雷 浩， 溫小飛, 張皓東, 廖志輝, 竺鋁杭

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運輸工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

0 引 言

軸系校中是船舶建造過程中十分關(guān)鍵的一步，而軸承負荷測量則是檢驗軸系安裝情況的重要手段之一。[1]軸承負荷測量的目的是保證船舶在各種裝載工況下艉管前軸承、各中間軸承和主機最后3道主軸承的負荷分布合理，均具有一定的負荷但不超過其允許的最大負荷。[2]

目前國內(nèi)外采用的軸承負荷測量方法中，頂舉法和電阻應(yīng)變片測量法運用最為廣泛。其中，電阻應(yīng)變片法技術(shù)較為復(fù)雜,專業(yè)技能要求高，測量成本較高，貼片質(zhì)量對結(jié)果影響大；頂舉法所需設(shè)備簡單，操作靈活方便，測量成本低。張利軍[3]通過實船測量，在相同條件下比較分析頂舉法和電阻應(yīng)變片法的測量結(jié)果，證明頂舉法測量軸系負荷的結(jié)果與電阻應(yīng)變片法近似，能夠滿足國內(nèi)軸系測量的精度要求。因此，頂舉法在軸承負荷測量中得到了廣泛應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的頂舉法在測試過程中須人工記錄試驗數(shù)據(jù)并繪制負荷曲線圖，這需要豐富的數(shù)據(jù)分析和調(diào)整經(jīng)驗，并且由于讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理誤差，測量結(jié)果不一定準確。也有使用數(shù)顯頂升傳感器結(jié)合電腦Excel表格進行半電腦半手工的頂升試驗分析，此種方法需要將數(shù)據(jù)手動輸入至電腦進行分析，須花費一定的時間。[4]近年來，由于自動化技術(shù)的普及，自動化測試技術(shù)取得巨大的進步，利用傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以將工程測試與數(shù)據(jù)處理在1個系統(tǒng)內(nèi)快速完成。[1]

本系統(tǒng)以LabVIEW 2016為軟件平臺，以北京新超仁達科技有限公司的新超USB-2404作為數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)頂舉試驗過程中數(shù)據(jù)的采集、分析、擬合、存儲以及結(jié)果打印。為了驗證系統(tǒng)的實用性和準確性，先在實驗室臺架上進行頂舉試驗，然后將某船頂舉試驗所測量的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，導(dǎo)入本系統(tǒng)進行分析，并進行結(jié)果對比。

1 船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 硬件框架

傳統(tǒng)的頂升曲線以千斤頂油壓為坐標橫軸，被頂升距離為縱軸，通過測量、描點、連線和擬合繪制而成，通過一系列的數(shù)據(jù)后處理與計算最終得出所測軸承的實際負荷。本系統(tǒng)以傳統(tǒng)頂舉圖繪制方法為依據(jù)，以壓力傳感器和位移傳感器為采樣通道，將試驗時測量的壓力和位移數(shù)據(jù)實時通過采集卡傳遞并顯示在主界面上，系統(tǒng)運用相應(yīng)的算法將采集到的數(shù)據(jù)合成頂升曲線圖，并計算出頂升負荷與頂降負荷，進而得到被測量軸承的實際負荷，同時打印測試報告。船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖如圖1所示。

圖1 智能化船舶軸承測量系統(tǒng)設(shè)計整體框圖

1.2 軟件設(shè)計

上位機部分主要以LabVIEW 2016為基本平臺，由界面設(shè)計、采集卡控制、數(shù)據(jù)處理、圖像擬合和報告打印等幾個模塊構(gòu)成。相對于VB，C++等常用的編程語言，LabVIEW采用圖形化編程，其邏輯思路更適合于工程領(lǐng)域。圖2為本系統(tǒng)的界面，左邊部分為采集與擬合的參數(shù)設(shè)置，右邊為圖像顯示區(qū)域，下邊部分為系統(tǒng)運行控制區(qū)域，其控制功能主要有：采樣點數(shù)設(shè)置、千斤頂油缸柱塞直徑設(shè)置、斜率采樣增量設(shè)置、采樣率設(shè)置、頂升(降)采集控制、擬合控制、生成報告控制、數(shù)據(jù)存儲控制以及復(fù)位控制。

圖2 船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統(tǒng)界面

在數(shù)據(jù)處理部分通過濾波子VI將低于0.001的雜亂數(shù)據(jù)過濾掉，通過索引數(shù)組函數(shù)索引出n維數(shù)組中的元素，最終得到壓力與位移的數(shù)據(jù)點。濾波部分的程序框圖如圖3所示。連接數(shù)據(jù)點得到頂升曲線，對于平滑的頂升(降)曲線采用B-Spline擬合，對于斜率曲線采用最小絕對殘差方法進行直線擬合，4條曲線通過簇函數(shù)相連，在界面顯示區(qū)域顯示。曲線擬合的程序框圖如圖4所示。

