基于頂舉法的船舶推進軸系負荷測試方法研究

張利軍

基于頂舉法的船舶推進軸系負荷測試方法研究

張利軍

0 引言

軸系較中就是按一定的要求和方法，將軸系敷設成某種狀態，處于這種狀態的軸系，其全部軸承上的負荷及各軸段內的應力都處于允許范圍之內，或具有最佳的數值，從而可保證軸系持續正常運轉[1]。為此，應在軸系的各種工作狀態下，對各軸承的負荷進行實時測量，根據每次測量結果，調整負荷較大的軸承高度，保證各軸承的負荷都具有較小的數值，維持軸系的正常運轉。

根據頂舉法的軸承負荷測量原理，構建船舶推進軸系軸承負荷的測量方法，在此基礎上結合頂舉曲線，總結出頂舉系數的計算方法和頂舉法測量軸承載荷的具體方法。

1 頂舉法的軸承負荷測量工作內容

頂舉法測量軸承負荷設備簡單、操作方便，可以結合壓力傳感器進行測量，從而提高測量結果的準確性。該方法已在國內外各修、造船廠得到廣泛應用。頂升法是一種有效的軸承負荷計算方法，該方法通過記錄頂軸過程中軸的升高量，再進行計算分析得到軸承的實際負荷。

1.1 頂舉法測力工作原理

液壓千斤頂頂舉法測量軸系中某一軸承負荷，就是在該軸承附近安放一個液壓千斤頂，用它將軸逐步頂起，直到被測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，并同時記下千斤頂相對應的負荷值，繪制頂舉曲線，求得用千斤頂代替被測軸承時的頂升油壓值，換算為頂舉力后，乘以頂舉系數，即可得到被測軸承的實際負荷。

1.2 頂舉法測力方法

1.2.1 頂舉支點選擇及千斤頂的安置

千斤頂頂舉支點應選擇盡可能靠近被測軸承的部分，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，在頂舉支點對稱的位置上裝好百分表[3]。

1.2.2 頂舉測力的過程

1）頂舉前，將百分表調好零點，這時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應的千斤頂油壓。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應的千斤頂油壓，直到千斤頂完全不受力，軸回復到原位[4]。

1.2.3 頂舉過程注意事項

1）頂舉測量時，應每個軸承單獨地進行，不能幾個軸承同時頂舉；

2）放置千斤頂的座子必須有較好的剛性，百分表架應單獨裝在不受軸及千斤頂影響的位置上；

3）千斤頂頂舉支點、百分表桿的觸點必須是同一軸頸截面上的最低點和最高點；

4）應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，應在百分表指針穩定后進行讀數；

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

2 軸承實際負荷的計算

用液壓千斤頂測得軸系各測量處的液壓值后，根據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得到所求軸承的實際負荷。

2.1 頂舉系數的計算

2.1.1 三彎矩方程

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

1）對于第i支座(圖2)，取第i支座左、右兩跨梁的脫離體。可列出如下三彎矩方程[6]：

圖2 計算梁示意圖

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）對于軸系末端，為自由端，彎矩應力為0，即：

3）對于軸系首端，如作為自由端處理，其彎矩為0，即：

如作為固定端處理，其轉角為0，即：

2.1.2 彎矩影響數的計算

應用式（3）、式（4）、式（5）或式（6）計算。對于第j個支座，當其變位1mm時，可列出含有n個(與軸承數相等)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；Mij(i=n，j=1～m)為待求變量的系數，由已知Ei、li、及Ii計算而得，見式（1）～式（3）；Ci,n+1為常數項，由已知量li及第j軸承的變位量yj計算而得，見式（1）～式（3）。

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

2.1.3 負荷影響數的計算

軸承負荷影響數，可根據所求得的彎矩影響數進行計算。當第j軸承產生一單位位移則使第i-1、i、i+1三個支座處產生彎矩增量Mi-1、Mi、Mi+1，這時第i軸承的負荷增量為：

