尹緒光 馬 鵬

江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司

22000m3液化氣船推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試分析

尹緒光 馬 鵬

江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司

國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范對(duì)船舶推進(jìn)軸系的振動(dòng)做出規(guī)定，如軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱扭振)的振幅或應(yīng)力超過(guò)規(guī)定的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用值時(shí)，則在這個(gè)共振轉(zhuǎn)速附近應(yīng)設(shè)“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”。船舶軸系扭振是很多船舶在交船之前必須進(jìn)行的一項(xiàng)重要測(cè)試項(xiàng)目，本文介紹了一種基于應(yīng)變技術(shù)的軸系扭振的測(cè)量方法。對(duì)我公司22000m3液化氣船主機(jī)扭振進(jìn)行實(shí)船測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。

船舶推進(jìn)軸系； 應(yīng)變； 扭振； 應(yīng)力

1 前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是一個(gè)普遍存在，且危害嚴(yán)重的問(wèn)題。這種振動(dòng)會(huì)引起材料內(nèi)部的切向交變扭應(yīng)力，若扭幅過(guò)大，剪切應(yīng)力超過(guò)彈性限度，材料就會(huì)產(chǎn)生疲勞累積。當(dāng)疲勞累積到壽命時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致材料斷裂的惡性事故。

對(duì)于船舶行業(yè)來(lái)講，軸系扭振主要出現(xiàn)在主機(jī)，另外還可能出現(xiàn)在輔機(jī)以及泵等一些設(shè)備。各船級(jí)社對(duì)于軸系扭振的測(cè)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(jí)社、換船東等都作為首制船)在海試中都要進(jìn)行扭振測(cè)量。

本文介紹了一種基于應(yīng)變技術(shù)的扭振測(cè)量方法，并對(duì)22000m3液化氣船推進(jìn)軸系進(jìn)行扭振測(cè)量分析，，最終在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)設(shè)定“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”以校核扭振計(jì)算書。

2 測(cè)量原理

應(yīng)變技術(shù)是一門發(fā)展較為成熟的技術(shù)，電阻應(yīng)變片則是最常用的敏感元件，金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。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(zhǎng)度；A為電阻絲橫截面積。

任一參數(shù)變化均會(huì)引起電阻變化,對(duì)(1)求偏導(dǎo)：

對(duì)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(duì)于金屬材料，電阻率幾乎不變，所以：

電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，測(cè)量電路將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的測(cè)量。如圖2所示,對(duì)于直流電橋，輸出：

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

圖1 電橋原理圖

圖2 測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖

3 扭振測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果

如圖2所示，扭振測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖，電阻式應(yīng)變片被粘貼于被測(cè)系統(tǒng)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(yīng)變片上防油防水。將電源與信號(hào)發(fā)射裝置固定于應(yīng)變片側(cè)。測(cè)量時(shí)，被測(cè)軸系從最低轉(zhuǎn)速分檔增加至額定轉(zhuǎn)速，應(yīng)變片與發(fā)射裝置隨軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)時(shí)將扭矩信號(hào)發(fā)射至接收裝置，接收裝置放大、解調(diào)信號(hào)，取出扭矩信號(hào)，將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10V電壓信號(hào)，根據(jù)不同軸系的直徑可由式(11)計(jì)算輸出電壓對(duì)應(yīng)的扭矩。

橫向收縮和縱向伸長(zhǎng)的關(guān)系為材料的泊松系數(shù)μ:

εx為電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱縱向應(yīng)變；εy為電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱橫向應(yīng)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(shù)采設(shè)備采集其交流電壓信號(hào)，即由扭振引起的交變扭矩信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析即可得到不同轉(zhuǎn)速，不同頻率下的扭矩大小。由扭矩-應(yīng)力對(duì)應(yīng)式(12)可計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力大小。

式中：σ為扭振應(yīng)力；Di為軸系內(nèi)徑；Do為軸系外徑；E為抗拉強(qiáng)度；GF為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；GXMT為增益；N為橋臂數(shù)量；TFS為實(shí)測(cè)扭矩；VEXC為電橋激勵(lì)電壓；VFS為輸出電壓；μ為泊松系數(shù)。

該22000m3液化氣船是單機(jī)帶固定螺距槳系統(tǒng)，主機(jī)是滬東重機(jī)有限公司的6S50ME-C8.2型6缸柴油機(jī)，將應(yīng)變遙測(cè)式扭振測(cè)量系統(tǒng)安裝在外徑為430mm，無(wú)內(nèi)孔的中間軸上,使用了應(yīng)變系數(shù)為2.02的應(yīng)變片，主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?5r/min加到114r/min進(jìn)行分檔測(cè)量,有表1轉(zhuǎn)速-扭矩表可知，其扭矩峰值出現(xiàn)在65r/min，扭矩為951kNm。根據(jù)式(3-12)計(jì)算得出表2轉(zhuǎn)速-應(yīng)力表，中間軸的扭振應(yīng)力峰值出現(xiàn)在65r/min，應(yīng)力為60.9N/mm2。測(cè)量時(shí)，柴油機(jī)正常發(fā)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(zhuǎn)速工況下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)測(cè)量。

表1 轉(zhuǎn)速-扭矩表

表2 轉(zhuǎn)速-應(yīng)力表

通過(guò)測(cè)得的中間軸的應(yīng)力值，根據(jù)扭振計(jì)算書模型，可以推算出其它軸系如曲軸、螺旋槳軸的應(yīng)力值，結(jié)果如表3

4 許用應(yīng)力和“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”

國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范對(duì)主推進(jìn)柴油機(jī)曲軸、推力軸、中間軸、螺旋槳軸和尾管軸的扭振許用應(yīng)力分別做了持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。在實(shí)測(cè)應(yīng)力超過(guò)規(guī)定的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)許用應(yīng)力時(shí)，則在這個(gè)共振轉(zhuǎn)速nc附近應(yīng)設(shè)“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”。在此禁區(qū)內(nèi),主機(jī)軸系不應(yīng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1 轉(zhuǎn)速禁區(qū)

由以上分析結(jié)果，在共振轉(zhuǎn)(65rpm)運(yùn)行工況下中間軸和螺旋槳軸最大應(yīng)力大于其持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，應(yīng)在此共振轉(zhuǎn)速附近設(shè)“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”，應(yīng)避開的轉(zhuǎn)速范圍如下:

表3 軸系扭振應(yīng)力值

nc——共振轉(zhuǎn)速, rpm； ne——額定轉(zhuǎn)速, rpm。

計(jì)算得應(yīng)設(shè)定轉(zhuǎn)速禁區(qū)范圍59rpm～71rpm。此轉(zhuǎn)速禁區(qū)與扭振計(jì)算書計(jì)算禁區(qū)一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

船級(jí)社有明文規(guī)定，首制船必須進(jìn)行軸系的扭振測(cè)量，本文通過(guò)應(yīng)變遙測(cè)技術(shù)在船舶軸系扭振測(cè)量中的測(cè)量應(yīng)用，通過(guò)對(duì)扭振測(cè)量原理、測(cè)量方法的分析，同時(shí)結(jié)合我公司22000m3液化氣船進(jìn)行了實(shí)船扭振測(cè)試和轉(zhuǎn)速禁區(qū)的設(shè)定，也進(jìn)一步說(shuō)明了扭振在首制船測(cè)試中的必要性，特別是某些低速機(jī)，如果不設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)，長(zhǎng)期在轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)運(yùn)行，會(huì)對(duì)主機(jī)以及軸系帶來(lái)極大損害。

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