一种船用螺旋桨静平衡检测装置及方法与流程

本发明涉及一种静平衡检测技术，特别适用于大型船用螺旋桨的静平衡检测。

背景技术：

大型化船舶用螺旋桨的尺寸越来越大，转速也越来越高，对大型船用螺旋桨的平衡检测提出了新的要求。大型船用螺旋桨的静平衡检测实际上是对螺旋桨微小的不平衡力矩的检测。用小量程的精密测量系统测出巨型转子的微小的不平衡力矩是一项难度较大的技术。大型螺旋桨由于尺寸大、质量大，给平衡校核带来很大的困难。

目前，螺旋桨静平衡检测主要是平衡挂重法，平衡挂重法是采用刚性支承件将螺旋桨、芯轴和滚动轴承组装成一个整体，然后安放在支架上进行静平衡检测。这种方法存在的问题是：1、由于螺旋桨本身的重量较大且叶片延伸较长，在螺旋桨的吊装过程中，通常是使用行车吊装，工作人员在螺旋桨下对吊车进行操控，这样的操作很难保证螺旋桨内孔与芯轴快速而有效地配合，浪费时间，更无法保证操作人员的安全，存在一定的安全隐患，而且刚性支承件的整体刚度和定心刚度对巨型螺旋桨静平衡检测精度也有极大的影响；2、随着螺旋桨重量的增大，螺旋桨静平衡检测时的摩擦力矩在增加，而随着螺旋桨尺度的增加，静平衡检测时的惯性力矩也大大增加，不仅在芯轴支承处存在着较大的摩擦力，影响检测精度和灵敏度，而且装卸不便，不能适应巨型化造修船的要求；3、由于刚性支承件通过芯轴对中，芯轴容易弯曲，这对于大型螺旋桨来说很难精确地定位和对中，因此无法保证安装误差和静平衡检测精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有螺旋桨静平衡检测存在的问题，提出一种检测精度高、无芯轴对中、满足不同孔径大小螺旋桨的通用性要求且能实现螺旋桨称重功能的船用螺旋桨静平衡检测装置及方法。

本发明一种船用螺旋桨静平衡检测装置采用的技术方案是：包括一个底座，底座的顶部放置有悬浮称重调整机构，悬浮称重调整机构的正上方是同轴的对中检测定位平台，对中检测定位平台外围是一个对中调整机构；所述的对中检测定位平台上端是视觉成像与激光寻心装置，视觉成像与激光寻心装置下方是旋转平台，旋转平台正下方同轴固定连接定位支撑法兰盘，定位支撑法兰盘的正下方固定连接半球面轴承，半球面轴承上部分的下表面边缘对称布置两个水平传感器；所述的悬浮称重调整机构具有一个呈阶梯状圆柱体的平台液压浮动底座，平台液压浮动底座放置于底座上，平台液压浮动底座的上段圆柱体的正中间有一个半球形腔室，该半球形腔室的开口朝向上方且与所述的半球面轴承相匹配，半球形腔室的腔室侧壁上开有液压油输入口；在平台液压浮动座的上段圆柱体的外围四周有均布在下段圆柱体上的三个同步液压千斤顶和三个伺服液压千斤顶，每个同步液压千斤顶和每个伺服液压千斤顶相互交错，每个伺服液压千斤顶上端正中间同轴固定连接一个称重传感器，称重传感器上端是推杆；所述的对中调整机构底部是圆环状的支撑底座，支撑底座中心与悬浮称重调整机构和对中检测定位平台中心同轴，沿支撑底座的圆周方向均匀布置四个相同的顶伸机构。

所述的船用螺旋桨静平衡检测装置的静平衡检测方法采用的技术方案是包括如下步骤：

a、视觉成像元件捕捉螺旋桨的底部内孔位置的实时图像，并将获取的内孔位置信息传输到控制中心，控制中心通过计算获得螺旋桨底部内孔中心与对中检测定位平台中心之间的距离，根据该距离吊装螺旋桨；

b、螺旋桨吊装到对中检测定位平台上方时，滑台电机工作，带动丝杠转动，滑轨两回移动，使两个激光三角测距仪到达能够测量的半径范围内，滑台电机停止工作，旋转平台转动，两个激光三角测距仪寻心测量，测量到螺旋桨的中心与对中检测定位平台的中心的位置偏差，并将位置偏差传输到控制中心，控制中心根据位置偏差计算得到对中调整机构的推动距离；

c、螺旋桨下移至底面置放在定位支撑法兰盘上，半球面轴承与半球形腔室相互配合，顶伸机构工作，完成螺旋桨中心的对中调整；

d、三个同步液压千斤顶同步向上抬升，使半球面轴承与半球形腔室分离，称重传感器测得对中检测定位平台与螺旋桨的整体重量，得到螺旋桨的重量；

e、同步液压千斤顶向下运动到初始位置，从液压油输入口输入液压油，半球面轴承在液压油的作用下处于悬浮状态，同步伺服液压千斤顶带动称重传感器向上运动，推动推杆与半球面轴承上部分的下表面接触，称重传感器测得三个方向不同的重量，得到螺旋桨的不平衡量，实现静平衡检测。

