船舶轴承负荷测试的新技术

大连理工大学研究生作业作业题目船舶轴承负荷测试的新技术课程名称现代舰船轮机工程学号姓名上交时间作业成绩授课教师船舶轴承负荷测试的新技术0绪论船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分，是唯一的传递主机动力，使船舶正常航行的组装部件。船舶推进轴系在运转中承受着复杂的应力和负荷。为确保轴系长期安全正常地运转，除在轴系设计时应保证具有足够的强度及刚度外，轴系应保持在合理的状态下，保证轴系在各轴段内的应力及载荷在合理范围之内，即要进行轴系合理校中。轴系合理校中，是指按校中计算的要求和方法，将轴系安装成某种状态（直线或曲线），使各轴段内的应力和各轴承上的负荷均处在允许范围之内，或具有最佳的数值，以保证轴系及与之相连接的机械（如主机曲轴、齿轮箱等）能持续正常地运转。图1表示的是某一船舶轴系校中模型。轴承1螺旋桨重量轴承3轴承2临时支撑1临时支撑2临时外力F飞轮重量大链条拉力千斤顶1千斤顶图1轴系校中模型由于各轴承间距不等、外力作用不同和轴承长度不等，作用在轴承上的负荷不同。大型船舶的螺旋桨质量很大，对轴承（特别是尾轴承）影响大，会出现很不合理的负荷分配，造成个别轴承负荷过重，即超过轴承许用压比，严重时造成烧瓦事故发动机最严重的机械故障。烧瓦会影响轴承的正常工作，进一步导致船舶轴系不能正常运转，从而无法保证船舶的正常航行。为了改善这种情况，一般采取两种措施其一，调正轴承间距，重新布置轴承位置；其二，当第一种方法调正无效时，可以调整轴承高度，使轴线变成曲线安装，以改善轴承负荷，这就是合理校中设计的内容。轴系校中的质量目标，主要有轴承负荷的合理分配、轴在轴承处的转角、主机输出端的弯矩和剪力等；其中比较容易测量的是轴承的负荷，如果各轴承的负荷满足计算要求，那么其他指标基本上也就满足了。因此，船舶轴系中轴承负荷的测试尤为重要。现在最常用的船舶轴承负荷测试的方法有两种千斤顶顶举法和电阻应变片测量法。1顶举法测量船舶轴承负荷11千斤顶顶举法测量原理图2为千斤顶顶举法示意图，船舶轴系一般安装成直线状态，由于轴系自重作用以及轴上的垂向载荷，在轴承的支撑作用下，轴有向下的位移。采用千斤顶顶举法测量轴承负荷，就是在轴系的某一位置J1放置液压千斤顶，将轴逐渐顶起，使被测轴承与轴颈完全脱开，轴的位移逐渐减小为零。此时千斤顶代替了轴承的作用，千斤顶的负荷即为被测轴承受到的载荷。图2千斤顶顶举法示意图通过千斤顶顶举法试验，绘制图3所示的顶举曲线，纵坐标为轴的位移量，横坐标为千斤顶负荷。分别记录千斤顶加载和卸载过程中轴的位移和千斤顶的负荷，再绘制顶举曲线，从而求出轴位移为零时对应的千斤顶负荷，就是被测轴承所承受的负荷。图3顶举曲线由于滞后的影响造成顶举过程中所测出的上升曲线与下降曲线不重合，因此在确定千斤顶负荷时，应该取其平均值。所以千斤顶代替被测轴承（且轴的位移为零时）的负荷R0可以按照公式11计算。R0AB/2式1112顶举法的试验仪器和操作过程图4表示的是顶举法的操作示意图，千斤顶布置在靠近轴承的轴下方，千斤顶和轴之间的压力传感器用来测量千斤顶的负荷，测量轴位移的千分表布置在轴上同一截面的上方，通过给千斤顶加载和卸载，观察和记录压力传感器和千分表的示数，根据记录数据绘制顶举曲线。图4顶举法操作示意图图5所示的是两种不同的压力传感器，用来测量千斤顶负荷，图6所示的为数显千分表，是一种位移传感器，用来测量轴的位移。图5压力传感器图6数显千分表（位移传感器）图7表示的是顶举法的实际操作图，压力传感器布置在千斤顶和轴之间，操作时要注意千斤顶顶举支点、千分表杆的触点必须在同一轴颈截面上的最低点与最高点的上下对称中心点上，千分表支架应该单独装在不受中间轴及千斤顶影响的位置。