Способ испытаний судовых движительных комплексов и стенд для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01M17/00 B63H5/00 

Группа изобретений относится к области комплексных испытаний судовых движительных комплексов - подруливающих устройств (ПУ) и винторулевых колонок (ВРК) мощностью от 100 кВт до 3,5 (15-20) МВт, с подтверждением мощности, частоты вращения, виброакустических характеристик во всем диапазоне мощностей, частот вращения и углов взаимной ориентации между осями вала электрической машины и вала винта испытываемого движительного комплекса.

При работе винторулевой колонки и подруливающего устройства гребной винт создает упор, вращающиеся части являются источником вибрации, вследствие чего детали и вся конструкция в сборе приобретает напряжения, изгибы, что вызывает деформации, износ определенных зон деталей, в результате воздействия под определенными углами на протяжении длительного времени во время хода судна. Кроме того, наблюдается неравномерный износ деталей, например, с одной стороны быстрее изнашивается подшипник, зубец, с другой стороны данные детали изнашиваются медленнее. Все это приводит к появлению зазоров, неслаженной работе узлов и деталей, при повороте может возникнуть другая ориентация детали, что усиливает вибрации ВРК, ПУ в целом и, которые передаются на корпус судна в виду жесткой конструктивной связи. На всех режимах работы ВРК, ПУ имеются допустимые параметры механических и акустических характеристик, которые необходимо контролировать при испытаниях.

Широко известен метод проведения испытаний подруливающих устройств и винторулевых колонок в испытательном бассейне с подключением электродвигателя в качестве привода либо использования штатного электродвигателя. Для осуществления данного метода, при условии, что ВРК уже смонтирована на судне (например, при необходимости регулировок при проведении ходовых испытаний), судно необходимо доставить в корабельный док (сооружение для постройки, ремонта и хранения судов (кораблей)), выполнить разборку судна и испытываемых узлов, произвести сами испытания, замену узлов и подшипников, произвести балансировку. При этом испытания ВРК и ПУ осуществляются при одном положении осей, то есть не во всем диапазоне. При выполнении таких испытаний на выявление недостатков, для определения величины вибраций по всем возможном рабочем диапазоне, выполняются расчеты, допускающие погрешности из-за человеческого фактора, например, где-то выставили не тот зазор, ошибки в последовательности во время сборочных операций, что в дальнейшем может привести к большому ущербу.

Из уровня техники известно изобретение «Установка для испытаний моделей судовых движителей» по патенту РФ 2216476 с датой публикации 27.07.2003, относящееся к экспериментальной гидродинамике корабля и касается измерительного оборудования для проведения испытаний моделей судовых движительных комплексов в гидродинамическом и ледовом опытовых бассейнах. Данное изобретение обеспечивает испытания как обычных движительных комплексов, так и движительных комплексов типа STP и SCP, движительных комплексов, содержащих ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей, а также движительных комплексов с направляющими крыльями, и измерение мгновенных значений крутящего момента на каждом из гребных винтов, установленных по обе стороны гондолы ВРК, продольной и поперечной силы на комплексе, а также моментов крена, дифферента и тангажа.

При функционировании установки реализуется следующий способ испытаний моделей судовых движителей, заключающийся в том, что осуществляют монтаж установки на модели судна совместно или порознь гребной винт, направляющая насадка с помощью механизма дискретного поворота под требуемым углом к продольной оси модели судна и фиксируют в этом положении стопорителем. При буксировке модели судна под буксировочной тележкой в гидродинамическом опытовом бассейне на движительные комплексы действуют гидродинамические (и ледовые) силы, которые передаются на нижний подвижный фланец динамометра и деформируют его стержни. Деформации стержней преобразуются тензопреобразователями в электрические сигналы, пропорциональные действующим на установку продольной и поперечной силам, моментам дифферента, крена и тангажа. Возникающий при вращении приводного двигателя крутящий момент от гребных винтов и ледоразрушающих лопаток передается на датчик крутящего момента, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный величине суммарного крутящего момента, действующего на движительные комплексы. А крутящий момент от гребного винта ледоразрушающих лопаток, кроме того, передается на датчик крутящего момента, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный величине действующего момента.

