螺旋槳靜平衡試驗方法對比研究

吳傳濤

(中國船級社 鎮江辦事處，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

螺旋槳靜不平衡是由于螺旋槳制造過程中的加工誤差、材質不均等因素而產生的慣性力不平衡現象[1]。螺旋槳的靜不平衡會引起一系列的不良反應，如：螺旋槳高速旋轉時會帶動槳軸對軸承、船體產生周期性作用力，導致軸系軸承磨損并引起船體振動產生較大噪聲，從而降低推動效率，影響螺旋槳的使用壽命[2-4]。因此，螺旋槳出廠時完成靜平衡試驗是一項重要的檢驗項目。

目前，國內固定式螺旋槳靜平衡試驗主要利用靜平衡試驗儀完成。根據其試驗位置不同分為臥式靜平衡試驗法和立式靜平衡試驗法。隨著工業水平的發展，靜平衡試驗儀的自動化程度也不斷提高，利用電子稱重的立式靜平衡試驗儀逐漸被采用。可調螺距螺旋槳由于結構的復雜性，一般采用整體法或單葉片法。現行國家標準及行業標準對螺旋槳試驗方法沒有強制要求，國內各個廠家所采用的方法也不盡相同。

本文分析了固定式螺旋槳、可調螺距螺旋槳的幾種常見靜平衡試驗方法，研究了各種試驗方法的試驗原理，描述了各種試驗方法的操作過程。同時，從成本、適用性、操作性、精度等方面對各種試驗方法進行了詳細對比。

1 固定式螺旋槳試驗方法

固定式螺旋槳是指槳葉與槳轂不可相對運動、螺距不可調節的螺旋槳，一般采用整體澆筑，其槳葉與槳轂為同一整體。根據試驗位置不同,固定式螺旋槳靜平衡試驗方法一般分為臥式靜平衡法和立式靜平衡法，其中：根據自動化程度不同，立式靜平衡法又可細分為配重法和電子稱重法。

1.1 臥式靜平衡法

1.1.1 試驗方法

臥式靜平衡法是一種較為傳統的方法,廣泛應用于中小型螺旋槳的靜平衡檢測，也被稱為掛重法[5]。其基本原理是：利用掛重產生的周向力矩使得螺旋槳發生運動，若掛重量在限定范圍內即可認為螺旋槳靜平衡試驗合格。

試驗步驟如下：

(1)將螺旋槳置于臥式靜平衡試驗臺上，首先進行隨遇平衡檢驗。

(2)將掛重分次掛于各槳葉葉梢最大厚度標記點上，并旋轉到水平位置，使其靜止。去掉支撐后，掛重的槳葉向下轉動即為合格。

1.1.2 掛重計算

當螺旋槳直徑D>1 500 mm時，按式(1)計算掛重值G[6]：

(1)

表1 系數K值

當螺旋槳直徑D≤1 500 mm時，按式(2)計算G值[6]：

G=0.025d2+0.02

(2)

式中：d為螺旋槳旋轉時，其葉梢軌跡圓的直徑， mm。

檢驗靜平衡裝置的心軸摩擦力矩應不大于式(3)中M值。

(3)

式中：M為力矩， N·m。

1.1.3 臥式靜平衡法特點

(1)門檻低，成本低。臥式靜平衡試驗臺結構型式簡單、搭建成本低。

(2)適用范圍有限。僅適用于中小型螺旋槳，隨著螺旋槳直徑增大，需要不斷增加試驗臺高度。

(3)操作繁瑣，裝配工作量大，需要將心軸與螺旋槳軸孔進行裝配。試驗時需要分次對各個葉片進行掛重。

(4)心軸與試驗儀的摩擦力矩難以確定，對試驗精度造成一定影響。

1.2 立式靜平衡法

近年來，隨著螺旋槳尺寸不斷變大，立式靜平衡法[7]開始被大量采用。根據其試驗臺的自動化程度，又可細分為配重法和電子測量法。

1.2.1 配重法

配重法基本原理是利用螺旋槳的懸浮狀態，在各個槳葉上進行配重，使得槳體達到水平平衡狀態。若配重量在限定范圍內，即可認為螺旋槳靜平衡試驗合格。

試驗時將螺旋槳置于立式靜平衡儀上，通過液壓系統使螺旋槳處于懸浮狀態。在螺旋槳槳轂上端面放置相互垂直的兩個水平儀，同時在各槳葉葉梢最大厚度標記點處配重，使得螺旋槳達到水平平衡狀態。若配重量在限定范圍內，即認為合格。

CB/T 4427—2015《船用金屬螺旋槳立式靜平衡試驗方法》[8]中對于G值給出了計算方法，各葉片掛重應為式(1)、式(2)計算G值的50%。

配重法具有以下特點：

(1)成本相較于臥式靜平衡法高，需要額外配備液壓平衡系統。

(2)適用范圍廣，不受螺旋槳直徑限制。試驗時，由于槳葉處于水平狀態，對試驗臺高度范圍沒有太高要求。

(3)操作較為簡單，裝配工作量不大，只需將螺旋槳直接吊裝于立式靜平衡試驗臺上，且一次配重即可完成試驗。

(4)利用懸浮狀態克服了心軸摩擦力產生的誤差，試驗結果相比臥式靜平衡法準確。

1.2.2 電子測量法

電子測量法示意圖見圖1。其原理是在立式靜平衡試驗儀下方設多個壓力傳感器，利用液壓系統使得螺旋槳處于懸浮狀態，通過各傳感器讀取數據，進而計算出螺旋槳的靜不平衡數值及方位[9]。以4個傳感器為例，各個傳感器的讀數結合其方位可看作4個矢量G1、G2、G3、G4,由于靜不平衡的存在，使得矢量和一般不為0，這個矢量和即可以理解為靜不平衡量。通過矢量合成得到最終螺旋槳的靜不平衡矢量G(見圖2)，該矢量的大小即為靜不平衡的大小，其方向即為靜不平衡存在的方位。