图7顶举法的实际操作图采用顶举法检验时，应对被测轴承逐个进行，检测设备应正确安装并准确调零。在升压与降压过程中，应记录千斤顶压力和千分表的稳定读数，并绘制顶举曲线图。注意不应在千斤顶上升过程中降压，也不能在下降过程中升压。被测轴承实际负荷为（AB）/2。如果（BA）04（AB）/2，则说明测量的数据不理想，建议重测。顶举法的优点顶举法测量轴承负荷设备简单，操作方便，可以结合压力传感器进行测量，提高测量结果的准确性，已在国内外各修造船厂被广泛应用。顶举法缺点顶举法测量时液压千斤顶应该布置在轴承附近，而一些船舶的尾轴承可能会封装在尾轴管区域内，导致在实际轴承负荷测量中，计算书中要求的千斤顶安装位置有时并不适合安放千斤顶。而通过移动千斤顶来测量轴承负荷，造成顶举系数的错误使用，不能得出准确的轴承负荷值。此外，在千斤顶顶举法测量轴承负荷中存在各种影响因素，测量精度有限。2电阻应变片法测量船舶轴承负荷21电阻应变片法测量原理借助电阻应变片及应变仪测量出被测点的应变，如图8中的C截面处，根据测量得到的应变值和公式求出被测点的应力，再根据公式E/A求出被测点的弯矩，然后按连续梁的性质计算出轴系有关截面上的弯MW矩，最后按梁的力学平衡条件计算出轴承实际负荷。图8尾轴轴系示意图（单支点）电阻应变片的连接方式为二片半桥法，一组应变片（两个）分别布置在轴的同一截面的两端，如图9所示，一般在同一段轴的三个截面处分别布置三组应变片。图9二片半桥法在进行单支承轴系校中计算时，一般支点位置取在1/71/3L处，如何精确地确定支点位置，目前仍未形成统一的结论，近似的计算不能真实地反映尾轴承实际受力情况。此外，在轴系投入运转后，尾轴承支点位置是处于不断的变化之中。由此可以看出，准确计算出后尾轴承的支点位置非常重要，而利用电阻应变片法可以计算出后尾轴承的支点位置，具体原理如下。图8和图10分别为尾轴的轴系示意图和受力图，图8中假定支点O点与轴承端点A点之间的距离为待求量，图10中Q1Q6表示的是距离，具体如下X11211Q/2ABLA2/X31214/QAX51622/LXA图10尾轴受力图（单支点）计算思想利用两种方法分别表示出O点的支反力R1，然后联立后求解出。X方法一图10中，对于左边的轴段（从最左端到C点），列出C点的力矩平衡方程112123451210RBXAMQQQQQPABX解得11234512112XXA方法二对于中间的轴段（CD），列出D点的力矩平衡方程12612120MQQFLAX解得121621FMQQLAX对于左边的轴段（从最左端到C点），列出力平衡方程R1F1P1P2Q1Q2Q3Q4Q50解得R1F1P1P2Q1Q2Q3Q4Q5根据方法一和方法二计算出的R1应该相等，联立解出1213452123451211345FPQBXAMQQPABXXFPQ利用上述公式求出的即为后尾轴承支点的位置，可以看出，利用电阻应X变片法可以测量和计算出后尾轴承支点的位置以及各个轴承负荷。22电阻应变片法测量仪器和试验操作图11所示的是电阻应变仪，用来测量被测点的应变，桥路设置时采用二半桥法，可以同时显示四个应变片的应变值。图12为电阻应变片，测量时，人工控制轴的转动，使轴每次转动90，记录电阻应变仪的示数，轴一共转动720。利用所测的应变值求出被测点的弯矩，然后按连续梁的性质计算出轴系有关截面上的弯矩，最后按梁的力学平衡条件计算出轴承实际负荷。图11电阻应变仪图12电阻应变片电阻应变片法的优点千斤顶法由于受到轴系结构的限制，实船条件下只能对几个中间轴承实现测量，有一定的局限性，而电阻应变片法则很少受到轴系结构的限制，能够对轴系全部轴承负荷实现测量，且易于实船实施，测量精度也较高。