一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统及方法与流程

1.本发明涉及船舶轴系测试技术领域，尤其涉及一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统及方法。


背景技术：

2.滑动支撑轴承是保证船舶轴系、旋转机械轴系等正常运转的关键子部件之一。对于滑动支撑轴承，现有技术目前只能测量静态下的受力载荷，进而对应轴系的静态对中状态；还没有在线实时进行滑动支撑轴承实时载荷测试的手段和装置。
3.船舶轴系中的各支撑轴承通常采用滑动轴承，为保证轴系的运行状态，在初始安装时会进行轴系的合理校中，保证每个轴承的受力处于合理的水平。但在轴系运行一段时间后，因为每个滑动轴承的磨损程度不同，轴系的运行状态就发生较大变化。而滑动支撑轴承的实时载荷中包含有非常丰富的信息，如果能获取到每个滑动轴承的实时载荷，就可以根据受力模型获得轴承磨损状态、轴系运转状态等信息，可以用于进行轴系运转状态是否合理的评估判断。
4.现有的船舶轴系测试技术无法准确的测量舶滑动支撑轴承的实时动态载荷，且缺少船舶轴系的运行状态的评估手段。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：提供一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统及方法，能够准确测量船舶滑动支撑轴承的实时载荷，并评估判断船舶轴系的运行状态。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统，包括信号获取装置1、plc控制器2和微型计算机3，所述信号获取装置1由数字式转速测量装置4、多个黑白条纹反光条5和两个激光位移测量装置6组成，所述微型计算机3中设有轴系状态辅助判断数字孪生体模块7和轴系状态辅助判断软件系统8；
8.其中，所述多个黑白条纹反光条5沿周向间隔均匀地粘贴于待测转轴表面，所述数字式转速测量装置4通过固定支架设置于所述待测转轴一侧，所述数字式转速测量装置4包括感应探头和光电转换器，所述感应探头正对所述黑白条纹反光条5，所述感应探头识别所述黑白条纹反光条的反光率变化并将对应的变化时间差信号输出给光电转换器，所述光电转换器用于将所述变化时间差信号转换为转轴的瞬时转速，并发送给plc控制器2；
9.所述两个激光位移测量装置6呈90夹角布置于所述待测转轴一侧，用于获取待测转轴旋转时横向和纵向的位移信号；
10.所述plc控制器2用于接收和处理所述信号获取装置1传输的信号，并将处理结果输出给轴系状态辅助判断软件系统8；
11.所述轴系状态辅助判断数字孪生体模块7用于存储待测转轴和滑动支撑轴承的设计参数、仿真计算数据、轴段静态质量、状态判断数字孪生体模型，并将存储数据实时传输
给轴系状态辅助判断软件系统8；
12.所述轴系状态辅助判断软件系统8用于接收和处理所述plc控制器2和轴系状态辅助判断数字孪生体模块7传输的信息，得出滑动支撑轴承10的实时载荷，并输出待测转轴9的运行状态评估结果。
13.进一步的，所述状态判断数字孪生体模型设有自学习模块，所述自学习模块用于将所述评估结果与实际测量数据进行对比验证，并对所述状态判断数字孪生体模型进行修正更新。
14.进一步的，所述微型计算机3设有配套的用于数据存储、数据显示的物理介质。
15.一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估方法，基于如上所述的系统，包括如下步骤：
16.s1，根据待测转轴和滑动支撑轴承的设计参数、仿真计算数据，建立状态判断数字孪生体模型；
17.s2，通过数字式转速测量装置获取待测转轴的瞬时转速；
18.s3，根据所述瞬时转速结合轴段静态质量，获得滑动支撑轴承的动态力；
19.s4，通过激光位移测量装置获取待测转轴旋转时横向和纵向的位移信号；
20.s5，根据所述横向和纵向的位移信号结合轴心轨迹计算算法，获得轴心轨迹分布；
21.s6，根据所述轴心轨迹分布结合滑动支撑轴承的仿真计算数据，获得滑动支撑轴承的静态力；
22.s7，根据所述动态力和所述静态力结合滑动支撑轴承的设计参数，得出滑动支撑轴承的实时载荷；
