朱 晶，孫赫應(yīng)，于霄雷，王紅嵩

（大連船用推進(jìn)器有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

船用螺旋槳位于船舶最末端，其主要作用是將船舶主機(jī)所發(fā)出的功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的推力，是驅(qū)使船舶前進(jìn)的重要部件[1-3]。船用螺旋槳本身為復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，在其整個(gè)制造過(guò)程中，通常要經(jīng)過(guò)鑄造、機(jī)械加工和鏟磨等多道工序。在鑄造工序中，為了保證螺旋槳的尺寸能夠達(dá)到圖紙要求，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)人為給定了加工余量，因而澆注后獲得的螺旋槳鑄件均為鑄造毛坯件。到機(jī)械加工工序時(shí)，在允許存在制造公差的前提下，加工完成的螺旋槳產(chǎn)品在會(huì)在螺旋槳螺距、每個(gè)槳葉葉片截面厚度、每個(gè)槳葉截面外形、每個(gè)槳葉截面長(zhǎng)度、每個(gè)槳葉位置和基準(zhǔn)線及相鄰槳葉間角度等方面存在偏差，致使成品螺旋槳重心會(huì)偏離軸線，從而產(chǎn)生偏心距，造成螺旋槳自身不平衡，螺旋槳在水中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)船舶前進(jìn)的過(guò)程中就會(huì)引起噪聲或振動(dòng)，最終將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果[4-7]。鑒于此，成品螺旋槳在出廠前或者是受損的螺旋槳經(jīng)過(guò)修理后，一般均需要使用平衡檢驗(yàn)來(lái)確定存在偏差槳葉的重量和具體位置，通過(guò)合理而有效的處理方法，準(zhǔn)確地控制螺旋槳的不平衡重量，以滿足船級(jí)社規(guī)范要求的允許偏差質(zhì)量范圍[8-10]。本文對(duì)螺旋槳主要使用的平衡檢驗(yàn)方法進(jìn)行了歸納并系統(tǒng)地介紹每種方法的特點(diǎn)。

1 螺旋槳的平衡

1.1 螺旋槳的平衡檢驗(yàn)的必要性

鑄造毛坯螺旋槳經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和人工打磨后，由于槳葉外輪廓差異、單葉片質(zhì)量偏差、槳葉與槳葉之間夾角不均和螺距偏移等因素，造成了螺旋槳重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，即螺旋槳重心位置與每個(gè)葉片之間的凈質(zhì)量不完全相同，導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生不平衡。

船舶在水中航行時(shí)，位于船舶尾部的螺旋槳圍繞軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)船舶前進(jìn)。當(dāng)船舶行駛至淺灘水域或是旋轉(zhuǎn)的槳葉碰到水面漂浮的物體，將會(huì)導(dǎo)致槳葉邊緣發(fā)生卷邊、變形、翹曲或鋸齒狀損傷，嚴(yán)重時(shí)槳葉會(huì)發(fā)生斷裂，亦會(huì)造成螺旋槳完全失去平衡。

在海水中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳有時(shí)也會(huì)因金屬材料成分不均勻或內(nèi)部存在小缺陷而發(fā)生除了電化學(xué)腐蝕，加之長(zhǎng)期工作受到的空泡剝蝕及海水沖刷腐蝕，致使各槳葉之間發(fā)生質(zhì)量偏差，最終造成螺旋槳的不平衡。

鑒于上述原因，出廠前的成品螺旋槳或者受損修補(bǔ)后的螺旋槳均需要進(jìn)行平衡檢驗(yàn)。

1.2 螺旋槳的平衡檢驗(yàn)理論

施加外力旋轉(zhuǎn)的螺旋槳不受時(shí)間和位置變化的影響最終都可靜止不動(dòng)，靜止后處于最高位置和最低位置的槳葉均隨機(jī)，這樣達(dá)到的平衡稱為隨遇平衡。船用螺旋槳平衡檢驗(yàn)的基礎(chǔ)即為隨遇平衡。

1.2.1 靜平衡

1）定距螺旋槳平衡檢驗(yàn)理論

中國(guó)船級(jí)社規(guī)范及ISO484/1規(guī)定[4,11-12]，檢驗(yàn)螺旋槳靜平衡裝置的芯軸的摩擦力矩應(yīng)遵循式（1）要求。

