朱 晶，孫赫應，于霄雷，王紅嵩

（大連船用推進器有限公司，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所發(fā)出的功率轉變?yōu)橥苿哟斑\動的推力，是驅使船舶前進的重要部件[1-3]。船用螺旋槳本身為復雜曲面回轉體結構，在其整個制造過程中，通常要經過鑄造、機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到圖紙要求，在工藝設計時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。到機械加工工序時，在允許存在制造公差的前提下，加工完成的螺旋槳產品在會在螺旋槳螺距、每個槳葉葉片截面厚度、每個槳葉截面外形、每個槳葉截面長度、每個槳葉位置和基準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偏離軸線，從而產生偏心距，造成螺旋槳自身不平衡，螺旋槳在水中做旋轉運動推動船舶前進的過程中就會引起噪聲或振動，最終將導致嚴重的后果[4-7]。鑒于此，成品螺旋槳在出廠前或者是受損的螺旋槳經過修理后，一般均需要使用平衡檢驗來確定存在偏差槳葉的重量和具體位置，通過合理而有效的處理方法，準確地控制螺旋槳的不平衡重量，以滿足船級社規(guī)范要求的允許偏差質量范圍[8-10]。本文對螺旋槳主要使用的平衡檢驗方法進行了歸納并系統(tǒng)地介紹每種方法的特點。

1 螺旋槳的平衡

1.1 螺旋槳的平衡檢驗的必要性

鑄造毛坯螺旋槳經過機械加工和人工打磨后，由于槳葉外輪廓差異、單葉片質量偏差、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動軸線不重合，即螺旋槳重心位置與每個葉片之間的凈質量不完全相同，導致螺旋槳產生不平衡。

船舶在水中航行時，位于船舶尾部的螺旋槳圍繞軸線做旋轉運動推動船舶前進。當船舶行駛至淺灘水域或是旋轉的槳葉碰到水面漂浮的物體，將會導致槳葉邊緣發(fā)生卷邊、變形、翹曲或鋸齒狀損傷，嚴重時槳葉會發(fā)生斷裂，亦會造成螺旋槳完全失去平衡。

在海水中高速旋轉的螺旋槳有時也會因金屬材料成分不均勻或內部存在小缺陷而發(fā)生除了電化學腐蝕，加之長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后的螺旋槳均需要進行平衡檢驗。

1.2 螺旋槳的平衡檢驗理論

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

1.2.1 靜平衡

1）定距螺旋槳平衡檢驗理論

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

式中：G為計算掛重，kg；R為螺旋槳半徑，m。

當螺旋槳直徑D＞1.5 m時，掛重為

式中：m為螺旋槳質量，kg；n為螺旋槳轉速，r/min；C和p均為系數，根據轉速n及螺旋槳級別系數K進行選擇，不同級別螺旋槳對應的K與p值見表1。

表1 不同級別螺旋槳的K和p值

當螺旋槳直徑D≤1.5 m時，計算掛重根據式（4）計算。

式中：D為螺旋槳半徑，m。

2）調距螺旋槳平衡檢驗理論

對于組合式螺旋槳(如可調距槳)部件而言，若船級社或訂貨方不要求對螺旋槳整槳做靜平衡檢驗時，需要對單個葉片進行力矩平衡檢驗，分別確定各個槳葉重心對于螺旋槳軸線的平衡力矩。例如，四葉可調螺距螺旋槳每片葉片對于螺旋槳軸線的平衡力矩應滿足式（5）要求

式中：Wi為序號為i的槳葉的重量；Xi為序號為i的槳葉重心距螺旋槳軸線的距離；N為螺旋槳轉速；Δmi為序號為i的槳葉的平衡力矩；f為系數，不同級別螺旋槳對應的系數f值見表2。

表2 不同級別螺旋槳的f值

陶先榮[13]在研究螺旋槳不平衡時指出，臨時支撐工裝的精度對螺旋槳的靜平衡有很大的影響。而貫穿軸兩端軸承的實際滾動阻力Fr是影響其精度的主要因素?？紤]到影響Fr的諸多因素，他采用了試驗方法求Fr。通過試驗可知，理論的滾動阻力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為滾軸客服滾動阻力時法向力的位移。

