船用泵摇摆条件下的性能测试装置

摘要

本发明属于流体机械实验领域，涉及船用泵摇摆条件下的性能测试装置，主要包括摇摆台、船用泵、水听器、压力传感器、加速度传感器、数据采集仪、变频控制柜；所述摇摆台包括摇摆架、驱动电机、减速器、飞轮、支架、支撑板、定位刻度板和摇摆台底座；所述船用泵通过底脚螺栓固定在摇摆台上，摇摆台固定在水泥座上，利用变频控制柜控制驱动电机即可驱动所述摇摆台运转，本发明可以进行船用泵多工况、多倾斜角度和多摇摆周期及幅度下的外特性、振动、噪声和压力脉动试验；该装置结构简单、安装方便、适用范围广、操作容易、精度较高，并可进行外特性、振动、噪声和压力脉动信号的同步测试，为进行船用泵倾斜和摇摆条件下的性能试验提供了有效的手段。

说明书

技术领域

本发明涉及流体机械实验领域，特指用于船用泵倾斜和摇摆条件下的外特性、振动、噪 声和压力脉动研究的试验装置。

背景技术

舰船摇摆是指舰船绕轴线所作的周期性角位移运动。舰船是水上的浮动体，无论是航行 还是停泊时，都会随着风浪产生摇摆和倾斜。

在海洋条件下，船体在风、海浪等因素的作用下会产生摇摆，而船用泵及其管道内的介 质会产生附加加速度，附加惯性力，使得工质产生周期性波动，影响流动的非定常特性或者 动态响应特性，同时摇摆环境下船用泵运行时的受力变化也同样会导致水力机械水力性能降 低，同时加剧振动和噪声等。研制并运用船用泵摇摆试验装置，可以在实验室中将船用泵随 舰船摇摆的姿态和运动真实的表现出来，通过试验确定船用泵在倾斜和摇摆环境中使用的适 应性；同时以陆地试验取代海上试验，大大降低了试验成本，缩短了研制周期。

目前，各发达国家都投入了大量的人力物力从事各种摇摆试验台的研制。美国海军水面 作战中心Carderock分部研制了电液驱动的摇摆台，日本Toyota和德国Benz汽车公司研制的 汽车驾驶仿真器等。我国摇摆台研制起步较晚，但发展比较迅速。南京电子技术研究所设计 了某舰载雷达大型摇摆试验台，为雷达天线系统提供一个模拟舰体的试验台；北理工、哈工 大等院校也研制了飞机模拟器运动平台，以及上海2010世博会上展出了地震模拟台等。这 些摇摆台是集机械、液压、控制技术和传感器检测技术于一体的综合性测试设备，虽然可以 实现多自由度运动模拟，但是结构复杂，造价非常高，操作使用困难，且出现故障难以排查， 故不易推广使用。

因此，很有必要针对船用泵这一特定类型泵提出一种简单易行的摇摆试验装置。为此， 首先设计一由轴承支撑的摇摆台，把船用泵安装在摇摆台上，通过电机驱动其运行，利用仪 表、传感器对其性能进行实时监测，即可得出在倾斜和摇摆条件下船用泵的性能变化，以研 究船用泵在倾斜和摇摆环境中使用的适应性。该装置已加工出实物，并运行良好。目前尚无 针对船用泵摇摆试验装置的专利公布。本发明以在舰船上应用较多的船用立式离心泵为例进 行说明，本发明亦可应用到其它类型泵。

发明内容

本发明提供一种用于船用泵倾斜和摇摆条件下的外特性、振动、噪声和压力脉动研究的 试验装置。

本发明通过以下技术方案来实现：船用泵摇摆条件下的性能测试装置，包括计算机、数 据采集仪、变频控制柜、摇摆台、船用泵、水箱、进口管路、出口管路、水听器、加速度传 感器、压力传感器和水泥座；

所述摇摆台包括摇摆架、驱动电机、减速器、飞轮、连杆、销、支架、定位刻度板、轴 承、支撑板、弹簧、摇摆台底座和螺栓孔；所述飞轮包括飞轮盘和销孔，所述销孔设于飞轮 盘上不同半径处；所述摇摆架由飞轮连杆机构带动，动力由驱动电机经由联轴器连接减速器 输入；所述摇摆架的底部平台上开有螺栓孔，用于安装固定船用泵；所述连杆通过销和销孔 配合连接飞轮和摇摆架；通过改变飞轮上销孔的位置调节摇摆架的最大摆角；所述驱动电机 和减速器由支架支撑固定在摇摆台底座上；所述支撑板通过轴承连接安装在摇摆架两侧，并 固定在所述摇摆台底座上；所述弹簧安装于摇摆架与底座之间，可提供最大摆角下的回复力 并能缓冲冲击；所述定位刻度板上开有孔并刻有角度数值，达到某一角度时可插入销子定位； 所述摇摆台底座用于支撑摇摆台及与水泥座连接固定；