本发明采用上述技术方案后体现出的技术效果是：

1、本发明实现了大型船用螺旋桨静平衡检测的无芯轴对中，通过视觉成像技术提高螺旋桨吊装过程中粗定位的对中误差的测量精度；通过顶伸机构最终实现对中，极大简化了对中的过程，提高了检测精度，降低了检测人员的工作量和工作难度；同时因为使用顶伸机构进行对中，在同一装置上可以对不同半径的螺旋桨进行检测，通用性大大提高，装置的结构简单，易于加工制造，有效提高了静平衡检测的精度。

、本发明在螺旋桨吊装过程中寻找中心，保障对中操作的精度，通过测量传感器的合理布置，实现高精密静平衡检测和螺旋桨的称重功能，满足不同孔径大小螺旋桨的通用性要求。

3、本发明最大限度地解决了螺旋桨不平衡量的检测结果有差异的问题，解决了平衡量不能直观读取的问题以及检测设备通用性差等问题，

4、本发明采用传感器保护装置，避免了检测过程中因偏心倾斜导致的对称重传感器的破坏。

附图说明

图1是本发明一种船用螺旋桨静平衡检测装置的立体结构；

图2是图1的主视图；

图3是图1中对中检测1及悬浮称重2的主视放大图；

图4是图3中对中检测定位平台1的主视图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4中视觉成像与激光寻心装置6的结构放大图；

图7是图3中悬浮称重调整机构2的主视图；

图8是图7的俯视图；

图9是图7中称重传感器28及其装配结构主视放大图；

图10是图2中对中调整机构3的主视放大图；

图11是图10的俯视图；

图12是图11中顶伸机构的俯视放大图；

图13是在图2所示本发明检测装置上装载了螺旋桨后的主视图。

图中：1.对中检测定位平台；2.悬浮称重调整机构；3.对中调整机构；4.底座；5.螺旋桨工件；6.视觉成像与激光寻心装置：8.定位支撑法兰盘；9.半球面轴承；10.水平传感器；11.螺栓；12.螺栓；13.旋转平台；14.滑台电机；15.第一激光三角测距仪；16.滑块；17.视觉成像元件；18.视觉成像元件支撑架；19.滑轨；20.第二激光三角测距仪；21.轴承；22.丝杠；23.液压油输入口；24.螺栓；25.传感器保护支撑架；26.推杆；27.导向套；28.称重传感器；29.平台液压浮动底座；30.同步液压千斤顶；31.千斤顶底座；32.同步伺服液压千斤顶；33.支撑底座；34.同步伺服电机；35.顶伸机构机体；36.丝杆；37.顶伸机构前端部件；38.螺栓；39.定位光杆；40.压力传感器；

29-1.平台液压浮动座的下段圆柱体；29-2.平台液压浮动座的半球形腔室；29-3.平台液压浮动座的上段圆柱体。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明一种船用螺旋桨静平衡检测装置最底部是底座4，底座4由工字钢制成。在底座4的顶部放置悬浮称重调整机构2，悬浮称重调整机构2的正上方是与悬浮称重调整机构2同轴的对中检测定位平台1，对中检测定位平台1外围是一个独立的对中调整机构3，对中调整机构3的中心与对中检测定位平台1、悬浮称重调整机构2的中心同轴。

