張利軍

基于頂舉法的船舶推進(jìn)軸系負(fù)荷測(cè)試方法研究

張利軍

0 引言

軸系較中就是按一定的要求和方法，將軸系敷設(shè)成某種狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的軸系，其全部軸承上的負(fù)荷及各軸段內(nèi)的應(yīng)力都處于允許范圍之內(nèi)，或具有最佳的數(shù)值，從而可保證軸系持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。為此，應(yīng)在軸系的各種工作狀態(tài)下，對(duì)各軸承的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)每次測(cè)量結(jié)果，調(diào)整負(fù)荷較大的軸承高度，保證各軸承的負(fù)荷都具有較小的數(shù)值，維持軸系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)頂舉法的軸承負(fù)荷測(cè)量原理，構(gòu)建船舶推進(jìn)軸系軸承負(fù)荷的測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合頂舉曲線，總結(jié)出頂舉系數(shù)的計(jì)算方法和頂舉法測(cè)量軸承載荷的具體方法。

1 頂舉法的軸承負(fù)荷測(cè)量工作內(nèi)容

頂舉法測(cè)量軸承負(fù)荷設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，可以結(jié)合壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法已在國(guó)內(nèi)外各修、造船廠得到廣泛應(yīng)用。頂升法是一種有效的軸承負(fù)荷計(jì)算方法，該方法通過記錄頂軸過程中軸的升高量，再進(jìn)行計(jì)算分析得到軸承的實(shí)際負(fù)荷。

1.1 頂舉法測(cè)力工作原理

液壓千斤頂頂舉法測(cè)量軸系中某一軸承負(fù)荷，就是在該軸承附近安放一個(gè)液壓千斤頂，用它將軸逐步頂起，直到被測(cè)軸承與軸勁完全脫空[2]。在頂起軸的過程中，用百分表記錄軸的升高量，并同時(shí)記下千斤頂相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷值，繪制頂舉曲線，求得用千斤頂代替被測(cè)軸承時(shí)的頂升油壓值，換算為頂舉力后，乘以頂舉系數(shù)，即可得到被測(cè)軸承的實(shí)際負(fù)荷。

1.2 頂舉法測(cè)力方法

1.2.1 頂舉支點(diǎn)選擇及千斤頂?shù)陌仓?/h4>

千斤頂頂舉支點(diǎn)應(yīng)選擇盡可能靠近被測(cè)軸承的部分，如圖1所示。

圖1 千斤頂位置

頂舉前，在選定的頂舉支點(diǎn)處安置好千斤頂，并在軸與千斤頂頂頭之間安放滑鞍和墊塊，在頂舉支點(diǎn)對(duì)稱的位置上裝好百分表[3]。

1.2.2 頂舉測(cè)力的過程

1）頂舉前，將百分表調(diào)好零點(diǎn)，這時(shí)千斤頂剛剛與軸接觸，但不得使軸有絲毫頂起；

2）開始泵油，用千斤頂將軸徐徐地頂起，并不斷地記錄軸的位移量和相對(duì)應(yīng)的千斤頂油壓。通常是在軸承脫空后再頂升一段距離，但軸被頂起的高度不得超過軸承間隙；

3）緩慢地泄油，使軸徐徐地下降，同樣也要不斷地記錄軸的下降位移量和相對(duì)應(yīng)的千斤頂油壓，直到千斤頂完全不受力，軸回復(fù)到原位[4]。

1.2.3 頂舉過程注意事項(xiàng)

1）頂舉測(cè)量時(shí)，應(yīng)每個(gè)軸承單獨(dú)地進(jìn)行，不能幾個(gè)軸承同時(shí)頂舉；

2）放置千斤頂?shù)淖颖仨氂休^好的剛性，百分表架應(yīng)單獨(dú)裝在不受軸及千斤頂影響的位置上；

3）千斤頂頂舉支點(diǎn)、百分表?xiàng)U的觸點(diǎn)必須是同一軸頸截面上的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)；

4）應(yīng)保證軸在頂舉過程中不受任何阻礙，其軸上不得有其他外力作用；

5）在記錄時(shí)，應(yīng)在百分表指針穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)；

6）為能繪制出準(zhǔn)確的頂舉曲線，在記錄讀數(shù)時(shí)曲線斜率大的部分較之斜率小的部分多記錄幾次[5]。

2 軸承實(shí)際負(fù)荷的計(jì)算

用液壓千斤頂測(cè)得軸系各測(cè)量處的液壓值后，根據(jù)繪制的頂舉曲線求得頂舉力，再利用求得的頂舉力乘以頂舉系數(shù)得到所求軸承的實(shí)際負(fù)荷。

