26和卡套式管接头35与径向油通道和轴向油通道连接。所述的单向阀21、比例溢流阀22、电磁球阀24、节流阀25均属于所述的控制阀34。

所述的监测控制单元包括信号采集单元、显示单元、输入单元和控制单元；信号采集单元包括螺旋桨毂轴向位移传感器3、螺旋桨毂径向油通道油压传感器、液压螺母轴向油通道油压传感器、径向油路油压传感器、轴向油路油压传感器（径向油路油压传感器、轴向油路油压传感器均为压力传感器23）、液位计11；显示单元用于显示信号采集单元采集的实时数据（即油压装拆的实时数据）；输入单元用于输入控制指令和/或控制策略；控制单元用于根据输入单元的输入的数据，按照控制策略控制高压油泵20和控制阀34，同时从信号采集单元获取数据进行处理分析。

所述的信号采集单元还包括油箱温度传感器15；所述的液压动力单元8还包括由控制单元控制启停的油路冷却回路，油路冷却回路与所述的油箱10连接。油路冷却回路包括依次连接的过滤器12、冷却油泵17（由冷却油泵电机16驱动）和风冷却器18；油箱10的油依次经过过滤器12、冷却油泵17和风冷却器18后回到油箱10。

更进一步的，控制单元包括相互连接的上位机和下位机；其中，显示单元和输入单元分别与上位机连接，上位机用于数据显示分析和控制策略设置，信号采集单元与下位机连接，下位机用于将采集到的信号实时反馈给上位机，并按照上位机的控制策略及逻辑关系给高压油泵20、冷却油泵17和控制阀34发送控制信号。本实施例中，所述的上位机为工业触摸平板电脑28，所述的下位机为PLC。工业触摸平板电脑28旁还可以设置一些状态指示灯27、急停按钮29等。为了防止PLC等长时间工作时温度过高导致电子元件受损，还可以设置轴流风机30。油箱侧向还可以设置放油孔36。

本实施例中，监测控制单元9设置在控制柜中，液压动力单元8采用立式液压站，通过螺栓和橡胶减震垫31将控制柜与立式液压站固定连接成为一个整体，在控制柜和立式液压站的固定连接处使用橡胶减震垫31，以降低立式液压站工作时的振动对控制柜的监测控制产生的干扰和影响，立式液压站的底部有万向带刹车轮32和固定脚轮33，以便将立式液压站和控制柜整体的移动到不同的安装场所对螺旋桨油压装拆相似模型和实船螺旋桨进行实际的油压装拆。冷却油泵电机16通过联轴器37与冷却油泵17连接。

优选的，所述的螺旋桨毂轴向位移传感器为2个垂直于螺旋桨毂4端面并对称分布的位移传感器，位移传感器固定安装在所述的螺旋桨轴1上。

进一步的，所述的信号采集单元还包括用于检测装拆试验过程中螺旋桨毂端面位置应力变化的应变片，应变片的输出端与所述的控制单元相连接。在靠近结合面的桨榖端面位置粘贴应变片，检测装拆过程中螺旋桨毂端面位置的应力变化，在控制单元中设置螺旋桨毂材料的屈服应力，在控制单元中将检测到的应力换算成等效应力并与材料的屈服应力进行对比，当检测的等效应力超过材料的屈服应力时，触发保护装置迅速卸载油压，防止螺旋桨毂由于设置的油压过大材料出现塑性变形，并且可以检测安装后螺旋桨毂端面位置的应力，将其换算成端面位置的接触压力，以校验螺旋桨油压无键安装的可靠性。

利用上述船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台实现的船舶螺旋桨油压装拆模拟试验方法，它包括：按照螺旋桨真实的无键油压装拆过程，输入参数，进行模拟试验，实时获得油压装拆过程中液压螺母轴向油通道油压、螺旋桨毂径向油通道油压和轴向位移；所述的参数包括液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压的加载方案；不断修改所述的参数，获得多组数据并保存；分析液压螺母轴向油通道油压和螺旋桨毂径向油通道油压与轴向位移之间的关系。

优选的，所述的螺旋桨毂轴向位移传感器为2个垂直于桨毂端面并对称分布的位移传感器，位移传感器固定安装在所述的螺旋桨轴上，位移传感器的触头与螺旋桨毂4的端面相贴合；实时监测2个位移传感器采集的螺旋桨毂4的轴向位移，当2个轴向位移的差值超过设定的偏差极限值、或任何一个轴向位移超过设定的位移最大值时，说明螺旋桨毂4由于受力不均发生安装偏斜，发出控制指令切断油压，立即停止模拟试验。

本实施例中，冷却油泵17和高压油泵20都是采用立式安装，冷却油泵17和高压油泵20都置于油箱10之内，液位计11、放油孔36和风冷却器18均布置于油箱10的外侧。冷却油路是独立于装拆高压油路以外的，油箱10的上部装有油箱温度传感器15，油箱温度传感器15的探头在液压油面以下，在监测控制单元中设定油温极限值，当油箱温度传感器监测到实际的油温超过设定的油温极限值时，上位机发出相应的控制信号传给下位机，控制冷却油泵电机16中接触器的接通，冷却油泵17立即启动进行液压油的循环，同时风冷却器18开始对冷却油路中的液压油进行冷却降温。

本实施例中，工业触摸平板电脑28不仅可以向其输入安装所需加载油压和推入量的数值，还可以接收信号采集单元实时监测数据的反馈，在螺旋桨油压装拆试验过程中工业触摸平板电脑28的显示屏上可以显示实时的轴向油通道油压-推入量和径向油通道油压-推入量曲线，并可将油压-推入量曲线以图片和文档的格式保存起来，以便日后试验结果的查看和整理，上位机向下位机发出一系列的控制信号，下位机通过控制电路中接触器的通断，控制液压动力单元中电磁阀和油泵电机启停，以实现螺旋桨油压装拆的数字化控制。

本实施例中，控制柜上有四个状态指示灯27、一个急停按钮29和两个小型的轴流风机30，四个状态指示灯27分别显示轴向高压泵组电路、径向高压泵组电路、冷去泵组电路和总电路的通断情况，急停按钮起到立即切断总电路的作用，以防止油压安装过程中意外的发生，小型轴流风机起到散热降温的作用，防止控制柜长时间工作时温度过高导致电子元件受损。

综上所述，本发明能够模拟船舶螺旋桨真实的无键油压装拆，获得油压装拆过程中轴向油压、径向油压和推入量的真实数值；通过监测分析油压装拆试验过程中两个位移传感器的数值，防止螺旋桨毂由于油压装拆过程中受力不均而出现安装偏斜的情况；在加载一定轴向油压和径向油压的作用下，考核螺旋桨无键油压安装时真实推入量与理论推入量的差异；通过试验多种不同的轴向油压和径向油压加载方案，考核螺旋桨无键油压安装的用时以及推入量的真实值，提出一种较好的螺旋桨无键安装油压加载方案；可以为实现船舶螺旋桨数字化、自动化、智能化的无键油压装拆提供一定的理论基础和参考。

螺旋桨油压无键装拆属于圆锥面连接件油压法装拆的范畴，通过船舶螺旋桨油压装拆模拟试验平台进行的相关模拟试验，在其装拆油压加载方式研究明确后，可以应用到采用油压法装拆的其它圆锥面连接件上，如大型联轴器的装拆，并可应用于更为简单的压入法装拆（即装拆时仅需施加轴向油压）的连接件上，如铁路机车轮对的装拆。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。