Недостатком данного технического решения является необходимость постройки испытательного бассейна, который должен быть либо значительных размеров (например, для испытаний ПУ требуется бассейн порядка 500-600 м³), либо должен использоваться способ гидравлического торможения потока на вход на винт, к тому же данный метод проведения испытаний влечет большие затраты электроэнергии, соответствующие номинальной мощности объекта испытаний плюс перегрузочным режимы до 180% от номинального значения в течение длительного времени - до 2 часов.

Известна полезная модель «Стенд для испытания и обкатки редукторов» из патента РФ 111657 с датой публикации 20.12.2011, относящаяся к машиностроению и может быть использована в производстве механических передач, например мотор - редукторов для испытаний и устранения погрешностей при изготовлении и сборке. Цель полезной модели - упрощение конструкции и повышение качества работы путем обеспечения условий испытания и обкатки, максимально приближенных к условиям эксплуатации.

Способ испытания, который реализуется при использовании данной полезной модели, заключается в том, что устанавливают и закрепляют редуктор на верхней площадке станины между приводом и обоймой, производят механическое соединение привода с редуктором, затем фиксируют выходной вал или шестерню редуктора фиксаторами в обойме, регулируют положение груза на коромысле. Включают привод, вращающий момент от привода через редуктор, передается диску и приводит его во вращение. Под действием массы груза тормозят вращение диска и создают нагрузку на диске, тем самым обеспечивая необходимый крутящий момент на выходном валу или шестерне редуктора. Далее при помощи динамометра замеряют крутящий момент и производят испытание и обкатку редуктора.

Известна полезная модель «Стенд для испытания движительно-рулевой колонки» из патента РФ 116461 с датой публикации 27.05.2012, относящаяся к судостроению. Предлагаемый стенд позволяет произвести непосредственно на месте испытания сборку движительно-рулевой колонки, в состав которой входят верхний и нижний редукторы, соединенные между собой подрамником; провести испытания, в ходе которых контролируется вращение выходного вала на различных режимах работы, число его оборотов, нагрев подшипников, работа механизма поворота, совместная работа всех узлов и механизмов.

Предварительно собранный нижний редуктор движительно-рулевой колонки помещают на подставку на фундаменте стенда, поднимают и выравнивают домкратами в вертикальном и/или горизонтальном направлении. На боковые стойки опускают и закрепляют через виброопоры съемную раму, с установленным на ней опорным кольцом, соединенным обечайкой с расположенным над ним зажимным фланцем, устанавливают площадки. Нижний редуктор соединяют с нижним фланцем подрамника, на верхний фланец подрамника устанавливают верхний редуктор. Производят окончательную сборку движительно-рулевой колонки, опускают домкраты. Закрепляют верхний фланец, после чего через муфту к входному валу верхнего редуктора присоединяют электрический двигатель. Проводят испытания согласно программы и методике испытаний, после этого движительно-рулевую колонку и стенд разбирают в обратном порядке. Конструкция стенда позволяет проводить испытания движительно-рулевой колонки в сборе с гребным винтом или имитатором винта как для проверки вращения гребного вала, так и для проверки вращения балера - привода вращения с поворотом движительно-рулевой колонки на 360°.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой группе изобретений является полезная модель «Стенд для испытания движительнорулевых колонок со встроенной системой комплексного мониторинга» по патенту РФ 175297 с датой публикации 29.11.2017, относящаяся к области судостроения и направлена на обеспечение проведения стендовых испытаний ДРК со встроенной системой комплексного мониторинга, наладку и калибровку измерительных каналов системы комплексного мониторинга. При проведении динамических испытаний на гребной вал ДРК, закрепленной в стенде для испытаний, вместо гребного винта монтируют тормозное устройство и опору гребного вала. Датчики, установленные на деталях внутри ДРК, фиксируют значения отклонений в зависимости от приложенных нагрузок, создаваемых тормозной системой при работе электрического двигателя привода.