2.1 頂舉系數(shù)的計(jì)算

2.1.1 三彎矩方程

首先把船舶軸系看作一橫梁，計(jì)算梁的支座不等高(軸承有位移)所造成的變形。不計(jì)梁的自重及外載荷影響。

1）對(duì)于第i支座(圖2)，取第i支座左、右兩跨梁的脫離體?？闪谐鋈缦氯龔澗胤匠蘙6]：

圖2 計(jì)算梁示意圖

第i支座左跨梁右端的變形為：

第i支座右跨梁右端的變形為：

故得：

式中：Mi-1、Mi、Mi+1分別為第i-1、i、i+1支座截面的彎矩；yi-1、yi、yi+1分別為第i-1、i、i+1支座截面的位移。

2）對(duì)于軸系末端，為自由端，彎矩應(yīng)力為0，即：

3）對(duì)于軸系首端，如作為自由端處理，其彎矩為0，即：

如作為固定端處理，其轉(zhuǎn)角為0，即：

2.1.2 彎矩影響數(shù)的計(jì)算

應(yīng)用式（3）、式（4）、式（5）或式（6）計(jì)算。對(duì)于第j個(gè)支座，當(dāng)其變位1mm時(shí)，可列出含有n個(gè)(與軸承數(shù)相等)方程的線性方程組：

式中：Mij(i=m,j=1～n)為待求的彎矩影響數(shù)；Mij(i=n，j=1～m)為待求變量的系數(shù)，由已知Ei、li、及Ii計(jì)算而得，見式（1）～式（3）；Ci,n+1為常數(shù)項(xiàng)，由已知量li及第j軸承的變位量yj計(jì)算而得，見式（1）～式（3）。

由于軸系中任一個(gè)軸承變位均可列出一個(gè)線性方程組，故使第1軸承到第n軸承依次變位1mm，則可列出與軸承數(shù)相等的n個(gè)線性方程組，由每個(gè)線性方程組能求出全部軸承的彎矩影響數(shù)（n×n個(gè)）。

2.1.3 負(fù)荷影響數(shù)的計(jì)算

軸承負(fù)荷影響數(shù)，可根據(jù)所求得的彎矩影響數(shù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)?shù)趈軸承產(chǎn)生一單位位移則使第i-1、i、i+1三個(gè)支座處產(chǎn)生彎矩增量Mi-1、Mi、Mi+1，這時(shí)第i軸承的負(fù)荷增量為：

對(duì)于首尾兩個(gè)軸承：

為此，可寫出計(jì)算負(fù)荷影響數(shù)的通式：

式中：Aij(i=1～n,j=1～m)負(fù)荷影響數(shù)；Mij(i=1～n，j=1～m)彎矩影響數(shù)。

2.1.4 軸承頂舉系數(shù)的計(jì)算

式中：ABB為被測(cè)軸承B對(duì)自已的負(fù)荷影響數(shù)；AJB為被測(cè)軸承B對(duì)千斤頂J的負(fù)荷影響數(shù)，此時(shí)將千斤頂作為軸系的一個(gè)實(shí)際支承。

2.2 頂舉曲線的繪制及千斤頂負(fù)荷的確定

1）頂舉曲線的繪制

根據(jù)頂舉中所記錄的軸位移量及千斤頂負(fù)荷，可作出如圖3所示的頂舉曲線[7]。縱坐標(biāo)為軸的位移量，橫坐標(biāo)為千斤頂負(fù)荷，根據(jù)油壓按下式計(jì)算而得：

式中：d為千斤頂油缸柱塞的直徑，cm；b為油缸的油壓，N/cm2。

圖3 頂舉曲線

2）千斤頂載荷的確定

由于滯后的影響造成頂舉過程中所測(cè)出的上升曲線與下降曲線不重合，因此在確定千斤頂負(fù)荷時(shí)，應(yīng)取其平均值。故千斤頂代替被測(cè)軸承且軸的位移為 0時(shí)的負(fù)荷R0J可按下式計(jì)算：

式中：A、B見圖3，各由延長(zhǎng)線段ba及cd求得。

2.3 軸承實(shí)際負(fù)荷計(jì)算

取軸系部分軸段，如圖4所示，B為被測(cè)負(fù)荷的軸承，J為安置在此軸承附近的液壓千斤頂支承。

圖4 頂舉測(cè)量原理

1）使千斤頂J剛剛與軸接觸，此時(shí)千斤頂負(fù)荷RJ＝0。

2）使B軸承下降，在此過程中，B軸承的負(fù)荷RB將逐漸減小，且減小量可用下式求得：

千斤頂負(fù)荷RJ將逐漸增大，且增大量可用下式求得：

式中：R0B為被測(cè)軸承無位移時(shí)的實(shí)際負(fù)荷，N/mm2；δB為被測(cè)軸承的位移量，mm；ABB為軸系增加千斤頂支承后，B軸承自身的負(fù)荷影響數(shù)，9.8N/mm；AJB為B軸承對(duì)千斤頂J支承的的負(fù)荷影響數(shù)，9.8N/mm。