电阻应变片法缺点成本比千斤顶法高，操作和计算也比千斤顶法复杂。3轴承负荷计算软件平台开发利用前面所述的两种测量轴承负荷的方法，可以开发轴承负荷计算软件平台。本软件平台是基于轴承负荷计算原理，开发的轴承负荷计算软件系统；通过在可视化界面中输入轴系基本参数、测量数据，可即时计算获得各轴承负荷值、后尾轴承负荷分布情况与支点位置，方便进行轴承负荷信息的计算与管理。图14表示的是该软件平台的前处理模块，图15表示的是应变片法计算轴承负荷模块。图14前处理模块图15应变片法计算轴承负荷模块4船舶轴承负荷测试新技术的猜想针对目前的轴承负荷测试方法的不足，以及其他新技术的兴起，个人提出了船舶轴承负荷测试新技术的两点猜想。新技术一无线电阻应变仪由于上述的两种方法都只能测量船舶轴系在静态（轴系不运转）时的轴承负荷，无法对船舶轴系运转时的轴承负荷进行判断，因此需要开发新技术来测量动态时的轴承负荷。现在采用的电阻应变片法需要通过电线来连接应变片和电阻应变仪，所以不能在轴系运转时测量。而目前无线传感器技术已经应用在测量船舶轴系的转速等方面，如图17，所以可以利用这种技术，开发无线的电阻应变仪，并可以将测量的应变数据实时传输给PC客户端，从而测量船舶轴系运转状态时的轴承负荷，为船舶轴系的合理校中提供进一步的保障。图17无线传感器测量轴速新技术二利用X射线和超声波法测定轴表面应力目前，X射线和超声波法广泛应用于测定材料内部的残余应力，考虑是否可以应用于直接测定轴上的应力，然后计算轴承负荷。X射线残余应力测定方法是一种间接方法，它是根据衍射线条的角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力。由于X射线只能照射深度1030M左右的表层，所以X射线法测定的是表面二维的平面应力。超声波法是利用声双折射现象的，一个各向同性固态介质我们通常假定所测试样品为各向同性的，在应力的作用下，是具有声弹性的和磁性相似。即在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化，也就是由于应力的存在引起了各向异性。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时，超声波仅只分解成两个方向的超声波反射波和折射波，见图18。由于发射和检测超声波方法的改进，从而提出了各种方法以测定应力引起的声双折射、声传播速度变化及超声频谱变化，测量出这些变化以后便可计算出作用在物体上的外力或残余应力。图18超声波法测量原理图利用X射线和超声波法测定轴表面应力的思路首先在轴系安装前，选择轴表面上的被测点，利用X射线和超声波法测量轴不受载荷时被测点的残余应力1；然后在轴系安装完成后，测量被测点的总应力2，二者差值就是由轴承负荷引起的被测点的应力值；最后按照上述电阻应变片法中同样的计算思想，求出轴承的实际负荷。直接测量应力，不仅可以提高测量精度，也能减少计算量。虽然这种方法中，X射线和超声波法的测量仪器在实际测量轴应力时，会存在操作困难，但是这种猜想可以为新技术的实现提供一定的思路。5小结轴承负荷计算是船舶轴系合理校中的重要内容，本文通过介绍顶举法和电阻应变片法测量船舶的轴承负荷的原理和方法，进一步指导轴承间距或者高度的调整，改善轴承负荷，从而保证船舶推进轴系的安全性。此外，文中提出了采用无线电阻应变仪的开发，为实现船舶轴系运转状态下的轴系校中提供了一定的思路；以及利用X射线和超声波法测定应力的新猜想，提高轴承负荷的测量效率。参考文献1张洪田，王传溥，张天元船舶轴系合理校中的应变片检测技术J船舶工程，1989年6月32郑定育船舶轴系顶举试验实践J中国水运，2011年4