船舶推进轴系运行状态监测系统设计及实验测试

付 攀

（海装北京局（某局）驻青岛地区（某）军事代表室，山东 青岛 266001）

引言

船舶推进轴系是船舶航行过程中的重要的动力装置，在航行的过程中，推进轴系主要作用是将主机的动力传递至螺旋桨，带动螺旋桨推动船舶航行。船舶轴系在运行的过程中会受到轴系自身重力、主机传递的振动以及螺旋桨带动的振动，这就造成了船舶轴系运行过程中的环境是非常恶劣的，经常会产生不同程度、不同形式的故障。随着我国交通运输行业的逐渐发展，船舶的载重力和重量不断加大，主机和螺旋桨的质量也越来越大，随之船舶推进轴的质量也越来越大，推进轴的工作负载也越来越大，这就对船舶推进轴的工作状态提出了更高要求[1-2]。船舶推进轴系的稳定运行关乎着船舶在航行过程中的安全航行，对船舶推进轴系的运行状态的监测主要是通过对船舶推进轴的各项运行参数进行实时采集，根据参数的情况来反映船舶推进轴的运行的稳定性并进行故障的预测。

1 船舶推进轴系关键参数采集方案设计

1.1 回旋振动

船舶推进轴系的回旋振动是由于船舶推进轴在实际运行过程中由于自身重力的影响产生一定的变形，导致推进轴在旋转的过程中使得旋转中心和船舶推进轴的几何中心不在一个中心线上，外在的表现上就表现为船舶推进轴系在运行的过程中产生横向的振动[3]。这种振动长期存在会导致连接螺旋桨轴的大端产生龟裂或者是严重引发轴系的断裂等严重后果。据此设计船舶推进轴回旋振动采集主要是针对船舶推进轴的回旋振动进行采集，回旋振动因属于线性振动，线性振动过程中的轴系产生的位移可以进行测量，同时也可以通过对其速度和加速度进行测量，以此来反映回旋振动的激烈程度。对推进轴系的位移、速度以及加速度三个参数进行测量，只需要测量出其中一个参数，其他两个参数就可以通过积分或者是微积分进行计算得出，船舶推进轴系的回旋振动量可以通过相关的模型计算得出正轴系的回旋振动。传统的电涡流传感器在实际的应用过程中由于其安装位置的特殊性以及在船舶上的不精确性不能够采用，只有采用加速度传感器对其进行测量。加速度传感器的使用恰好能够解决传统传感器由于只能安装在轴系的轴承座或者是基座上，导致在轴系旋转的过程中产生的纵向振动无法在基座上测量得出，只能够测量得出横向振动的问题。因此选用无线传输技术加加速度传感器对其进行测量。

1.2 纵向振动

船舶轴系的纵向振动主要是由于船舶在运行的过程中螺旋桨与海水之间会产生纵向的推力，从而导致轴系产生位移，再加上传统的船舶大部分采用的是柴油机，柴油机由于其气缸和活塞在往复运动的过程中对轴系产生纵向的振动。船舶轴系纵向的振动会导致其产生疲劳磨损等故障。船舶纵向振动同样属于线性振动，可以采用涡流传感器对其进行监测，监测位置可以设置在船舶主机的飞轮端，同样也可以采用加速度传感器对其进行测量。

1.3 扭转振动

船舶轴系主要是连接船舶的主机和螺旋桨，船舶主机在旋转的过程中会由于转子在旋转过程中各个零部件之间产生不同的旋转速度，在扭动时，主机与螺旋桨之间产生了交变扭矩，使轴产生扭振。扭转振动在实际工作过程中会导致轴系振动的振动噪声加大，甚至可能将轴系扭断。在针对扭转振动的测量时，主要是对角位移、角速度或切应力三个物理量进行监测。针对船舶轴系的扭转振动的测量本次设计中采用电阻应变片进行测量、与传统的角速度或者角位移传感器相比较，电阻应变片测量的方法有助于避免传统传感器在支架上测量的不准确性。采用电阻应变片测量再加上转速的测量能够计算得出船舶轴系的轴功率。电阻应变片安装在轴系需要测量的位置实现直接测量。