3) 當(dāng)B軸承下降到脫空時(shí)，即RB＝0時(shí)，可得：

在B軸承脫空并由J支承代替它支承軸系時(shí)，千斤頂上的負(fù)荷RJ為R0J，可得：

由上兩式可得：

或?qū)憺椋?/p>

3 船舶推進(jìn)軸系負(fù)荷測(cè)試計(jì)算算例

根據(jù)上述液壓千斤頂法軸系負(fù)荷測(cè)試方法，對(duì)國(guó)內(nèi)某船廠某型號(hào)船舶推進(jìn)軸系中間軸承進(jìn)行了實(shí)船測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算，得到軸承負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表1所示。與應(yīng)用電阻應(yīng)變片法軸系負(fù)荷測(cè)試方法同狀態(tài)下測(cè)試計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表1所示，從中可以看出，兩種方法的測(cè)量結(jié)果較為接近。

表1 液壓千斤頂法軸承負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

目前,液壓千斤頂法和電阻應(yīng)變片法是國(guó)內(nèi)外采用的軸承負(fù)荷測(cè)量方法。電阻應(yīng)變片法技術(shù)較為復(fù)雜,專業(yè)技能要求高，需要的設(shè)備較為昂貴，測(cè)量成本較高，且應(yīng)變片貼片時(shí)間較長(zhǎng)，貼片質(zhì)量對(duì)結(jié)果影響大。液壓千斤頂法需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活方便，測(cè)量成本低，非常適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此在軸承負(fù)荷測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。

本文對(duì)液壓千斤頂測(cè)量軸承負(fù)荷的方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括測(cè)量過程的注意事項(xiàng)和軸承負(fù)荷的計(jì)算方法，通過實(shí)船測(cè)量，以及在相同條件下液壓千斤頂法和電阻應(yīng)變片法的結(jié)果比較分析，證明應(yīng)用本液壓千斤頂法測(cè)量軸系負(fù)荷，測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片法近似，能夠滿足國(guó)內(nèi)軸系測(cè)量的精度要求，同時(shí)具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

[1]周繼良,鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及其應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]張金香.船舶軸系安裝及校中[C]//福建省科協(xié)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)數(shù)字化制造及其它先進(jìn)制造技術(shù)專題學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2005年.

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● （中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，遼寧大連 116600）

船舶推進(jìn)軸系負(fù)荷測(cè)試是軸系安裝過程和檢驗(yàn)過程中不可缺少的環(huán)節(jié),通過有效的檢驗(yàn)方法,檢測(cè)中間軸承以及主機(jī)的主軸承所承受的實(shí)際負(fù)荷是否在理論計(jì)算允許的范圍之內(nèi)。本文介紹了基于頂舉法的軸承負(fù)荷測(cè)量原理、測(cè)量過程和計(jì)算方法。經(jīng)過實(shí)船數(shù)據(jù)的測(cè)量計(jì)算，并與應(yīng)用電阻應(yīng)變片法測(cè)量數(shù)據(jù)比較和分析，說明該方法在船舶推進(jìn)軸系負(fù)荷測(cè)試的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

液壓千斤頂法；頂舉系數(shù)；軸承負(fù)荷；軸系校中

Research on Load Measurement Method of Marine Propulsion Shafting System Based on Hydraulic Jack Method

ZHANG Li-jun
(Technical Center,COSCO Shipyard Group Co.,Ltd.,Dalian 116600,China)

The load measurement of marine propulsion shafting system is an indispensable link in installation and inspection process.The actual bearing load of the intermediate bearings and main bearing within or within-out the allowed range of theoretical calculation is checked by using effective testing method.Based on the hydraulic jack method,the measurement principle,measuring process and calculation method are discussed.After measurement and calculation for an actual ship,the result is compared and analyzed with measuring data by strain gauge method.The results show that the method is economical and feasible in the load test of ship propulsion shafting.

method of hydraulic jack; jack-up factor; bearing load; shaft alignment

U664.21

A

張利軍（1977-），男，工學(xué)博士。主要從事船舶與海洋工程總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。