参见图4和图5所示的对中检测定位平台1的结构，对中检测定位平台1的上端是视觉成像与激光寻心装置6，视觉成像与激光寻心装置6的正下方是定位支撑法兰盘8，与定位支撑法兰盘8同轴，视觉成像与激光寻心装置6的下端通过螺栓12固定连接定位支撑法兰盘8上端，视觉成像与激光寻心装置6下表面与定位支撑法兰盘8的上表面接触。定位支撑法兰盘8的正下方是同轴的半球面轴承9，半球面轴承9上表面与定位支撑法兰盘8下表面相接触，定位支撑法兰盘8下端和半球面轴承9上端通过螺栓11固定连接在一起。定位支撑法兰盘8上的螺栓孔在法兰盘外侧，以便给支撑螺旋桨的底平面留下足够的面积，满足一定范围内孔大小的螺旋桨的放置。半球面轴承9的上部分是圆环状，半球面轴承9的下部分是半球面，半球面轴承9的上部和下部都置放在悬浮称重调整机构2上。在半球面轴承9的边缘布置两个水平传感器10，两个水平传感器10相对半球面轴承9的中心对称布置。

参见图6所示的视觉成像与激光寻心装置6，视觉成像与激光寻心装置6的下方是圆柱状的旋转平台13，旋转平台13能360度顺时针和逆时针转动。旋转平台13与定位支撑法兰盘8同轴，旋转平台13的下端通过螺栓12固定连接定位支撑法兰盘8。旋转平台13的上平面正中心位置固定设置一个滑块16，固定的滑块16的中间开有螺纹孔。旋转平台13的正上方固定连接一个视觉成像支撑架18，视觉成像支撑架18通过四角撑脚固定在旋转平台13上，固定滑块16位于四角撑脚之间。视觉成像支撑架18的上表面正中间固定安装一个视觉成像元件17，视觉成像元件17是镜头状的成件。在视觉成像元件17和固定滑块16之间还安装l型的滑轨19，滑轨19的水平板穿过视觉成像支撑架18，滑轨19的水平板的两端分别位于视觉成像支撑架18的两侧。滑轨19的水平板的正下方是丝杆22，丝杆22与滑轨19的水平板相平行。丝杆22的一端通过轴承21连接滑轨19的垂直板，丝杆22的中间段穿过固定的滑块16上的螺纹孔，丝杆22与滑块16上的螺纹孔相配合，丝杆22的另一端同轴固定连接滑台电机14的输出轴。滑台电机14和轴承21分别位于视觉成像支撑架18的两侧。滑台电机14的壳体固定在视觉成像支撑架18上。在滑轨19的水平板的两端各固定安装一个激光三角测距仪，分别是第一激光三角测距仪15和第二激光三角测距仪20。当旋转平台13转动时，能带动其上方视觉成像支撑架18、滑轨19、固定滑块16、滑台电机14等所有的部分一起转动。当滑台电机14工作时，丝杆22沿着固定的滑块16来回移动，带动滑轨19及其上第一激光三角测距仪15和第二激光三角测距仪20来回移动。视觉成像与激光寻心装置6和旋转平台13的最大外径均小于螺旋桨的内孔内径，但定位支撑法兰盘8的外径远大于螺旋桨的桨毂外径，螺旋桨的底面能支撑在定位支撑法兰盘8上。

参见图7和图8所示的悬浮称重调整机构2，悬浮称重调整机构2具有一个平台液压浮动底座29，平台液压浮动底座29下平面与底座4上平面接触，使悬浮称重调整机构2放置于底座4上。平台液压浮动座29的外形呈一个阶梯状圆柱体，下段圆柱体29-1的外径大于上段圆柱体29-3的外径，上段圆柱体29-3的正中间有一个半球形腔室29-2，该半球形腔室29-2的开口朝向上方，与图4中的半球面轴承9相匹配，半球面轴承9正好能放置在半球形腔室29-2内。该半球形腔室29-2的腔室壁的侧壁上开有液压油输入口23，液腔中的液压油能向上浮起半球面轴承9。将对中检测定位平台1放置在悬浮称重调整机构2上方，二者共同协作工作实现螺旋桨称重及部分静平衡检测的功能。

在平台液压浮动座29的上段圆柱体29-3的外围四周，位置有三个同步液压千斤顶30和三个伺服液压千斤顶32，三个同步液压千斤顶30成120度夹角均布在平台液压浮动底座29的下段圆柱体29-1上，三个伺服液压千斤顶32也成120度夹角均布在平台液压浮动底座29的下段圆柱体29-1上，并且，每个同步液压千斤顶30和每个伺服液压千斤顶32相互交错布置。

每个同步液压千斤顶30均通过螺栓同轴连接一个千斤顶底座31，每个千斤顶底座31均通过螺栓与下段圆柱体29-1连接。非工作状态时，每个同步液压千斤顶30的上表面与平台液压浮动底座29上表面在同一水平高度。