23.s8，将步骤s2～s7中获得的数据与所述状态判断数字孪生体模型相比对，进行待测转轴运行状态评估。
24.进一步的，在步骤s1中，所述设计参数具体包括：待测转轴和滑动支撑轴承的尺寸信息、安装位置信息、工况信息、磨损程度信息。
25.进一步的，在步骤s1中，所述仿真计算数据的获取方式具体为：根据所述设计参数建立待测转轴和滑动支撑轴承的物理模型，并通过有限元分析软件进行力学有限元仿真，获得所述仿真计算数据。
26.进一步的，在步骤s2中，所述瞬时转速的获取方式具体为：通过感应探头测量轴段上粘贴的黑白反光条之间的反射信号时间差，再结合光电转换器换算获得所述瞬时转速。
27.进一步的，在步骤s3中，所述滑动支撑轴承的动态力具体为转轴旋转时的离心力。
28.进一步的，在步骤s5中，所述轴心轨迹计算算法，包括如下步骤：
29.s51，将待测转轴的横向位移信号和纵向的位移信号合成为整体位移信号；
30.s52，根据待测转轴的瞬时转速，将所述整体位移信号从等时间间隔信号重采样为等角度间隔信号；
31.s53，分离所述等角度间隔信号的交流值和直流值，获得未滤波的轨迹图数据；
32.s54，分阶提取所述等角度间隔信号的幅值和相位，获得已滤波的轨迹图数据；
33.s55，合并已滤波和未滤波的轨迹图数据；
34.s56，缓冲信号以显示历史轨迹数据和当前轨迹数据，获得轴心轨迹分布。
35.本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
36.1、本技术包括黑白条纹反光条及光电转换器组成的数字式转速测量装置、激光位移测量装置、信息采集plc、微型信息处理系统、载荷分析与判断数字孪生体，能通过多种信号传感器获取滑动轴承所支撑轴段的实时信息，能通过plc进行信息采集转换，能通过微型信息系统进行数据处理，能通过数字孪生体进行知识和分析方法的管理，能实时输出滑动轴承的当前载荷并进行船舶轴系运行状态辅助判断；
37.2、本技术采用的装置能根据在轴段上粘贴的间隔均匀反光条及光电信号发生器，获得旋转轴在每个黑白条纹之间的反射信号时间差，再通过相应算法获得船舶轴系的实时瞬时转速，再结合数字孪生体中存储的静态质量，能够获得实时旋转离心力的大小；
38.3、本技术采用沿与轴线垂直截面上布置2个间隔夹角为90度的激光位移传感器，获取滑动轴承所在轴系在旋转时的轴表面与固定位置的间距变化，再利用发明的算法，能够获得实时轴心轨迹分布；
39.4、本技术通过提供的算法工具构建相应的数字孪生体，并根据分析出的瞬时转速、轴心轨迹、实施离心力等船舶轴系运行实时特征参数，利用构建在数字孪生体中的程序算法，能够获得滑动轴承的实时支撑载荷；
40.5、本技术建立了数字孪生体进行综合分析，能够根据被测系统的各种状态参数，实时得出对应的状态辅助判断结果，并且数字孪生体具有计算分析和自学习能力，能根据获取到的数据并结合后续验证结论进行学习推演。
附图说明
41.图1为本发明船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统的整体示意图；
42.图2为本发明实施例中待测滑动支撑轴承的示意图；
43.图3为本发明实施例中待测滑动支撑轴承在不同状态下的受力图；
44.图4为本发明船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估方法流程图；
45.图5为本发明状态判断数字孪生体模型自学习修正流程图；
46.图6为本发明轴心轨迹计算算法流程图。
47.图中：1、信号获取装置；2、plc控制器；3、微型计算机；4、数字式转速测量装置；5、黑白条纹反光条；6、激光位移测量装置；7、轴系状态辅助判断数字孪生体模块；8、轴系状态辅助判断软件系统；9、待测转轴；10、滑动支撑轴承。
具体实施方式
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
49.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
50.一、一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统