При проведении статических испытаний на гребной вал ДРК, закрепленной в стенде для испытаний, вместо гребного винта монтируют нагрузочную балку, а упор и точное позиционирование домкратов с динамометрами осуществляют с использованием опорных рам, закрепляемых на корпусе ДРК. Датчики, установленные на деталях внутри ДРК, фиксируют значения отклонений в зависимости от различных по направлению и приложению нагрузок, прикладываемых к нагрузочной балке. Таким образом, создаваемая статическая нагрузка является внутренней силой в системе «нижний редуктор движительно-рулевой колонки - рама» и не передается ни на конструкции стенда, ни на узел сопряжения поворотной и неподвижной частей движительно-рулевой колонки.

Недостатками прототипа являются отсутствие полного комплекса испытаний, полного диапазона взаимного положения верхней и нижней частей испытываемого движительного комплекса и нагрузок, а также ограничение испытаний по мощности.

Техническими задачами заявляемой группы изобретений являются определение вибрационных характеристик испытываемого движительного комплекса во всех эксплуатационных режимах нагрузки и различных углах взаимной ориентации осей вала гребного электродвигателя, вала колонки, гребного вала на этапе изготовления комплекса, до установки на судне, а также контроль температуры трущихся деталей и подшипников, отслеживания пятна контакта зубчатых зацеплений и выявление неправильной установочно-сборочных операций, проявляющихся в виде повышенных вибраций, перегревов трущихся деталей и подшипников.

Заявляемые изобретения основаны на методе взаимного нагружения, который позволяет провести испытания судовых движительных комплексов практически любой мощности - до 15-28 МВт без подвода большой мощности (15-28 МВт). Данный метод применим как для механических ВРК, ПУ, так и для электрических. В случае механических ВРК, ПУ в качестве привода вместо двигателя внутреннего сгорания используется электродвигатель, не являющийся объектом испытаний, но средством, обеспечивающим метод взаимного нагружения.

Техническими результатами заявляемой группы изобретений являются получение достоверных результатов диагностики, контроля, проверки работоспособности движительного комплекса до поставки на верфь, то есть составные части комплекса «встречаются» и отрабатываются до установки на судне и до спуска на воду, что сокращает сроки строительства судна, снижает сроки и стоимость пуско-наладочных работ на объекте, снижает риск выявления дефектов и отклонений на этапе швартовных, ходовых испытаний и возникновения затрат, связанных с устранением причин отклонений. Более простой способ установки контрольно-измерительной аппаратуры (датчиков контроля вибрации, температуры, момента) и устройств имитации эксплуатационных воздействий на погружной части.

Испытания судовых движительных комплексов - подруливающих устройств (ПУ) и винторулевых колонок (ВРК) мощностью от 100 кВт до 3,5 (15-20) МВт проводятся для того, чтобы проконтролировать параметры вибрации движительного комплекса в целом в допустимых величинах, а именно, что во всех эксплуатационных режимах мощности и ориентации ВРК и ПУ превышения показателей вибрации и механические резонансы отсутствуют.

Дополнительным техническим результатом заявляемой группы изобретений является обеспечение безопасности для обслуживающего персонала.

Технические результаты обеспечиваются за счет реализации способа испытаний судовых движительных комплексов, заключающегося в том, что нагрузочную электрическую машину, в качестве которой используют судовой движительный комплекс, подключают через редуктор или переходную муфту к зафиксированному валу винта испытываемого движительного комплекса, ось которого лежит в горизонтальной плоскости, устанавливают ось гребного вала электродвигателя и вала винта испытываемого движительного комплекса на угол в диапазоне от 0 до 360° относительно друг друга, создают воздействия на вал винта упорным устройством, имитирующим создание тяги гребного винта и обеспечивающим механическое давление электрическим или механическим или гидравлическим способом на упорный подшипник, которым передается давление на гребной вал, измеряют уровень вибраций и фиксируют результаты в режиме реального времени, при этом к валу винта испытываемого движительного комплекса крепление датчика измерения момента осуществляют через компенсационные кольца, нагружаемую электрическую машину и/или испытываемый движительный комплекс снабжают датчиками вибрации и температуры.