陶先榮在經過數次試驗后獲知，只有在實際滾動阻力Fr'＜0.02G/R時，臨時支撐工裝的精度才滿足要求。此外，在研究螺旋槳靜平衡時，影響臨時支撐工裝精度還應考慮貫穿軸的垂直度、強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方法。在給出新方法前，他通過2種傳統(tǒng)螺旋槳靜平衡試驗方法的舉例，明確指出摩擦力矩的數值是影響靜平衡試驗結果的直接因素。隨后針對上述問題，他先運用積分及線性代數計算確定了螺旋槳不平衡質量中心的幾何位置及不平衡度的值。之后，經過一系列的公式推導證明，在他的平衡試驗方法中，掛重值可以不受嚴格限制，但要通過試驗計算得出確定的質量偏心距，才可以確定槳的不平衡的許可值。最后，他基于某測量葉片中心線與偏心距半徑的夾角和計算的質量偏心距，借助于正弦定律的相關計算，找出處理螺旋槳較重葉片上需要削掉的位置及消掉質量。

龍旭平[14]提到螺旋槳靜不平衡的主要影響因素有2點：1）螺旋槳的每個槳葉之間存在質量差；2）測試螺旋槳靜平衡的設備或裝置的精度存在問題。他圍繞測試裝置的內摩擦阻力矩Mf對螺旋槳靜平衡的影響做了重點討論。他通過嚴謹的科學分析后得出，在螺旋槳靜平衡試驗中，為了使內摩擦阻力矩在任何情況下都符合要求，可采用“2次掛重法”測量某次螺旋槳靜平衡測試時試驗裝置的內摩擦阻力矩。由計算公式推導，他獲知Mf＜GR/2，這時的螺旋槳靜平衡檢測裝置的Mf合格，國家標準GB 12916—91規(guī)定兩者相等時亦可[8]。由此可知，在螺旋槳靜平衡測試中，所選裝置的內摩擦阻力矩Mf≤GR/2符合規(guī)定。

周洪喆[15]指出螺旋槳等速旋轉時，其重心偏離轉動軸線，因重量不均衡會導致離心力的產生；通過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不平衡分別會在什么條件下出現。在指出了螺旋槳不平衡產生的原因及會引發(fā)的后果后，他給出了其他國家在進行螺旋槳平衡檢測時經過計算推導出的允許不平衡重量，見表3。

表3 國外船規(guī)常用允許不平衡重量

1.2.2 螺旋槳動平衡檢驗理論

中國船級社規(guī)范規(guī)定[11]，設計轉速在500 r/min及以上的螺旋槳一般要求做動平衡檢驗，允許的不平衡力矩要符合該社批準圖紙的要求。若圖紙對動平衡無明確要求時，則要求螺旋槳的剩余不平衡質量不得超過按以下公式進行計算得出的衡準值uper。

式中：uper為許用不平衡質量；G’為平衡品質等級，根據ISO 1940，此處G'為16 mm/s；m為螺旋槳質量；r為平衡半徑，r=0.8R；n為螺旋槳轉速。

華漢金等[16]針對船用螺旋槳動平衡檢測問題，提出了自己的一種檢驗方法，主要用于發(fā)現和排除螺旋槳入水前高速旋轉時自身引起的振動，可避免與螺旋槳空泡噪聲混淆。他的方法以假設某轉速條件下，螺旋槳動不平衡質量力矩與其引起的振動振幅變化趨勢相同為前提條件，在計算出螺旋槳外加一個不平衡配重而產生的不平衡力矩導致的振動的振幅A配重后，再計算該螺旋槳最初動不平衡力矩m初與y初的乘積。他通過4次測試振動的試驗，分別得出了最初動不平衡振幅、外加一個配重于螺旋槳槳轂某位置后的動不平衡振幅、第2次試驗中的配重加于前次試驗軸對稱位置后的動不平衡振幅和A配重與m初和y初的乘積。通過第4次試驗的驗證可知，在排除螺旋槳振動后，可判斷出加配重槳葉的輕重，經過進一步的構圖結合計算，最終可得出螺旋槳動不平衡的位置及重量。

螺旋槳平衡的理論一般以中國船級社規(guī)范或ISO 484/1為依據。綜上可知，在螺旋槳平衡檢驗方法的研究中，研究者們更多考慮的是靜平衡檢驗設備的精度，如貫穿軸的兩端軸承的滾動阻力及設備的內摩擦力矩的值都會對平衡檢驗結果有一定的影響。未來的靜平衡檢驗研究，應該多以實測為主，反復試驗，不斷積累檢驗數據，從而逐步排除檢驗設備對平衡結果的影響，只針對螺旋槳自身而言，使靜平衡檢驗結果更精準。對于動平衡檢驗方法的研究，因為螺旋槳在旋轉的動態(tài)條件下試驗，可以考慮與螺旋槳振動和螺旋槳噪聲結合研究，通過大量的試驗數據排除不相關