Датчики механических напряжений гребного вала и упора винта

Информация об упоре и моменте гребного винта важна для оценки состояния судна в условиях волнения и при тихой погоде. Мониторинг момента на гребном валу в штормовых условиях дает возможность установить, не превышает ли его амплитуда допустимую для двигателя. Знание упора винта и скорости хода позволяет оценить сопротивление движению судна при ветроволновых воздействиях и установить, не перегружен ли двигатель. При тихой погоде анализ этих величин является основой для заключений о степени обрастания корпуса. По измерениям упора и момента может также оцениваться состояние гребного винта. Знание потребления топлива и момента на гребном валу дает возможность в процессе плавания судить об эффективности двигателя.

Для измерений момента на гребном валу используются различные средства: электрические, волоконно-оптические и другие. Наибольшее распространение нашли устройства, основанные на применении тензорезисторов.

Рис.1. Блок-схема устройства для измерения момента

кручения на гребном валу

При нагрузке гребного вала возникает упругая деформация кручения, сопровождающаяся изменением напряженности его поверхности. Величина этих напряжений пропорциональна действующему на вал моменту. Направление наибольшего растяжения (сжатия) поверхностного слоя гребного вала при деформации кручения составляет угол к его осевой линии.

Рис. 2 Напряжения на валу

Для измерения момента нагрузки, на поверхности гребного вала (рис. 1) укрепляются четыре тензорезистора (ДН) с одинаковым сопротивлением. Вид двух их них показан на рис. 3.

Рис. 3 Парные тензорезисторы

Измерительные оси этих датчиков наклонены к оси вала под углом и . Тензодатчики соединяются по мостиковой схеме, на одну диагональ которого подается напряжение питания , а с другой снимается выходной сигнал , характеризующий момент на гребном валу. При отсутствии нагрузки плечи датчика сбалансированы и сигнальное напряжение равно нулю. При деформации кручения одна пара, напротив лежащих датчиков вместе с поверхностью вала подвергается растяжению (сопротивление датчиков увеличивается), а другая пара — сжатию (сопротивление датчиков уменьшается). Это приводит к нарушению баланса мостика, на его выходе появляется сигнальное напряжение, пропорциональное величине момента на гребном валу. Использование мостиковой схемы позволяет исключить влияние температуры на измерения, так как действие ее на плечи мостика взаимно компенсируется.

Передача на вращающийся гребной вал питающего напряжения и снятие с него результатов измерений выполняется помощью бесконтактных устройств. Для обеспечения тензометров питанием на гребном валу помещается роторная обмотка. Около нее на неподвижном по отношению к судну основании устанавливается статор. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое индуцируется в роторную обмотку. Снимаемое с роторной обмотки переменное напряжение преобразуется выпрямителём (В) в постоянное и подается на питание мостиковой схемы.

Сигнальное напряжение , характеризующее момент на гребном валу, очень мало. Поэтому для передачи его на статор используется специальная схема, включающая усилитель (У), преобразователь «напряжение-частота» (Н-Ч) и сигнальный виток. Роторная обмотка питания, выпрямитель, усилитель, преобразователь «напряжение-частота» и сигнальный виток размещаются на специальном кольце, укрепляемом на гребном валу. Снимаемый с преобразователя Н-Ч частотно­ модулированный выходной сигнал поступает на виток, с которого путем индукции передается на обмотку статора. Здесь сигнал измеряется. Результаты измерений передаются: в устройство обработки (накопитель) с целью последующего статистического анализа, а также на отображение.

Для представления результатов измерений и обработки используются аналоговые и цифровые индикаторы. Выходные данные могут передаваться на дисплеи, предназначенные для интегрированного отображения информации, характеризующей эксплуатационное состояние судна (рис. 4).

Рис. 4 Устройства отображения информации

Основанные на тензорезисторах устройства для, измерения момента на гребном валу изготавливаются рядом организаций. Примером служат фирмы VAF Instruments (Голландия) и KYMA (Норвегия). На рис. 5 приведены фотографии измерителей момента и частоты вращения гребного вала.

Рис. 5 Устройства для, измерения момента на гребном валу