51.如图1所示，根据本发明实施的一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估系统，
包括信号获取装置1、plc控制器2和微型计算机3。
52.其中，所述信号获取装置1由数字式转速测量装置4、多个黑白条纹反光条5和两个激光位移测量装置6组成，所述微型计算机3中设有轴系状态辅助判断数字孪生体模块7和轴系状态辅助判断软件系统8。
53.具体的：
54.所述多个黑白条纹反光条5沿周向间隔均匀地粘贴于待测转轴表面，轴旋转过程中黑白条纹反光条随着轴一起旋转；
55.所述数字式转速测量装置4通过固定支架设置于所述待测转轴一侧，数字式转速测量装置4包括感应探头和光电转换器；所述感应探头正对所述黑白条纹反光条5，用于识别所述黑白条纹反光条的反光率变化并将对应的变化时间差信号输出给光电转换器，所述光电转换器用于将所述变化时间差信号转换为转轴的瞬时转速；
56.所述两个激光位移测量装置6呈90夹角布置于所述待测转轴一侧，用于获取待测转轴旋转时横向和纵向的位移信号；
57.所述plc控制器2用于接收和处理所述信号获取装置1传输的信号，并将处理结果输出给轴系状态辅助判断软件系统8；(plc采集系统采用配置化设计、支持动态增加新的测点)
58.所述轴系状态辅助判断数字孪生体模块7用于存储待测转轴和滑动支撑轴承的设计参数、仿真计算数据、轴段静态质量、状态判断数字孪生体模型，并将存储数据实时传输给轴系状态辅助判断软件系统8；
59.所述轴系状态辅助判断软件系统8用于接收和处理所述plc控制器2和轴系状态辅助判断数字孪生体模块7传输的信息，得出滑动支撑轴承10的实时载荷，并输出待测转轴9的运行状态评估结果。
60.所述微型计算机3上运行轴系状态辅助判断数字孪生体、轴系状态辅助判断软件系统，并为其提供数据存储、数据显示的物理介质。
61.如图2所示，滑动轴承是转子系统的重要构件，是在滑动摩擦接触下工作的轴承，按照滑动轴承承受载荷方向的不同可分为径向滑动轴承、推力滑动轴承和径向止推轴承。径向滑动轴承只承受径向载荷，推力轴承只承受轴向载荷，而径向止推轴承承受着径向载荷和轴向载荷，相对其他两种滑动轴承，受力则较为复杂。滑动轴承的滑动面是需要润滑油来润滑的，润滑油从润滑油孔中流入支撑轴承与转轴之间的间隙，这一间隙会随着轴承负荷的变化而变化。
62.如图3所示，滑动轴承在轴系中不仅起到支撑转轴旋转的作用，同时对转轴旋转时的动力特性有很大的影响，轴系运行时，滑动轴承的阻尼作用能够保证转轴稳定旋转，相对于刚性支撑，滑动轴承的弹性支撑也会使得转轴的实际临界转速小得多。在轴系运行状态下，滑动轴承一般会有三种运动状态存在，即静止状态、静平衡状态和失稳状态。
63.二、一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估方法
64.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种船舶滑动轴承载荷测试与轴系状态评估方法，基于如上所述的系统，如图4所示，具体包括如下步骤：
65.s1，根据待测转轴和滑动支撑轴承的设计参数、仿真计算数据，建立状态判断数字孪生体模型；
66.s2，通过数字式转速测量装置获取待测转轴的瞬时转速；
67.s3，根据所述瞬时转速结合轴段静态质量，获得滑动支撑轴承的动态力；
68.s4，通过激光位移测量装置获取待测转轴旋转时横向和纵向的位移信号；
69.s5，根据所述横向和纵向的位移信号结合轴心轨迹计算算法，获得轴心轨迹分布；
70.s6，根据所述轴心轨迹分布结合滑动支撑轴承的仿真计算数据，获得滑动支撑轴承的静态力；
71.s7，根据所述动态力和所述静态力结合滑动支撑轴承的设计参数，得出滑动支撑轴承的实时载荷；
72.s8，将步骤s2～s7中获得的数据与所述状态判断数字孪生体模型相比对，进行待测转轴运行状态评估。
73.进一步的，发明中设计了一套辅助构建轴系运行状态数字孪生体的方法及系统软件，该软件基于图形化建模方法，可以根据船舶轴系设计参数自动传递给相关有限元分析软件系统计算分析出对应船舶轴系不同工况、不同滑动轴承安装位置、不同磨损程度情况下的轴系运行时轴心轨迹及滑动轴承负荷特征变化等，并自动获取有限元分析结果，将输入与输出以知识库、神经网络等形式进行存储，构建出对应的状态判断数字孪生体。在实际运行过程中，该孪生体可以根据经过验证的输入/输出关系自动进行孪生体自适应更新。