所述船用泵包括蜗壳、底座、进口法兰、出口法兰和电机线缆；所述蜗壳上开螺纹孔， 用于连接所述压力传感器，所述压力传感器通过数据线连接所述数据采集仪；所述蜗壳上装 有所述加速度传感器，所述进出口法兰处和所述泵底座四角各装1个所述加速度传感器，所 述加速度传感器通过数据线连接所述数据采集仪；所述电机线缆一端与所述船用泵连接，另 一端与所述变频控制柜连接；

所述水箱包括箱体、进排水管路、出水接头、回水孔和水箱平台；所述箱体下部有两个 螺纹接头，一个为所述出水接头，另一个接所述进排水管路，所述出水接头与泵进口管连接， 所述进排水管路其接头尽量靠近箱体下部；所述回水孔与出口管路连接，用于所述出口管路 回水；所述水箱平台支撑所述水箱，并保持进口管路水平；

所述进口管路包括进口管、进口控制阀、进口压力变送器和进口取压孔及接头；所述进 口管包括第一进口管段、第二进口管段和进口波纹软管，所述进口波纹软管连接所述船用泵 的进口法兰；所述第二进口管上设有所述进口取压孔及接头；所述进口取压孔及接头与进口 压力变送器的一端连接，所述进口压力变送器的另一端与所述数据采集仪的输入端连接；

所述出口管路包括出口管、出口控制阀、电磁流量计、出口压力变送器和出口取压孔及 接头；所述出口管包括第一出口管段、出口波纹软管及后续出口管段，所述第一出口管段连 接所述船用泵出口法兰和所述出口波纹软管；所述第一出口管路开有螺纹孔，用于连接所述 水听器；所述出口管上还设有取压孔及接头，所述出口取压孔及接头与所述出口压力变送器 的一端连接，所述出口压力变送器的另一端与所述数据采集仪的输入端连接；所述数据采集 仪的输出端与所述计算机连接。

上述方案中，所述船用泵通过螺栓插入所述螺栓孔将所述底座固定安装在所述摇摆架底 部平台上。

上述方案中，所述摇摆台底座必须与所述水泥座一起浇铸或通过底脚螺栓连接固定。

上述方案中，所述进口管路、出口管路均要有支撑架进行可靠地支撑固定。

上述方案中，所述进口取压孔及接头与所述进口管在同一水平位置上。

上述方案中，所述出口取压孔及接头设置在所述出口管段的水平管段上。

上述方案中，所述进排水管路上还安装有所述进排水控制阀，所述进排水控制阀为快开 阀门。

上述方案中，所述变频控制柜通过控制驱动电机用以调节所述摇摆台的摆动周期。

上述方案中，所述计算机安装有与所述数据采集仪配套的系统。

本发明的有益效果：

本发明针对船用泵设计了专用的摇摆试验装置，可以进行船用泵多工况多倾斜角度下和 多摇摆周期及幅度下的外特性、振动、噪声和压力脉动试验；所述摇摆台固定在水泥座上， 所述船用泵通过底脚螺栓固定在摇摆台上，通过所述变频控制柜控制驱动电机可控制摇摆台 的摆动周期，通过变换销插入的所述连杆与飞轮连接的销孔可调节摇摆台的最大摆角，通过 控制所述出口控制阀调节流量可改变所述船用泵的工况，所述出口压力变送器、进口压力变 送器和流量计采集压力数据和流量数据，所述水听器采集流体噪声声压信号，所述噪声加速 度和压力传感器采集振动和压力脉动信号传送到所述数据采集仪，所述计算机采集信号获得 相应数据，即可进行所述船用泵的摇摆性能测试，或者在所述摇摆架达到某一倾斜角度时将 销子插入所述定位刻度板上的孔进行定位以完成所述船用泵的倾斜试验；本发明结构简单、 安装方便、适用范围广、操作容易、精度高，并可进行外特性、振动、噪声和压力脉动信号 的同步测试，为船用泵倾斜和摇摆条件下的外特性试验以及振动、噪声和压力脉动试验测试 提供了有效的手段，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是船用泵摇摆试验装置示意图；