圖3 濾波部分的程序框圖

圖4 曲線擬合部分程序框圖

2 試驗測試

為了驗證系統(tǒng)的有效性和實用性，利用實驗室的軸系臺架為試驗對象進行頂舉試驗[5]。將油壓千斤頂置于靠近軸承的部位，連接好系統(tǒng)線路，設(shè)置各試驗參數(shù)，慢慢將軸頂起，系統(tǒng)記錄頂舉過程的測量值并繪制頂升過程的頂升曲線。當(dāng)上升到最大允許上升高度時，停止頂升千斤頂，同時打開其回油閥，讓壓力緩慢下降，此時系統(tǒng)繼續(xù)自動記錄下降過程的壓力值和頂升位移值，最后系統(tǒng)顯示擬合后的標準頂升曲線。為了進一步驗證系統(tǒng)的準確性，將某船進行頂舉試驗時測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入本系統(tǒng)，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 船廠實測數(shù)據(jù)表

通過兩種測試方法對比，得到如圖5所示的軸承負荷頂升擬合曲線及軸承負荷測量值。圖5a)為本自動測試分析系統(tǒng)得到的曲線，其橫軸代表壓力，縱軸代表頂升位移，頂升過程的擬合直線用點畫線表示，下降過程的擬合直線為圖中左邊長虛線，中間短虛線表示兩擬合直線取平均值后的有效頂升曲線，其橫截距為16.8 MPa。圖5b)為船廠根據(jù)傳統(tǒng)頂升法做出的曲線圖，其橫軸代表千斤頂?shù)挠蛪海v軸代表頂升位移，擬合后的有效頂升曲線的橫截距為16.5 MPa。

3 分析與討論

本套船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)壓力及位移傳感器讀取試驗數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)點在系統(tǒng)界面形成頂升曲線。因此，在正常情況下，若系統(tǒng)界面顯示的頂升曲線具有頂升、平衡及下降階段的所有特征，則可證明各傳感器能夠正常讀數(shù)，且系統(tǒng)的測試工作正常。本文所述實驗室條件下的頂升試驗環(huán)境雖與實際工程測量中相差較大，但系統(tǒng)所繪制的頂升曲線卻符合標準曲線的所有特征，說明本系統(tǒng)各模塊間的配合完好，驗證了系統(tǒng)的實用性。

通過導(dǎo)入實船頂升試驗數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)自動生成的頂升曲線與船廠手工處理所得曲線基本一致，驗證了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法及技術(shù)符合實際工程要求。最終系統(tǒng)分析得到的軸承實際壓力為16.8 MPa，與船廠報告數(shù)據(jù)之間誤差為1.82%，均在理論計算值的5%誤差范圍內(nèi)。由于采用優(yōu)化的

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圖5 軸承負荷頂升擬合曲線圖對比

數(shù)據(jù)擬合算法，可排除人為繪圖及數(shù)據(jù)處理的誤差，由此驗證了系統(tǒng)測量的結(jié)果具有可信度。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)以LabVIEW 2016為軟件平臺，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)頂舉試驗過程中數(shù)據(jù)的采集、分析、擬合、存儲以及結(jié)果打印。通過理論與試驗分析及對比，驗證本系統(tǒng)的實用性和測量結(jié)果可信度。

相較于傳統(tǒng)的人工讀數(shù)方法，本系統(tǒng)通過高精度傳感器和采集卡實現(xiàn)讀數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過內(nèi)部程序進行濾波處理，可降低人為讀數(shù)因素影響；此外，本系統(tǒng)的測量過程在短時間內(nèi)便可完成整個工作流程，并可直接打印標準報告，極大地提高了工作效率。

[1] 龍漢新. 船舶軸系軸承負荷自動測量裝置設(shè)計及應(yīng)用[J]. 船舶與海洋工程, 2014(2):32-34.

[2] 詹宇,林富強,馬瑞云. 大船軸系校中的檢驗[J]. 中國船檢, 2003(6):77-79.

[3] 張利軍. 基于頂舉法的船舶推進軸系負荷測試方法研究[J]. 機電設(shè)備, 2014(1):6-9.

[4] 何國欽. 軸系軸承負荷的測量分析與調(diào)整[J]. 機電技術(shù), 2008(3):70-72.

[5] 趙梓忠,陳鵬. 船舶軸系安裝及校中工藝[J]. 科技傳播, 2011(23):151-153.