参见图9，每个伺服液压千斤顶32的上端正中间同轴固定连接一个称重传感器28。在伺服液压千斤顶32和称重传感器28外围是一个传感器保护支撑架25，传感器保护支撑架25的下端固定连接下段圆柱体29-1，传感器保护支撑架25的上平面正中心开有通孔，通孔内嵌有导向套27，推杆26从上向下穿过导向套27，非工作状态时，称重传感器28上端与推杆26的下端之间留有一定的间隙。

参见图10和图11所示的对中调整机构3，对中调整机构3的底部是圆环状的支撑底座33，圆环状的支撑底座33的中心与悬浮称重调整机构2和对中检测定位平台1的中心同轴。沿支撑底座33的圆周方向均匀布置四个相同的顶伸机构，四完全相同的顶伸机构成90度角均匀分布在支撑底座33上。每个顶伸机构都由同步伺服电机34、顶伸机构机体35、丝杆39、顶伸机构前端部件37、定位光杆36以及压力传感器40共同组成。顶伸机构机体35通过螺栓38固定连接在支撑底座33上表面上，同步伺服电机34通过螺栓安装在顶伸机构机体35的外围，同步伺服电机34的输出轴水平布置在支撑底座33的直径位置上，同步伺服电机34的输出轴与丝杆36的外端同轴连接，丝杆36穿过顶伸机构机体35的内部正中间通孔后，水平布置在支撑底座33的直径位置上。再结合图12，在丝杆36的轴向两侧各分布有一根定位光杆39，定位光杆39与丝杆36平行且相对丝杆36两侧对称，定位光杆39对丝杆36的轴向运动位置进行定位。丝杆36的内端上固定连接顶伸机构前端部件37，在顶伸机构前端部件37内端面上固定设置压力传感器40。同步伺服电机34的工作，带动丝杆36转动，将旋转运动转化为直线运动，通过丝杆36的直线运动和定位光杆39的定位作用共同构成顶伸机构前端部件37的直线运动。

支撑底座33的内径远大于对中检测定位平台1的外径，确保顶伸机构适应不同内径大小的螺旋桨，使螺旋桨不与顶伸机构产生碰撞干涉。顶伸机构前端部件37的内端与螺旋桨的轮毂接触，顶伸机构前端部件37的内端为圆弧形设计，圆弧半径与螺旋桨的轮毂半径相配，便于顶伸机构与螺旋桨5的轮毂贴合，保证推力的合理分布，实现最终的顶伸推动定位。

参见图1-12所示的船用螺旋桨静平衡装置工作时，其检测方法如下：再结合图13，将螺旋桨5吊装到对中检测定位平台1上方一定位置时，位于对中检测定位平台1顶部的视觉成像元件17捕捉到螺旋桨5的底部内孔位置的实时图像，并将获取的内孔位置信息传输到控制中心，控制中心通过计算获得螺旋桨5底部内孔中心与对中检测定位平台1中心之间的距离，将距离信息反馈给操作人员，操作人员进行吊装操作，由此可以使螺旋桨5快速而有效地吊装放置到对中检测定位平台1上，如此完成对螺旋桨5的视觉成像粗定位。操作人员不需要站在螺旋桨5下进行观察，只需根据控制中心反馈的螺旋桨5的内孔中心与对中检测定位平台1中心之间的距离信息进行操作，保障了工作人员的安全。

对螺旋桨5粗定位后，虽然视觉成像元件17捕捉到的螺旋桨5的内孔位置的精度达到理论上的要求，但在实际行吊过程中，大型螺旋桨5会发生晃动从而造成误差，当螺旋桨5吊装到对中检测定位平台1上方时，螺旋桨5底部内孔中心与对中检测定位平台1的中心往往不能完全重合，存在一定的距离偏差。此时，滑台电机14和两个激光三角测距仪开始工作，由于不同吨位规格的螺旋桨5的内孔直径大小也不同，而激光三角测距仪的测量半径有一定限制要求，因此将两个激光三角测距仪15、20分别布置在滑轨19的两端。当螺旋桨5的内孔半径过大而超过两个激光三角测距仪15、20的测量半径时，滑台电机14便旋转，带动丝杠22转动，丝杆22的转动转化为滑轨19的两回移动，以此使两个激光三角测距仪15、20到达能够进行测量的半径范围内。当丝杆22带动滑轨19移动到激光三角测距仪15、20能够进行测量的位置后，滑台电机14停止工作，滑轨19静止不动，此时旋转平台13转动，第一激光三角测距仪15与第二激光三角测距仪20开始寻心测量，测量到螺旋桨5的中心与对中检测定位平台1的中心的位置偏差距离数据，并将偏差距离数据传输到控制中心，控制中心根据偏差距离计算得到对中调整机构3要对中顶伸机构的推动距离，如此完成螺旋桨5的精定位。