2 运行状态监测系统的设计

2.1 系统框架设计

船舶推进轴系运行状态监测系统主要是为了实现对船舶运行过程中轴系运行的关键参数的实时采集、将采集的数据进行显示、对获得的数据进行处理和分析、对原始数据的存储等功能，整个船舶推进轴系运行状态监测系统的框架如图1 所示[4]。

图1 船舶推进轴系运行状态监测系统的框架图

2.2 系统硬件设计

船舶推进轴系运行状态监测系统的主要是针对船舶运行过程中轴系的振动相关参数、界面应变以及轴承载荷以及转速、轴功率等的测量。回旋振动与纵向振动采用的是加速度传感器并带有无线传输数据采集功能。加速度传感器采用的是型号为1A314E 的IEPE 型三轴加速度传感器，装置的主要参数为量程是0～500 m/s2，频率范围为0.5～7 000 Hz，能够满足船舶推进轴系运行状态监测系统的需求。采集器的采用的是DH5928W 型号，其装置带有Wi-Fi 模块并且结构稳定，能够满足对横纵向振动测量的要求。扭转振动、轴功率以及轴承载荷采用的是应变片来进行测量。在实际测量的过程中，扭转振动和轴功率均要采集扭转应变信号，通过利用4 个应变片能够组成全桥，轴承载荷是通过两个应变片组成半桥采集截面的弯曲应变信息。全桥片的参数为电阻值为350 Ω，灵敏系数为2～2.2，极限应变为2%。半桥片的主要参数为电阻值为350 Ω，灵敏系数为1.95～2.15，应变极限系数为2%。转速和角度的测试为采用光电转速传感器来进行测量。数据采集采用的是DH5928W 和DH5905N，两个数据采集可以根据组建成为局域网。

2.3 系统软件设计

船舶推进轴运行状态监测系统是由振动采集模块、功能模块以及校中采集模块组成，振动模块是为了完成船舶推进轴系三种振动的原始参数数据的采集、数据的显示以及存储打印等功能。振动采集首先是需要完成参数的设置，然后通过点击开始采集旋钮进行数据的采集操作，操作完成后能够在电脑上显示出相关的图标，系统通过采集到的数据信息能够经过计算后得出相应的加速度、速度以及位移，来表达振动的冲击力度以及能量的大小。功能采集模块是为了实现传播推进轴系的功能数据采集、显示等功能的完成，主要是完成转速和轴功率的信息采集，最后将信息同样在显示界面进行显示。校中采集模块完成的是对轴承载荷的数据监测，通过对传感器测量到的应变信号进行计算，能够将测量点的位置、布置信息等以标准表格的显示进行显示，并且完成存储等功能。

3 实验测试

为了保证系统能够稳定的运行和正常使用，利用可拆卸式水润滑的轴系作为实验的主要物件，其分为尾轴和中间轴，直径分别为350 mm 与250 mm，长度分别为3 000 mm 和2 000 mm。电机采用的为55 kW电机，转速1 440 r/min，扭矩4 570 N·m，转速比为1/12.83。其试验台装置如图2 所示。为了验证软件测试的准确性同时采取传统的传感器直接测量进行对比，对比后发现在实际的测试结果和船舶推进轴系运行状态监测系统监测到的数据相对误差处于3%以内，这在一定程度上说明了船舶推进轴系运行状态监测系统能够满足船舶在航海时相关数据的监测功能，达到了使用的需求。同时在实际的试验运行过程中，船舶推进轴系运行状态监测系统的运行稳定。

图2 试验装置图

4 结语

船舶推进轴系在船舶航行的过程中对船舶有着至关重要的作用，船舶推进轴系运行状态监测系统的引入能够实时监测出船舶轴系的运行时的振动、轴的转速、功率以及轴承载荷的参数值。通过结合传感器、数据采集、信号处理等技术，对硬件进行选型设计，对软件的功能进行了阐述，表明了设计的船舶推进轴系运行状态监控系统能够满足船舶航行过程中的相关数据的测量。在最后通过采用实物对船舶推进轴系运行状态监测系统进行验证其准确性和稳定性，说明了船舶轴系运行状态监测系统能够满足相应的功能需求，也能够达到相应的测试精度，船舶推进轴系运行状态监测系统能够切实提升船舶在运行过程中对推进轴系状态的监测质量，通过各参数的变化对其故障进行提前预防的作用，具有着非常好的实用价值。