式中：G為計(jì)算掛重，kg；R為螺旋槳半徑，m。

當(dāng)螺旋槳直徑D＞1.5 m時(shí)，掛重為

式中：m為螺旋槳質(zhì)量，kg；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；C和p均為系數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)速n及螺旋槳級(jí)別系數(shù)K進(jìn)行選擇，不同級(jí)別螺旋槳對(duì)應(yīng)的K與p值見(jiàn)表1。

表1 不同級(jí)別螺旋槳的K和p值

當(dāng)螺旋槳直徑D≤1.5 m時(shí)，計(jì)算掛重根據(jù)式（4）計(jì)算。

式中：D為螺旋槳半徑，m。

2）調(diào)距螺旋槳平衡檢驗(yàn)理論

對(duì)于組合式螺旋槳(如可調(diào)距槳)部件而言，若船級(jí)社或訂貨方不要求對(duì)螺旋槳整槳做靜平衡檢驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行力矩平衡檢驗(yàn)，分別確定各個(gè)槳葉重心對(duì)于螺旋槳軸線的平衡力矩。例如，四葉可調(diào)螺距螺旋槳每片葉片對(duì)于螺旋槳軸線的平衡力矩應(yīng)滿足式（5）要求

式中：Wi為序號(hào)為i的槳葉的重量；Xi為序號(hào)為i的槳葉重心距螺旋槳軸線的距離；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速；Δmi為序號(hào)為i的槳葉的平衡力矩；f為系數(shù)，不同級(jí)別螺旋槳對(duì)應(yīng)的系數(shù)f值見(jiàn)表2。

表2 不同級(jí)別螺旋槳的f值

陶先榮[13]在研究螺旋槳不平衡時(shí)指出，臨時(shí)支撐工裝的精度對(duì)螺旋槳的靜平衡有很大的影響。而貫穿軸兩端軸承的實(shí)際滾動(dòng)阻力Fr是影響其精度的主要因素。考慮到影響Fr的諸多因素，他采用了試驗(yàn)方法求Fr。通過(guò)試驗(yàn)可知，理論的滾動(dòng)阻力Fr'可隨著法向力F法的加大或螺旋槳半徑R的減小而增大，如式（6）所示。

式中：k為滾軸客服滾動(dòng)阻力時(shí)法向力的位移。

陶先榮在經(jīng)過(guò)數(shù)次試驗(yàn)后獲知，只有在實(shí)際滾動(dòng)阻力Fr'＜0.02G/R時(shí)，臨時(shí)支撐工裝的精度才滿足要求。此外，在研究螺旋槳靜平衡時(shí)，影響臨時(shí)支撐工裝精度還應(yīng)考慮貫穿軸的垂直度、強(qiáng)度及與找正工裝的配合間隙度等因素。

沈昌炎[6]提出了1種新的螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法。在給出新方法前，他通過(guò)2種傳統(tǒng)螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法的舉例，明確指出摩擦力矩的數(shù)值是影響靜平衡試驗(yàn)結(jié)果的直接因素。隨后針對(duì)上述問(wèn)題，他先運(yùn)用積分及線性代數(shù)計(jì)算確定了螺旋槳不平衡質(zhì)量中心的幾何位置及不平衡度的值。之后，經(jīng)過(guò)一系列的公式推導(dǎo)證明，在他的平衡試驗(yàn)方法中，掛重值可以不受嚴(yán)格限制，但要通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得出確定的質(zhì)量偏心距，才可以確定槳的不平衡的許可值。最后，他基于某測(cè)量葉片中心線與偏心距半徑的夾角和計(jì)算的質(zhì)量偏心距，借助于正弦定律的相關(guān)計(jì)算，找出處理螺旋槳較重葉片上需要削掉的位置及消掉質(zhì)量。

龍旭平[14]提到螺旋槳靜不平衡的主要影響因素有2點(diǎn)：1）螺旋槳的每個(gè)槳葉之間存在質(zhì)量差；2）測(cè)試螺旋槳靜平衡的設(shè)備或裝置的精度存在問(wèn)題。他圍繞測(cè)試裝置的內(nèi)摩擦阻力矩Mf對(duì)螺旋槳靜平衡的影響做了重點(diǎn)討論。他通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)分析后得出，在螺旋槳靜平衡試驗(yàn)中，為了使內(nèi)摩擦阻力矩在任何情況下都符合要求，可采用“2次掛重法”測(cè)量某次螺旋槳靜平衡測(cè)試時(shí)試驗(yàn)裝置的內(nèi)摩擦阻力矩。由計(jì)算公式推導(dǎo)，他獲知Mf＜GR/2，這時(shí)的螺旋槳靜平衡檢測(cè)裝置的Mf合格，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12916—91規(guī)定兩者相等時(shí)亦可[8]。由此可知，在螺旋槳靜平衡測(cè)試中，所選裝置的內(nèi)摩擦阻力矩Mf≤GR/2符合規(guī)定。