Силу упора устанавливают в соответствии с тяговой характеристикой гребного винта, что обеспечивает точность проведения испытаний.

Регулирование угла в диапазоне от 0 до 360° оси вала электродвигателя и вала гребного винта испытываемого движительного комплекса осуществляют посредством штатной системы управления испытываемого движительного комплекса.

Нижнюю часть испытываемого движительного комплекса размещают в приямок испытательного цеха, что обеспечивает безопасность для обслуживающего персонала.

В качестве нагрузочной электрической машины используют аналогичный комплекс испытываемому движительному комплексу ПУ, ВРК. Нагрузочная электрическая машина подключается к испытываемому движительному комплексу посредством соединения валов винта.

После чего устанавливают ось вала электродвигателя и вала винта испытываемого движительного комплекса относительно друг друга на угол в диапазоне от 0 до 360°, создают давление на вал винта редуктора нижней части испытываемого движительного комплекса, при этом испытываемый движительный комплекс и/или нагружаемую электрическую машину снабжают датчиками вибрации, далее измеряют уровень вибраций, обрабатывают полученные результаты.

Кроме того, технические результаты обеспечиваются за счет реализации стенда для испытаний судовых движительных комплексов, содержащего нагрузочную электрическую машину, в качестве которой используют судовой движительный комплекс, выполненную с возможностью подключения через переходную муфту к зафиксированному валу винта испытываемого движительного комплекса. При этом ось вала гребного электродвигателя и вала винта испытываемого движительного комплекса устанавливается на угол в диапазоне от 0 до 360° относительно друг друга. Кроме того стенд содержит инвертор, выполненный с возможностью подключения к электрической машине испытываемого комплекса и обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и входящий в частотный преобразователь, работающий в режиме приемника мощности, при этом содержит выпрямитель, выполненный с возможностью подключения к нагрузочной электрической машине и обеспечивающий преобразование переменного в постоянное напряжение и входящий в частотный преобразователь, работающий в режиме двигателя, причем нагружаемая электрическая машина содержит датчики вибрации и температуры, которые соединены с устройством сбора, обработки и визуализации полученных результатов и с системой управления.

На фигуре 1 представлен схема стенда для испытаний судовых движительных комплексов. Вид сбоку.

Испытываемый движительный комплекс 1, например, винторулевая колонка, крепится на стенд, нижняя часть конструкции закрепляется на неподвижной платформе, а верхняя часть монтируется на платформе, поворачивающейся относительно нижней части конструкции на 360°. На верхнюю поворотную платформу устанавливается двигатель 2. При этом с вала ВРК, расположенного в нижней части конструкции, снимают гребной винт. Вместо винта ставят датчик измерения момента 3. Для обеспечения моделирования поведения вала с гребным винтом, устанавливают упорное устройство 4, обеспечивающее механическое давление электрическим или механическим или гидравлическим способом на упорный подшипник, которое передает давление с пресса на гребной вал. При этом обеспечивают давление именно на вал винта, что повышает достоверность определения вибрационных характеристик испытываемого движительного комплекса 1.

Для моделирования воздействия, нижняя часть испытываемого движительного комплекса 1 ориентируется постоянно и неподвижно, она нагружается, а верхнюю часть устанавливают под разными углами, тем самым моделируя работу вала гребного электродвигателя под разными углами в диапазоне от 0 до 360° относительно вала гребного вала. Тем самым постоянно нагружают и формируют все возможные положения, которые присущи работе на судне. Таким образом, вращением можно нагрузить мощность на вал, соответствующей частоте вращения вала. Для имитации тяговой характеристики винта используют упорное устройство 4, имитирующее работу винта. Силу упора устанавливают в зависимости от частоты вращения гребного вала с учетом шага винта, тем самым имитируя эксплуатационную тяговую характеристику винта. Затем, если испытывается ВРК, то осуществляют поворот верхней части и повторяют нагрузку. Управление частотой вращения, направлением вращения и поворотом колонки (для ВРК) осуществляют посредством системы управления поворотом ВРК, а в случае ее отсутствия средствами управления испытательного стенда.