精定位后的螺旋桨5下移，直至螺旋桨5底面置放在定位支撑法兰盘8上，此时，对中调整机构3的平台液压浮动底座29上表面与悬浮称重调整机构2的上表面在同一水平位置，保证顶伸机构前端部件37以及压力传感器40与螺旋桨5的桨毂处于同一水平位置，不与螺旋桨5的叶片产生干涉碰撞。

控制中心根据计算得到的对中调整机构3的推动距离，控制同步伺服电机34工作，通常控制相邻的两个顶伸机构一同运动，以此保证对中的精度和准确度。同步伺服电机34带动顶伸机构前端部件37接触在螺旋桨5的轮毂上，并挤压轮毂，压力传感器40检测到压力，并将压力传送给控制中心。由于螺旋桨5的材料存在一定的延展性，在顶伸机构推动的过程中，需通过压力传感器40测量获取顶伸压力的大小，进行相应推动距离的补偿，保证顶伸机构推动螺旋桨5移动到对中检测定位平台1的中心位置，如此完成螺旋桨5中心的精准对中调整。

在对中检测定位平台1及对中调整机构3的共同作用下，实现了螺旋桨5内孔中心与对中检测定位平台1中心的重合。此时，对中检测定位平台1上的半球面轴承9与悬浮称重调整机构2上的半球形腔室29-2之间相互配合。因为悬浮称重调整机构2与对中检测定位平台1同轴安装，非工作状态时，仅依靠对中检测定位平台1上的半球面轴承9与悬浮称重调整机构2上的半球形腔室29-2之间的配合无法保证悬浮称重调整机构2与对中检测定位平台1的相对固定，使3个同步液压千斤顶30的上表面接触并均布支撑着对半球面轴承9上部分的下表面，协同完成悬浮称重调整机构2与对中检测定位平台1的固定。

在3个同步液压千斤顶30的上表面接触并均布支撑着半球面轴承9上部分的圆环状的下表面，使螺旋桨5处于平衡状态后，首先对螺旋桨5进行称重测量，3个同步液压千斤顶30同步向上抬升，使半球面轴承9与其正下方的平台液压浮动底座29的半球形腔室29-2分离，通过同步伺服液压千斤顶32上端的称重传感器28可测得对中检测定位平台1与螺旋桨5的整体重量，由于对中检测定位平台1的重量已知，因此可得到螺旋桨5的重量，如此实现对螺旋桨5的称重。

在完成螺旋桨5的称重测量后，同步液压千斤顶30向下运动到初始位置，此时，从液压油输入口23输入液压油，液压油充满半球形腔室29-2，使半球面轴承9与平台液压浮动底座29分离，半球面轴承9在液压油的作用下处于悬浮状态，此时进行螺旋桨5的静平衡检测，由于螺旋桨5的叶片质量是不均匀的，当半球面轴承9处于悬浮状态时，对中检测定位平台1会发生微小的倾斜，此时同步伺服液压千斤顶32带动称重传感器28向上运动，推动推杆26竖直向上运动，与半球面轴承9上部分的下表面接触，通过半球面轴承9上部分的下表面边缘对称布置的两个水平传感器10检测半球面轴承9的倾角，倾角输入控制中心，控制中心计算得到使对中检测定位平台1恢复到水平位置时的三个同步伺服液压千斤顶32向上顶伸的高度值，三个同步伺服液压千斤顶32根据控制中心反馈的顶伸高度值向上运动到相应高度位置，实现对中检测定位平台1恢复水平。因为三个位置的同步伺服液压千斤顶32顶伸高度不同，进而同步伺服液压千斤顶32上的称重传感器28受到的顶伸压力也不同，此时根据称重传感器28测得三个方向不同的重量，得到螺旋桨5的不平衡量，实现螺旋桨5的静平衡检测。

在静平衡检测时，当放置在定位支撑法兰盘8上的螺旋桨5叶片质量不均匀会发生倾斜，会导致半球面轴承9上部分下表面与称重传感器28发生碰撞，由于螺旋桨5的体积大重量重，即使是微小的倾斜也会产生巨大的冲击力，此时传感器保护支撑架25对称重传感器28起到保护作用，避免称重传感器28与半球面轴承9上部分下表面直接碰撞接触对称重传感器28造成的破坏。