图2是图1所示摇摆台示意图；

图3是图1所示测点分布示意图。

图中：1计算机，2数据采集仪，3变频控制柜，4摇摆台，401摇摆架，402驱动电机， 403减速器，404飞轮，4041飞轮盘，4042销孔，405连杆，406销，407支架，408定位 刻度板，409轴承，410支撑板，411弹簧，412摇摆台底座，413螺栓孔，5船用泵，501蜗 壳，502底座，503进口法兰，504出口法兰，505电机线缆，6水箱，601箱体，602出水接 头，603进排水管路，6031进排水管及接头，6032进排水控制阀，604回水口，605水箱平 台，7进口管路，701进口管，7011第一进口管段，7012第二进口管段，7013进口波纹软管， 702进口控制阀，703进口压力变送器，704进口取压孔及接头，8出口管段，801出口管， 8011第一出口管，8012出口波纹软管，8013后续出口管段，802出口控制阀，803电磁流量 计，804出口压力变送器，805出口取压孔及接头，9水听器，10加速度传感器，11压力传 感器，12水泥座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

船用泵摇摆条件下的性能测试装置，包括计算机1、数据采集仪2、变频控制柜3、摇摆 台4、船用泵5、水箱6、进口管路7、出口管路8、水听器9、加速度传感器10、压力传感 器11和水泥座12。

所述摇摆台4包括摇摆架401、驱动电机402、减速器403、飞轮404、连杆405、销406、 支架407、定位刻度板408、轴承409、支撑板410、弹簧411、摇摆台底座412和螺栓孔413； 所述摇摆架401由10#槽钢焊接而成，所述驱动电机402采用低速电机，对于不同的泵可更 换不同功率的低速电机，功率计算公式其中，F为所述船用泵在最大 角度下的水平分力，R为所述船用泵重心到两轴承中心的垂直距离，n为所述驱动电机转速； 所述减速器403采用蜗轮蜗杆减速器；所述飞轮404为厚度16mm钢制圆盘，其半径 r＝2Rsin22.5°，以驱动摇摆台摆幅≥±45°；所述连杆405采用M10螺丝杆，通过所述销406(直 径10mm)连接所述飞轮盘4041和摇摆架401(高度2/3处)；所述飞轮盘4041上0.25r、 0.5r和0.75r处开有所述销孔4042(直径12mm)，通过改变销406插入的连杆405与飞轮 404连接的销孔4042可调节摇摆架401的最大摆角；所述支撑板410采用16mm厚度的钢板， 其高度其中L为所述摇摆架宽度，以满足所述摇摆架401最大摆角的需求，焊接 在所述摇摆台底座412上，并通过所述轴承409(孔径25mm的外球面轴承)连接安装在所 述摇摆架401两侧以减少摇摆阻力；所述弹簧411采用不锈钢压缩弹簧，通过中心定位杆安 装于所述摇摆架401与所述摇摆台底座412之间(L/4和3L/4处)，以提供最大摆角下的回 复力并缓冲冲击；所述定位刻度板408上开有孔并刻有角度数值，角度数值与摇摆架的倾斜 角度一一对应，达到某一角度时可插入销子定位；所述摇摆台底座412用于支撑摇摆台4及 与所述水泥座12连接固定；所述摇摆架401的底部平台上所述螺栓孔413通径要与船用泵底 座螺栓孔一致。

所述船用泵5包括蜗壳501、底座502、进口法兰503、出口法兰504和电机线缆505； 所述蜗壳501上开有6个螺纹孔，用于连接压力传感器(P₁～P₆)，每个压力传感器通过数据 线连接所述数据采集仪2；所述蜗壳501上安装4个加速度传感器(M₁～M₄)，所述进口法 兰503、出口法兰504处和所述泵底座四角均安装1个加速度传感器(M₅～M₁₀)，每个加速 度传感器通过数据线连接数据采集仪2；所述电机线缆505一端与所述船用泵5连接，另一 端与所述变频控制柜3连接。

所述水箱6包括箱体601、出水接头602、进排水管路603、回水孔604和水箱平台605； 所述水箱6的容量要足够满足系统循环使用要求；所述出水接头602通径要与所述进口管路 7通径一致；所述进排水管路603尽量靠近箱体下部，所述进排水管路603通过螺纹连接安 装有所述进排水控制阀6032，接头处必须保持密封；所述进排水控制阀6032为快开阀门； 所述回水孔604尺寸足够放入所述出口管路8；所述水箱平台605能够支撑所述水箱6，高度 可以保持进口管路701水平。

所述进口管路7包括进口管701、进口控制阀702、进口压力变送器703和进口取压孔及 接头704；所述进口管701包括第一进口管段7011、第二进口管段7012和进口波纹软管7013； 所述进口管701通径与所述进口法兰通径一致，且法兰均为不锈钢材质；所述进口波纹软管 7013材质内为波纹管外为金属丝，长度L₁≥20D₁(D₁为进口管径)，以满足运行时的摇摆幅 度；所述第二进口管段7012上有所述进口取压孔及接头704，所述进口取压孔及接头704与 进口管701在同一水平位置上，且接头处必须进行封胶处理以保证气密性。

