基于顶举法的船舶推进轴系负荷测试方法研究

张利军

基于顶举法的船舶推进轴系负荷测试方法研究

张利军

0 引言

轴系较中就是按一定的要求和方法，将轴系敷设成某种状态，处于这种状态的轴系，其全部轴承上的负荷及各轴段内的应力都处于允许范围之内，或具有最佳的数值，从而可保证轴系持续正常运转[1]。为此，应在轴系的各种工作状态下，对各轴承的负荷进行实时测量，根据每次测量结果，调整负荷较大的轴承高度，保证各轴承的负荷都具有较小的数值，维持轴系的正常运转。

根据顶举法的轴承负荷测量原理，构建船舶推进轴系轴承负荷的测量方法，在此基础上结合顶举曲线，总结出顶举系数的计算方法和顶举法测量轴承载荷的具体方法。

1 顶举法的轴承负荷测量工作内容

顶举法测量轴承负荷设备简单、操作方便，可以结合压力传感器进行测量，从而提高测量结果的准确性。该方法已在国内外各修、造船厂得到广泛应用。顶升法是一种有效的轴承负荷计算方法，该方法通过记录顶轴过程中轴的升高量，再进行计算分析得到轴承的实际负荷。

1.1 顶举法测力工作原理

液压千斤顶顶举法测量轴系中某一轴承负荷，就是在该轴承附近安放一个液压千斤顶，用它将轴逐步顶起，直到被测轴承与轴劲完全脱空[2]。在顶起轴的过程中，用百分表记录轴的升高量，并同时记下千斤顶相对应的负荷值，绘制顶举曲线，求得用千斤顶代替被测轴承时的顶升油压值，换算为顶举力后，乘以顶举系数，即可得到被测轴承的实际负荷。

1.2 顶举法测力方法

1.2.1 顶举支点选择及千斤顶的安置

千斤顶顶举支点应选择尽可能靠近被测轴承的部分，如图1所示。

图1 千斤顶位置

顶举前，在选定的顶举支点处安置好千斤顶，并在轴与千斤顶顶头之间安放滑鞍和垫块，在顶举支点对称的位置上装好百分表[3]。

1.2.2 顶举测力的过程

1）顶举前，将百分表调好零点，这时千斤顶刚刚与轴接触，但不得使轴有丝毫顶起；

2）开始泵油，用千斤顶将轴徐徐地顶起，并不断地记录轴的位移量和相对应的千斤顶油压。通常是在轴承脱空后再顶升一段距离，但轴被顶起的高度不得超过轴承间隙；

3）缓慢地泄油，使轴徐徐地下降，同样也要不断地记录轴的下降位移量和相对应的千斤顶油压，直到千斤顶完全不受力，轴回复到原位[4]。

1.2.3 顶举过程注意事项

1）顶举测量时，应每个轴承单独地进行，不能几个轴承同时顶举；

2）放置千斤顶的座子必须有较好的刚性，百分表架应单独装在不受轴及千斤顶影响的位置上；

3）千斤顶顶举支点、百分表杆的触点必须是同一轴颈截面上的最低点和最高点；

4）应保证轴在顶举过程中不受任何阻碍，其轴上不得有其他外力作用；

5）在记录时，应在百分表指针稳定后进行读数；

6）为能绘制出准确的顶举曲线，在记录读数时曲线斜率大的部分较之斜率小的部分多记录几次[5]。

2 轴承实际负荷的计算

用液压千斤顶测得轴系各测量处的液压值后，根据绘制的顶举曲线求得顶举力，再利用求得的顶举力乘以顶举系数得到所求轴承的实际负荷。

2.1 顶举系数的计算

2.1.1 三弯矩方程

首先把船舶轴系看作一横梁，计算梁的支座不等高(轴承有位移)所造成的变形。不计梁的自重及外载荷影响。

1）对于第i支座(图2)，取第i支座左、右两跨梁的脱离体。可列出如下三弯矩方程[6]：

图2 计算梁示意图

第i支座左跨梁右端的变形为：

第i支座右跨梁右端的变形为：

故得：

式中：Mi-1、Mi、Mi+1分别为第i-1、i、i+1支座截面的弯矩；yi-1、yi、yi+1分别为第i-1、i、i+1支座截面的位移。

2）对于轴系末端，为自由端，弯矩应力为0，即：

3）对于轴系首端，如作为自由端处理，其弯矩为0，即：

如作为固定端处理，其转角为0，即：

2.1.2 弯矩影响数的计算

应用式（3）、式（4）、式（5）或式（6）计算。对于第j个支座，当其变位1mm时，可列出含有n个(与轴承数相等)方程的线性方程组：

式中：Mij(i=m,j=1～n)为待求的弯矩影响数；Mij(i=n，j=1～m)为待求变量的系数，由已知Ei、li、及Ii计算而得，见式（1）～式（3）；Ci,n+1为常数项，由已知量li及第j轴承的变位量yj计算而得，见式（1）～式（3）。

由于轴系中任一个轴承变位均可列出一个线性方程组，故使第1轴承到第n轴承依次变位1mm，则可列出与轴承数相等的n个线性方程组，由每个线性方程组能求出全部轴承的弯矩影响数（n×n个）。

