22000m3液化氣船推進軸系扭轉振動測試分析

尹緒光 馬 鵬

江南造船(集團)有限責任公司

22000m3液化氣船推進軸系扭轉振動測試分析

尹緒光 馬 鵬

江南造船(集團)有限責任公司

國內航行海船建造規范對船舶推進軸系的振動做出規定，如軸系扭轉振動(以下簡稱扭振)的振幅或應力超過規定的持續運轉的許用值時，則在這個共振轉速附近應設“轉速禁區”。船舶軸系扭振是很多船舶在交船之前必須進行的一項重要測試項目，本文介紹了一種基于應變技術的軸系扭振的測量方法。對我公司22000m3液化氣船主機扭振進行實船測試和數據分析。

船舶推進軸系； 應變； 扭振； 應力

1 前言

旋轉機械軸系的扭轉振動是一個普遍存在，且危害嚴重的問題。這種振動會引起材料內部的切向交變扭應力，若扭幅過大，剪切應力超過彈性限度，材料就會產生疲勞累積。當疲勞累積到壽命時，材料會產生裂紋，最終導致材料斷裂的惡性事故。

對于船舶行業來講，軸系扭振主要出現在主機，另外還可能出現在輔機以及泵等一些設備。各船級社對于軸系扭振的測量都有明確要求。所有首制船(包括新研制船型，同一船型更換船級社、換船東等都作為首制船)在海試中都要進行扭振測量。

本文介紹了一種基于應變技術的扭振測量方法，并對22000m3液化氣船推進軸系進行扭振測量分析，，最終在工作轉速范圍內設定“轉速禁區”以校核扭振計算書。

2 測量原理

應變技術是一門發展較為成熟的技術，電阻應變片則是最常用的敏感元件，金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。電阻絲的電阻R為：

式中：R為電阻值；ρ為電阻率；L為電阻絲長度；A為電阻絲橫截面積。

任一參數變化均會引起電阻變化,對(1)求偏導：

對于半徑為r的圓形截面的電阻絲為電阻絲電阻率變化引起的電阻值變化。

對于金屬材料，電阻率幾乎不變，所以：

電阻應變片將應變轉換為電阻的變化量，測量電路將電阻的變化再轉換為電壓或電流信號，最終實現被測量的測量。如圖2所示,對于直流電橋，輸出：

假設電橋初始狀態是平衡的，即：R1=R2=R3=R4=R, R1R3=R2R4,則 Uo=0。如果各應變的電阻值發生微小變化ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4，則電橋輸出端的電壓發生變化。由于ΔR□R，推得全橋電路測量電壓輸出為：

圖1 電橋原理圖

圖2 測量系統工作示意圖

3 扭振測量方法和測量結果

如圖2所示，扭振測量系統工作示意圖，電阻式應變片被粘貼于被測系統的軸系上，用電烙鐵將引線焊接到引線上，最后用硅橡膠覆于應變片上防油防水。將電源與信號發射裝置固定于應變片側。測量時，被測軸系從最低轉速分檔增加至額定轉速，應變片與發射裝置隨軸系轉動，時時將扭矩信號發射至接收裝置，接收裝置放大、解調信號，取出扭矩信號，將扭矩信號轉換為0～10V電壓信號，根據不同軸系的直徑可由式(11)計算輸出電壓對應的扭矩。

橫向收縮和縱向伸長的關系為材料的泊松系數μ:

εx為電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應變；εy為電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應變；

式(4) (5) (6) 代入式(3)得：

式中：(1+2μ)εx為電阻絲幾何尺寸變化引起的電阻值變化；dρ/ρ

由數采設備采集其交流電壓信號，即由扭振引起的交變扭矩信號，進行頻譜分析即可得到不同轉速，不同頻率下的扭矩大小。由扭矩-應力對應式(12)可計算出不同轉速下的應力大小。

式中：σ為扭振應力；Di為軸系內徑；Do為軸系外徑；E為抗拉強度；GF為應變片靈敏度系數；GXMT為增益；N為橋臂數量；TFS為實測扭矩；VEXC為電橋激勵電壓；VFS為輸出電壓；μ為泊松系數。

該22000m3液化氣船是單機帶固定螺距槳系統，主機是滬東重機有限公司的6S50ME-C8.2型6缸柴油機，將應變遙測式扭振測量系統安裝在外徑為430mm，無內孔的中間軸上,使用了應變系數為2.02的應變片，主機轉速從35r/min加到114r/min進行分檔測量,有表1轉速-扭矩表可知，其扭矩峰值出現在65r/min，扭矩為951kNm。根據式(3-12)計算得出表2轉速-應力表，中間軸的扭振應力峰值出現在65r/min，應力為60.9N/mm2。測量時，柴油機正常發火航行，分別在35rpm、40rpm、45rpm、50rpm、55rpm、57rpm、59rpm、61rpm、63rpm、64rpm、65rpm、66rpm、68rpm、70rpm、75rpm、80rpm、85rpm、90rpm、95rpm、100rpm、105rpm、110rpm、114rpm轉速工況下轉速穩定時測量。

表1 轉速-扭矩表

表2 轉速-應力表

通過測得的中間軸的應力值，根據扭振計算書模型，可以推算出其它軸系如曲軸、螺旋槳軸的應力值，結果如表3

4 許用應力和“轉速禁區”

國內航行海船建造規范對主推進柴油機曲軸、推力軸、中間軸、螺旋槳軸和尾管軸的扭振許用應力分別做了持續運轉和瞬時運轉的要求。在實測應力超過規定的持續運轉許用應力時，則在這個共振轉速nc附近應設“轉速禁區”。在此禁區內,主機軸系不應持續運轉。

4.1 轉速禁區

由以上分析結果，在共振轉(65rpm)運行工況下中間軸和螺旋槳軸最大應力大于其持續運轉許用應力，應在此共振轉速附近設“轉速禁區”，應避開的轉速范圍如下:

表3 軸系扭振應力值

nc——共振轉速, rpm； ne——額定轉速, rpm。

計算得應設定轉速禁區范圍59rpm～71rpm。此轉速禁區與扭振計算書計算禁區一致。

5 結束語

船級社有明文規定，首制船必須進行軸系的扭振測量，本文通過應變遙測技術在船舶軸系扭振測量中的測量應用，通過對扭振測量原理、測量方法的分析，同時結合我公司22000m3液化氣船進行了實船扭振測試和轉速禁區的設定，也進一步說明了扭振在首制船測試中的必要性，特別是某些低速機，如果不設轉速禁區，長期在轉速禁區內運行，會對主機以及軸系帶來極大損害。

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