所述出口管路8包括出口管801、出口控制阀802、电磁流量计803、出口压力变送器804 和出口取压孔及接头805；所述出口管801包括第一出口管段8011、出口波纹软管8012及后 续出口管段8013；所述出口管801通径与所述出口法兰通径一致，且法兰均为不锈钢材质； 所述第一出口管路8011在其法兰下游4D处开1个螺纹孔，用于连接水听器(H₁)；所述出 口波纹软管8012材质内为波纹管外为金属丝，长度L₂≥20D₂(D₂为出口管径)，满足运行时 的摇摆幅度；所述出口管段8013水平管段长度应不小于4D，在其法兰下游2D处开所述出 口取压孔及接头805，D为所述潜液泵出口502的直径；所述出口取压孔及接头805和所述 进口取压孔及接头704直径d＝2～6mm或1/10管径，取两者中的较小值，取压孔深度L>1.25d； 所述出口控制阀802为铜质闸阀，通径与所述出口法兰504一致；所述电磁流量计803型号 为DKS-LDE智能一体式电磁流量计，所述电磁流量计803前、后直管段长为3～5D。

所述船用泵5通过螺栓插入所述螺栓孔413将所述底座502固定安装在所述摇摆架底部 平台上。

所述摇摆台底座412必须与水泥座12一起浇铸或通过底脚螺栓连接固定。

所述进口管路701、出口管路801均要有支撑架进行可靠地支撑固定。

所述水听器9采用ST70型水听器。

所述加速度传感器10采用ICP型振动加速度传感器。

所述压力传感器11采用高频动态压力传感器。

所述数据采集仪2输入端通过信号线与所述出口压力变送器804、进口压力变送器703 和电磁流量计803连接，接收压力和流量的电信号，所述水听器9采集流体噪声声压信号， 所述加速度传感器10和压力传感器11采集振动和压力脉动信号，输出端与所述计算机1连 接，为配套系统提供实时输入信号，便于后续处理。

所述计算机1安装有与所述数据采集仪2配套的系统。

本发明的安装过程如下：

首先，焊接组装所述摇摆台4，然后将所述摇摆台4的底座412与水泥座12一起浇铸或 通过底脚螺栓连接固定，再将所述船用泵5吊装到摇摆架内，通过螺栓插入所述螺栓孔413 将所述底座502固定在所述摇摆架底部平台上。随后在所述进口管路7安装进口管701、进 口控制阀702、进口压力变送器703和进口取压孔及接头704，然后整体连接到所述水箱出水 接头602；在所述出口管路8安装出口管801、出口控制阀802、电磁流量计803、出口压力 变送器804和出口取压孔及接头805，并将管路尾端放入回水孔604；安装水箱进排水管路 603；最后安装各传感器并连接数据线并连接电机线缆；安装过程中所有法兰连接面均需加装 橡胶垫片，所有接头处均需保证密封性。

本发明的操作过程如下：

实验时，通过所述进排水管路603往所述箱体601内注水，注水完成后关闭所述进排水 控制阀6032；根据要求的最大摆角将所述销406插入连接所述连杆405与飞轮盘4041的所 述销孔4042，调节所述变频控制柜3内变频器以控制所述驱动电机402带动所述摇摆台4达 到要求的摇摆周期，打开所述计算机1上的系统采集信号获得相应参数；变换所述销406插 入的所述连杆405与飞轮盘4041连接的销孔改变摇摆台的摆角让其在摇摆幅度±5°、±15°、 ±25°、±35°和±45°下工作，在每一倾斜角度下调节所述变频控制柜3内变频器以控制驱动电 机402来改变所述摇摆台4的摆动周期使其在8s、10s、12s和14s下运转，再分别调节所述 出口控制阀802让船用泵在0.2Q、0.4Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q和1.2Q工况下运行，即可进行 所述船用泵5的多工况、多摇摆周期及幅度下的摇摆性能测试；亦可在所述摇摆架401达到 某一倾斜角度0°、±5°、±10°、±15°、±20°、±22.5°和±25°时将销子插入所述定位刻度板408 上的定位孔以进行所述船用泵5的多倾斜角度下的性能测试。把所述计算机1采集的相关外 特性、振动、噪声和压力脉动参数进行分组保存，而后进行数据处理、分析，即可得出结论。

本发明结构简单、安装方便、适用范围广、操作容易、精度高，并可进行外特性、振动、 噪声和压力脉动信号的同步测试，为船用泵倾斜和摇摆条件下的外特性试验以及振动、噪声 和压力脉动试验测试提供了有效的手段，具有很强的实用价值。