С целью безопасности нижнюю, неподвижную часть испытываемого движительного комплекса 1 заглубляют в пол (размещают в приямок) испытательного цеха для обособления вращающихся с большой кинетической и потенциальной энергией элементов конструкции испытываемого движительного комплекса 1.

Нагрузочная электрическая машина может подключаться через редуктор 5, аналогичный тому, который используется в испытываемом движительном комплексе 1, или напрямую посредством переходных муфт, компенсационных колец через датчик измерения момента 3, к валу винта в корпусе нижнего редуктора 5, который также фиксируют в нижней части испытываемого комплекса. Применение компенсационных колец позволяет устранить несоосность валов, когда их центры вращения не расположены вдоль одной прямой, а расположены под углом или параллельно друг к другу, или даже перекрещиваются в пространстве. Применение датчиков температуры позволяет контролировать перегрев нагружаемых деталей. Использование датчиков измерения момента 3 позволяет устанавливать режим испытаний, сходный с эксплуатационными воздействиями.

Размещение датчиков вибрации в критических узлах конструкции движительного комплекса 1 позволяет измерить значения вибраций во всем диапазоне нагрузок при в различных эксплуатационных положениях осей вала гребного электродвигателя и вала винта с одновременным учетом напряжений, возникающих при имитации вращающегося гребного винта.

Электроэнергия, вырабатываемая нагрузочной электрической машиной, используется для электропитания гребного электродвигателя движительного комплекса 1, тем самым достигается возможность проведения испытаний движительных комплексов большой мощности при меньших энергетических затратах. Потребление электроэнергии из внешней сети необходимо только для компенсации потерь в каждом элементе испытательного комплекса.

Измерение мощности, потребляемой из сети, является суммой потерь во всех элементах испытательного комплекса. Зная потери в электротехнических элементах комплекса (частотных преобразователях), предоставляется возможность оценить КПД в механических элементах испытываемого движительного комплекса 1.

В качестве нагрузочной электрической машины может использоваться электродвигатель другого движительного комплекса, при этом между нагрузочной электрической машиной и валом винта испытываемого движительного комплекса 1 устанавливается муфта перехода с вала винта на датчик момента 3, далее муфта перехода с датчика момента на вал винта другого движительного комплекса 1, в составе которого применена нагрузочная электрическая машина.

Вращающийся винт создает упор и силу, направленную вдоль оси вала винта. Вал винта упирается в упорное устройство 4, являющееся частью конструкции движительного комплекса 1 и жестко соединенного с корпусом судна. В условиях отсутствия винта и бассейна с водой для имитации силы и направления гребного винта устанавливают упор, который может быть как гидравлическим, так и механическим, и силу которого регулируют соответствующим образом на основе тяговой характеристики предполагаемого винта.

Заявляемое изобретение позволяет оценить собираемость и комплектность объектов испытаний, отработку монтажно-сборочных операций ПУ, ВРК до их установки на судне, позволяет выявить и произвести отработку критических режимов работы движительных комплексов на более ранних стадиях, до спуска судна на воду и проведения швартовных, ходовых испытаний и может применяться как для моделирования работы комплекса с различными гребными винтами и контроля изготовления новых комплексов, так и для контроля оборудования после ремонта, как комплекса оборудования, так и отдельных его частей (гребной электродвигатель), редуктор, система управления, а также проведения периодических испытаний.

Проведение сборки и комплексных испытаний подруливающего устройства (ПУ) или винторулевой колонки (ВРК) до установки на судне позволяет минимизировать риск выявления проблемных вопросов в ходе постройки судна, швартовных, ходовых испытаний и эксплуатации.