周洪喆[15]指出螺旋槳等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，因重量不均衡會(huì)導(dǎo)致離心力的產(chǎn)生；通過(guò)合成力偶和合成離心力不同的情況，分析了靜力不平衡和動(dòng)不平衡分別會(huì)在什么條件下出現(xiàn)。在指出了螺旋槳不平衡產(chǎn)生的原因及會(huì)引發(fā)的后果后，他給出了其他國(guó)家在進(jìn)行螺旋槳平衡檢測(cè)時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo)出的允許不平衡重量，見(jiàn)表3。

表3 國(guó)外船規(guī)常用允許不平衡重量

1.2.2 螺旋槳?jiǎng)悠胶鈾z驗(yàn)理論

中國(guó)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定[11]，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在500 r/min及以上的螺旋槳一般要求做動(dòng)平衡檢驗(yàn)，允許的不平衡力矩要符合該社批準(zhǔn)圖紙的要求。若圖紙對(duì)動(dòng)平衡無(wú)明確要求時(shí)，則要求螺旋槳的剩余不平衡質(zhì)量不得超過(guò)按以下公式進(jìn)行計(jì)算得出的衡準(zhǔn)值uper。

式中：uper為許用不平衡質(zhì)量；G’為平衡品質(zhì)等級(jí)，根據(jù)ISO 1940，此處G'為16 mm/s；m為螺旋槳質(zhì)量；r為平衡半徑，r=0.8R；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

華漢金等[16]針對(duì)船用螺旋槳?jiǎng)悠胶鈾z測(cè)問(wèn)題，提出了自己的一種檢驗(yàn)方法，主要用于發(fā)現(xiàn)和排除螺旋槳入水前高速旋轉(zhuǎn)時(shí)自身引起的振動(dòng)，可避免與螺旋槳空泡噪聲混淆。他的方法以假設(shè)某轉(zhuǎn)速條件下，螺旋槳?jiǎng)硬黄胶赓|(zhì)量力矩與其引起的振動(dòng)振幅變化趨勢(shì)相同為前提條件，在計(jì)算出螺旋槳外加一個(gè)不平衡配重而產(chǎn)生的不平衡力矩導(dǎo)致的振動(dòng)的振幅A配重后，再計(jì)算該螺旋槳最初動(dòng)不平衡力矩m初與y初的乘積。他通過(guò)4次測(cè)試振動(dòng)的試驗(yàn)，分別得出了最初動(dòng)不平衡振幅、外加一個(gè)配重于螺旋槳槳轂?zāi)澄恢煤蟮膭?dòng)不平衡振幅、第2次試驗(yàn)中的配重加于前次試驗(yàn)軸對(duì)稱位置后的動(dòng)不平衡振幅和A配重與m初和y初的乘積。通過(guò)第4次試驗(yàn)的驗(yàn)證可知，在排除螺旋槳振動(dòng)后，可判斷出加配重槳葉的輕重，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的構(gòu)圖結(jié)合計(jì)算，最終可得出螺旋槳?jiǎng)硬黄胶獾奈恢眉爸亓俊?/p>

螺旋槳平衡的理論一般以中國(guó)船級(jí)社規(guī)范或ISO 484/1為依據(jù)。綜上可知，在螺旋槳平衡檢驗(yàn)方法的研究中，研究者們更多考慮的是靜平衡檢驗(yàn)設(shè)備的精度，如貫穿軸的兩端軸承的滾動(dòng)阻力及設(shè)備的內(nèi)摩擦力矩的值都會(huì)對(duì)平衡檢驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。未來(lái)的靜平衡檢驗(yàn)研究，應(yīng)該多以實(shí)測(cè)為主，反復(fù)試驗(yàn)，不斷積累檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而逐步排除檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)平衡結(jié)果的影響，只針對(duì)螺旋槳自身而言，使靜平衡檢驗(yàn)結(jié)果更精準(zhǔn)。對(duì)于動(dòng)平衡檢驗(yàn)方法的研究，因?yàn)槁菪龢谛D(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)條件下試驗(yàn)，可以考慮與螺旋槳振動(dòng)和螺旋槳噪聲結(jié)合研究，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)排除不相關(guān)