74.更进一步的，在步骤s1中，所述设计参数具体包括：待测转轴和滑动支撑轴承的尺寸信息、安装位置信息、工况信息、磨损程度信息。
75.更进一步的，在步骤s1中，所述仿真计算数据的获取方式具体为：根据所述设计参数建立待测转轴和滑动支撑轴承的物理模型，并通过有限元分析软件进行力学有限元仿真，获得所述仿真计算数据。
76.更进一步的，在步骤s2中，所述瞬时转速的获取方式具体为：通过感应探头测量轴段上粘贴的黑白反光条之间的反射信号时间差，再结合光电转换器换算获得所述瞬时转速。
77.更进一步的，在步骤s3中，所述滑动支撑轴承的动态力具体为转轴旋转时的离心力。
78.如图5所示，所述状态判断数字孪生体模型设有自学习模块，所述自学习模块用于将所述评估结果与实际测量数据进行对比验证，并对所述状态判断数字孪生体模型进行修正更新；
79.具体的：通过提供的算法工具构建相应的数字孪生体，其可以根据获得的信号，计算分析出瞬时转速、轴心轨迹、实时离心力等特征参数。再利用构建在数字孪生体中的程序算法，获得轴承的实时载荷。再根据获得轴承的实时载荷、系统的初始参数、被测系统的转速等运作参数，经过所建立的数字孪生体综合分析，实时得出对应的状态判断结果。最后根据实际测量数据和状态评估后的验证数据，经过数字孪生体的计算分析和自学习模块，进行学习推演，提高环境条件变化后的状态评估精度。
80.如图6所示，所述轴心轨迹计算算法，包括如下步骤：
81.s51，将待测转轴的横向位移信号和纵向的位移信号合成为整体位移信号；
82.s52，根据待测转轴的瞬时转速，将所述整体位移信号从等时间间隔信号重采样为等角度间隔信号；
83.s53，分离所述等角度间隔信号的交流值和直流值，获得未滤波的轨迹图数据；
84.s54，分阶提取所述等角度间隔信号的幅值和相位，获得已滤波的轨迹图数据；
85.s55，合并已滤波和未滤波的轨迹图数据；
86.s56，缓冲信号以显示历史轨迹数据和当前轨迹数据，获得轴心轨迹分布。
87.同时，轴心轨迹是指轴系在旋转时，由于旋转质量的偏心、不对称等原因，使轴系在激励作用下产生振动，其轴心相对于轴承座在其与轴线垂直平面内的运动轨迹。轴心轨迹图能形象地反映轴系振动情况，包含丰富信息，许多机械故障都能通过轴心轨迹反映。对于旋转轴系，轴心轨迹图比振幅、频率曲线等更能形象直观地反映轴线的运动情况，通过轴心轨迹可以了解轴系工作状况、轴承稳定性、轴承润滑状况是否良好。本发明中在与轴线垂直的平面内互成90度布置两个传感器，通过软件处理后合成轴心轨迹图。
88.综上所述：
89.1、本技术包括黑白条纹反光条及光电转换器组成的数字式转速测量装置、激光位移测量装置、信息采集plc、微型信息处理系统、载荷分析与判断数字孪生体，能通过多种信号传感器获取滑动轴承所支撑轴段的实时信息，能通过plc进行信息采集转换，能通过微型信息系统进行数据处理，能通过数字孪生体进行知识和分析方法的管理，能实时输出滑动轴承的当前载荷并进行船舶轴系运行状态辅助判断；
90.2、本技术采用的装置能根据在轴段上粘贴的间隔均匀反光条及光电信号发生器，获得旋转轴在每个黑白条纹之间的反射信号时间差，再通过相应算法获得船舶轴系的实时瞬时转速，再结合数字孪生体中存储的静态质量，能够获得实时旋转离心力的大小；
91.3、本技术采用沿与轴线垂直截面上布置2个间隔夹角为90度的激光位移传感器，获取滑动轴承所在轴系在旋转时的轴表面与固定位置的间距变化，再利用发明的算法，能够获得实时轴心轨迹分布；
92.4、本技术通过提供的算法工具构建相应的数字孪生体，并根据分析出的瞬时转速、轴心轨迹、实施离心力等船舶轴系运行实时特征参数，利用构建在数字孪生体中的程序算法，能够获得滑动轴承的实时支撑载荷；
93.5、本技术建立了数字孪生体进行综合分析，能够根据被测系统的各种状态参数，实时得出对应的状态辅助判断结果，并且数字孪生体具有计算分析和自学习能力，能根据获取到的数据并结合后续验证结论进行学习推演。
94.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。