Изобретение относится к области комплексных испытаний судовых движительных комплексов. Стенд для испытаний судовых движительных комплексов содержит нагрузочную электрическую машину, инвертор. В качестве машины используют судовой движительный комплекс, выполненный с возможностью подключения через переходную муфту к зафиксированному валу винта испытательного комплекса. Инвертор выполнен с возможностью подключения к машине и входит в частотный преобразователь. Преобразователь работает в режиме приемника мощности, содержит выпрямитель, выполненный с возможностью подключения к машине. Машина содержит датчики вибрации и температуры, соединенные с устройством сбора, обработки и визуализации полученных результатов и с системой управления. Способ испытаний комплексов заключается в том, что машину подключают через редуктор или переходную муфту к зафиксированному валу винта испытательного комплекса. Устанавливают ось вала гребного электродвигателя и вала винта испытываемого комплекса, лежащую в горизонтальной плоскости, на угол от 0 до 360° относительно друг друга. Создают воздействия на вал винта упорным устройством. Измеряют уровень вибраций и фиксируют результаты в реальном времени. На вал винта испытательного комплекса размещают компенсационные кольца и датчик измерения момента. Машину и/или испытываемый комплекс снабжают датчиками вибрации и температуры. Упорное устройство имитирует создание тяговых характеристик гребного винта и обеспечивает механическое давление на упорный подшипник вала винта, которым передается давление на гребной вал. Достигается возможность определения вибрационных характеристик испытываемого движительного комплекса во всех эксплуатационных режимах нагрузки и различных углах взаимной ориентации осей вала гребного электродвигателя, вала колонки, гребного вала на этапе изготовления комплекса, до установки на судне. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ испытаний судовых движительных комплексов, заключающийся в том, что нагрузочную электрическую машину, в качестве которой используют судовой движительный комплекс, подключают через редуктор или переходную муфту к зафиксированному валу винта испытательного движительного комплекса, ось которого лежит в горизонтальной плоскости, устанавливают ось вала гребного электродвигателя и вала винта испытываемого движительного комплекса на угол в диапазоне от 0 до 360° относительно друг друга, создают воздействия на вал винта упорным устройством, имитирующим создание тяговых характеристик гребного винта и обеспечивающим механическое давление на упорный подшипник вала винта, которым передается давление на гребной вал, измеряют уровень вибраций и фиксируют результаты в реальном режиме времени, при этом на вал винта испытательного движительного комплекса размещают компенсационные кольца и датчик измерения момента, нагружаемую электрическую машину и/или испытываемый движительный комплекс снабжают датчиками вибрации и температуры.

2. Способ испытаний судовых движительных комплексов по п. 1, отличающийся тем, что регулирование угла в диапазоне от 0 до 360° оси вала электродвигателя и вала гребного винта испытываемого движительного комплекса осуществляют посредством штатной системы управления испытываемого движительного комплекса.

3. Способ испытаний судовых движительных комплексов по п. 1, отличающийся тем, что нижнюю часть испытательного движительного комплекса размещают в приямок испытательного цеха.

4. Стенд для испытаний судовых движительных комплексов, содержащий нагрузочную электрическую машину, в качестве которой используют судовой движительный комплекс, выполненную с возможностью подключения через переходную муфту к зафиксированному валу винта испытательного движительного комплекса, при этом ось вала гребного электродвигателя и вала винта испытываемого движительного комплекса устанавливается на угол в диапазоне от 0 до 360° относительно друг друга, кроме того, содержит инвертор, выполненный с возможностью подключения к электрической машине испытываемого комплекса и обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и входящий в частотный преобразователь, работающий в режиме приемника мощности, при этом содержит выпрямитель, выполненный с возможностью подключения к нагрузочной электрической машине и обеспечивающий преобразование переменного в постоянное напряжение и входящий в частотный преобразователь, работающий в режиме двигателя, причем нагружаемая электрическая машина содержит датчики вибрации и температуры, которые соединены с устройством сбора, обработки и визуализации полученных результатов и с системой управления.

5. Стенд для испытаний судовых движительных комплексов по п. 4, отличающийся тем, что нагрузочная электрическая машина содержит редуктор.