1—動力源；2—電源；3—數據采集系統；4—傳感器；5—心軸；6—上定心錐；7—固定銷；8—靜壓球面軸承；9—被測螺旋槳；10—傳感器；11—下定心錐。

圖2 矢量合成示意圖

試驗時，將螺旋槳置于立式靜平衡儀上，通過液壓系統使得螺旋槳處于懸浮狀態，然后通過計算機系統直接讀取螺旋槳的靜不平衡量[9]。

電子測量法具有以下特點：

(1)成本高，需要配備傳感器、計算機系統等。

(2)適用范圍廣(同配重法)。

(3)操作簡單，直接讀取試驗結果即可，省去了配重過程。

(4)精度高，能直接得出靜不平衡量的具體大小和位置。

1.3 對比

固定式螺旋槳的靜平衡試驗方法在成本、適用性、操作性、精度等方面各有優劣，見表2。

表2 固定式螺旋槳靜平衡試驗方法對比

2 可調螺距螺旋槳試驗方法

可調螺距螺旋槳是指通過轉動槳葉改變槳葉與槳轂的角度，從而實現調節螺距的螺旋槳。相較于固定式螺旋槳，可調螺距螺旋槳零部件眾多，一般包括可調槳槳葉、槳轂、曲柄盤、移動油缸等，且制造工藝復雜。其靜平衡試驗常用的方法有整體法和單葉片法[5,10]。

2.1 整體法

整體法就是將可調槳槳葉、槳轂、曲柄盤、移動油缸等零部件組裝成整體，然后按照固定式螺旋槳的靜平衡試驗方法進行試驗。

整體法具有以下特點：

(1)成本高。裝卸過程需要耗費大量的時間成本和人力成本。

(2)適用性差。由于可調螺距螺旋槳的零部件往往由不同配套廠家提供，制造進度難以協調。若最終試驗結果不合格，整改難度很大。

(3)可調螺距螺旋槳的裝卸難度大。

(4)精度較高。試驗形態即為最終形態，其試驗結果較為直觀、準確。

2.2 單葉片法

單葉片法(見圖3)是指在可調槳槳葉加工完工后，對各個葉片單獨進行力矩平衡試驗，若各槳葉的平衡力矩差在限定范圍內即可認為整槳靜平衡結果合格。這種方法存在以下假設：由于組合式螺旋槳的槳轂、曲柄盤、移動油缸均位于螺旋槳的旋轉中心，其不平衡力矩并不大，可認為組合式螺旋槳靜不平衡的主要來源是相對遠離旋轉中心的槳葉。

Gi—配重值；Pi—槳葉重量；A、B、L1、L2—距離。

單葉片法的基本原理是利用力矩平衡，測量出各個葉片相對于旋轉中心的平衡力矩Mi，然后用最大力矩減去最小力矩，計算出實際的最大不平衡力矩，即：

ΔMa=Mi，max-Mi，min

(4)

根據GB/T 12916—2010中對整體螺旋槳靜平衡試驗的最大允許掛重值G可以計算出螺旋槳允許的理論最大不平衡力矩ΔM，若ΔMa≤ΔM，即可視為螺旋槳靜平衡試驗合格。

根據力矩平衡公式：

GiL2=(L1+A)Pi=PiL1+PiA

(5)

槳葉相對于旋轉中心的平衡力矩：

Mi=PiA+PiB=GiL2-PiL1+PiB

(6)

式中：Gi為配重值；Pi為槳葉重量；A、B、L1、L2為距離，可由現場測量或理論計算得到。

試驗時，首先利用電子秤測出槳葉的重量Pi；再將可調槳槳葉置于槳葉力矩平衡試驗裝置上，并讀取Gi；最后利用上述平衡力矩計算方法進行數據處理。

單葉片法具有以下特點：

(1)成本低，省去了裝配帶來的巨大成本。

(2)適用性強。在可調槳槳葉完工后即可進行試驗，對于可調槳槳葉由配套廠家提供的情況提供了極大的便利。

(3)操作難度小，利用槳葉力矩平衡試驗裝置即可完成。

(4)精度較低，不需要考慮槳轂、曲柄盤、移動油缸等其他零部件對于整槳靜平衡造成的影響。

2.3 對比

整體法與單葉片法在成本、適用性、操作性、精度等方面各有優劣，見表3。

表3 可調螺距螺旋槳靜平衡試驗方法對比

3 結語

不同靜平衡試驗方法優缺點各異，均能滿足目前國標及行業標準的要求。從現場檢驗角度來說，上述各種方法均可以接受，各個廠家可以根據自身實際情況選用相應方法進行試驗。