2.1.3 负荷影响数的计算

轴承负荷影响数，可根据所求得的弯矩影响数进行计算。当第j轴承产生一单位位移则使第i-1、i、i+1三个支座处产生弯矩增量Mi-1、Mi、Mi+1，这时第i轴承的负荷增量为：

对于首尾两个轴承：

为此，可写出计算负荷影响数的通式：

式中：Aij(i=1～n,j=1～m)负荷影响数；Mij(i=1～n，j=1～m)弯矩影响数。

2.1.4 轴承顶举系数的计算

式中：ABB为被测轴承B对自已的负荷影响数；AJB为被测轴承B对千斤顶J的负荷影响数，此时将千斤顶作为轴系的一个实际支承。

2.2 顶举曲线的绘制及千斤顶负荷的确定

1）顶举曲线的绘制

根据顶举中所记录的轴位移量及千斤顶负荷，可作出如图3所示的顶举曲线[7]。纵坐标为轴的位移量，横坐标为千斤顶负荷，根据油压按下式计算而得：

式中：d为千斤顶油缸柱塞的直径，cm；b为油缸的油压，N/cm2。

图3 顶举曲线

2）千斤顶载荷的确定

由于滞后的影响造成顶举过程中所测出的上升曲线与下降曲线不重合，因此在确定千斤顶负荷时，应取其平均值。故千斤顶代替被测轴承且轴的位移为 0时的负荷R0J可按下式计算：

式中：A、B见图3，各由延长线段ba及cd求得。

2.3 轴承实际负荷计算

取轴系部分轴段，如图4所示，B为被测负荷的轴承，J为安置在此轴承附近的液压千斤顶支承。

图4 顶举测量原理

1）使千斤顶J刚刚与轴接触，此时千斤顶负荷RJ＝0。

2）使B轴承下降，在此过程中，B轴承的负荷RB将逐渐减小，且减小量可用下式求得：

千斤顶负荷RJ将逐渐增大，且增大量可用下式求得：

式中：R0B为被测轴承无位移时的实际负荷，N/mm2；δB为被测轴承的位移量，mm；ABB为轴系增加千斤顶支承后，B轴承自身的负荷影响数，9.8N/mm；AJB为B轴承对千斤顶J支承的的负荷影响数，9.8N/mm。

3) 当B轴承下降到脱空时，即RB＝0时，可得：

在B轴承脱空并由J支承代替它支承轴系时，千斤顶上的负荷RJ为R0J，可得：

由上两式可得：

或写为：

3 船舶推进轴系负荷测试计算算例

根据上述液压千斤顶法轴系负荷测试方法，对国内某船厂某型号船舶推进轴系中间轴承进行了实船测量，并对测量数据进行了分析计算，得到轴承负荷计算结果如表1所示。与应用电阻应变片法轴系负荷测试方法同状态下测试计算结果进行比较，对比结果如表1所示，从中可以看出，两种方法的测量结果较为接近。

表1 液压千斤顶法轴承负荷计算结果

4 结论

目前,液压千斤顶法和电阻应变片法是国内外采用的轴承负荷测量方法。电阻应变片法技术较为复杂,专业技能要求高，需要的设备较为昂贵，测量成本较高，且应变片贴片时间较长，贴片质量对结果影响大。液压千斤顶法需要的设备简单，操作灵活方便，测量成本低，非常适合现场测量，因此在轴承负荷测量中得到广泛的应用。

本文对液压千斤顶测量轴承负荷的方法进行了系统研究，包括测量过程的注意事项和轴承负荷的计算方法，通过实船测量，以及在相同条件下液压千斤顶法和电阻应变片法的结果比较分析，证明应用本液压千斤顶法测量轴系负荷，测量结果与电阻应变片法近似，能够满足国内轴系测量的精度要求，同时具有很好的经济性。

[1]周继良,邹鸿钧.船舶轴系校中原理及其应用[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]张金香.船舶轴系安装及校中[C]//福建省科协第五届学术年会数字化制造及其它先进制造技术专题学术年会论文集,2005年.

[3]董立敏,高胜利,孙忠旺.如何正确利用顶举法测量中间轴承实际负荷[J].中国修船,2004(2):35-36.

[4]温玉奎.千斤顶顶举法测量轴承负荷的影响因素[J].海事论坛,中国船检,2008(7):97.

[5]郑定育.船舶轴系顶举试验实践[N].中国水运,2011(4):95-96.

[6]张昇平,周瑞平,颜世文.三弯矩方程的改进及船舶轴系校中软件研究[J].造船技术,2003(2):36-38.

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

● （中远船务工程集团有限公司 技术中心，辽宁大连 116600）

船舶推进轴系负荷测试是轴系安装过程和检验过程中不可缺少的环节,通过有效的检验方法,检测中间轴承以及主机的主轴承所承受的实际负荷是否在理论计算允许的范围之内。本文介绍了基于顶举法的轴承负荷测量原理、测量过程和计算方法。经过实船数据的测量计算，并与应用电阻应变片法测量数据比较和分析，说明该方法在船舶推进轴系负荷测试的可行性和经济性。

液压千斤顶法；顶举系数；轴承负荷；轴系校中

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

张利军（1977-），男，工学博士。主要从事船舶与海洋工程总体和结构设计研发工作。