對于首尾兩個軸承：

為此，可寫出計算負荷影響數的通式：

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

2.1.4 軸承頂舉系數的計算

式中：ABB為被測軸承B對自已的負荷影響數；AJB為被測軸承B對千斤頂J的負荷影響數，此時將千斤頂作為軸系的一個實際支承。

2.2 頂舉曲線的繪制及千斤頂負荷的確定

1）頂舉曲線的繪制

根據頂舉中所記錄的軸位移量及千斤頂負荷，可作出如圖3所示的頂舉曲線[7]。縱坐標為軸的位移量，橫坐標為千斤頂負荷，根據油壓按下式計算而得：

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出的上升曲線與下降曲線不重合，因此在確定千斤頂負荷時，應取其平均值。故千斤頂代替被測軸承且軸的位移為 0時的負荷R0J可按下式計算：

式中：A、B見圖3，各由延長線段ba及cd求得。

2.3 軸承實際負荷計算

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

圖4 頂舉測量原理

1）使千斤頂J剛剛與軸接觸，此時千斤頂負荷RJ＝0。

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

千斤頂負荷RJ將逐漸增大，且增大量可用下式求得：

式中：R0B為被測軸承無位移時的實際負荷，N/mm2；δB為被測軸承的位移量，mm；ABB為軸系增加千斤頂支承后，B軸承自身的負荷影響數，9.8N/mm；AJB為B軸承對千斤頂J支承的的負荷影響數，9.8N/mm。

3) 當B軸承下降到脫空時，即RB＝0時，可得：

在B軸承脫空并由J支承代替它支承軸系時，千斤頂上的負荷RJ為R0J，可得：

由上兩式可得：

或寫為：

3 船舶推進軸系負荷測試計算算例

根據上述液壓千斤頂法軸系負荷測試方法，對國內某船廠某型號船舶推進軸系中間軸承進行了實船測量，并對測量數據進行了分析計算，得到軸承負荷計算結果如表1所示。與應用電阻應變片法軸系負荷測試方法同狀態下測試計算結果進行比較，對比結果如表1所示，從中可以看出，兩種方法的測量結果較為接近。

表1 液壓千斤頂法軸承負荷計算結果

4 結論

目前,液壓千斤頂法和電阻應變片法是國內外采用的軸承負荷測量方法。電阻應變片法技術較為復雜,專業技能要求高，需要的設備較為昂貴，測量成本較高，且應變片貼片時間較長，貼片質量對結果影響大。液壓千斤頂法需要的設備簡單，操作靈活方便，測量成本低，非常適合現場測量，因此在軸承負荷測量中得到廣泛的應用。

本文對液壓千斤頂測量軸承負荷的方法進行了系統研究，包括測量過程的注意事項和軸承負荷的計算方法，通過實船測量，以及在相同條件下液壓千斤頂法和電阻應變片法的結果比較分析，證明應用本液壓千斤頂法測量軸系負荷，測量結果與電阻應變片法近似，能夠滿足國內軸系測量的精度要求，同時具有很好的經濟性。

[1]周繼良,鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及其應用[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]//福建省科協第五屆學術年會數字化制造及其它先進制造技術專題學術年會論文集,2005年.

[3]董立敏,高勝利,孫忠旺.如何正確利用頂舉法測量中間軸承實際負荷[J].中國修船,2004(2):35-36.

[4]溫玉奎.千斤頂頂舉法測量軸承負荷的影響因素[J].海事論壇,中國船檢,2008(7):97.

[5]鄭定育.船舶軸系頂舉試驗實踐[N].中國水運,2011(4):95-96.

[6]張昇平,周瑞平,顏世文.三彎矩方程的改進及船舶軸系校中軟件研究[J].造船技術,2003(2):36-38.

[7]楊勇,馬捷,唐文勇.Shafting alignment based on hydrodynamcs simulation under larger rudder corner conditions [J].Journal of ShanghaiJiaotong University(Science),2012(04):37-49.

● （中遠船務工程集團有限公司 技術中心，遼寧大連 116600）

船舶推進軸系負荷測試是軸系安裝過程和檢驗過程中不可缺少的環節,通過有效的檢驗方法,檢測中間軸承以及主機的主軸承所承受的實際負荷是否在理論計算允許的范圍之內。本文介紹了基于頂舉法的軸承負荷測量原理、測量過程和計算方法。經過實船數據的測量計算，并與應用電阻應變片法測量數據比較和分析，說明該方法在船舶推進軸系負荷測試的可行性和經濟性。

液壓千斤頂法；頂舉系數；軸承負荷；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，工學博士。主要從事船舶與海洋工程總體和結構設計研發工作。