基于电阻应变片法的船舶推进轴系负荷测试方法研究

曲 智， 汪 骥， 刘玉君， 韦智元， 顾圣骏

(大连理工大学， 辽宁 大连 116024)

基于电阻应变片法的船舶推进轴系负荷测试方法研究

曲 智， 汪 骥， 刘玉君， 韦智元， 顾圣骏

(大连理工大学， 辽宁 大连 116024)

船舶推进轴系负荷测试是船舶推进轴系设计、校中计算、轴系安装、调整等过程中不可缺少的环节，其目的是使船舶实际运营中的轴承负荷在设计允许的范围之内。利用轴系截面应变测量原理，推导出轴系应变、截面弯矩与轴承负荷三者之间的数学关系式，在此基础上，确定了后艉轴承载荷分配比例与支点位置计算方法。经过实船数据的测量计算，并与国外实验结果的比较和分析，证明了该方法能够满足目前国内船舶推进轴系负荷测试的需要。

电阻应变片法 船舶推进轴系 轴承负荷 轴系校中

1 引言

船舶推进轴系在运转中承受着复杂的应力和负荷。为确保轴系长期安全正常地运转，除在轴系设计时应保证具有足够的强度及刚度外，轴系校中必不可少。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，处于这种状态下的轴系，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]。

船舶轴系校中质量的优劣，对保障轴系及主机的正常运转，以及对减小船体振动有着重要的影响。因此，对船舶推进轴系校中的质量需实行严格地管理和监督，应在轴系的各种工作状态下，对各轴承的负荷进行测量，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[2]。

本文根据电阻应变法的轴承负荷测量原理，构建了船舶推进轴系截面弯矩测量方法，在此基础上，基于梁结构力学与轴系合理校中原理，推导出后艉轴承载荷分配比例与支点位置的计算方法。

2 电阻应变片法测量

电阻应变片测量轴系弯曲变形,是计算轴系实际弯矩及负荷的方法[3]，通过测量轴弯曲应变值，可以计算轴截面弯矩、剪力、轴承实际负荷及轴承位移量等。

2.1 电阻应变片法的工作原理

船舶轴系在静态时可视作工程力学中的连续梁。各轴段的自重、螺旋桨、联轴器、推力盘、飞轮、减速器大齿轮等均作为加在梁上的载荷。在这些载荷作用下梁将产生弹性弯曲变形。同时，当轴系的各轴承不同轴时，可视为连续梁的支座不等高，这时也将产生弹性弯曲变形。梁的弯曲变形，可借助电阻应变片及应变仪测出其应变值，根据测量得到的应变值可以计算出测量截面处的弯矩，然后按连续梁的性质计算出轴系有关截面上的弯矩，最后按梁的力学平衡条件计算出轴承实际负荷。

2.2 电阻应变片法测量过程

2.2.1 应变片的粘贴[4]

应变片在轴上粘贴的位置，应尽量靠近被测轴承。一般可粘贴在离被测轴承端面50～200 mm处。轴系上几个测量截面(测点)的同侧粘贴点应处在轴系轴表面的同一母线上。为此，应在贴片前在轴的贴片点处用划针轻轻划出贴片中线。且必须注意保证应变片的粘贴质量。贴片前应用细砂纸将贴片点处打磨光洁，并除油。用502胶粘贴，用防潮胶或蜡进行防潮处理。粘好后，它与轴表面的绝缘电阻应大于200 MΩ。

2.2.2 连桥方式

轴系每一个测量截面上应变片的粘贴数量及位置都与接桥方式有关，常分为单片、二片及四片，接半桥或全桥方式测量。实际测量中常用的是二片半桥接法(见图1)，在测量截面相对称的位置上增贴一片测量片，既能使所测得的应变值比单片扩大一倍，提高测量精度，且两个应变片又能作温度补偿片用。

图1 二片半桥接法

2.2.3 应变测量

电阻应变片在轴系各个测点粘贴好后，将轴系按顺、逆时针方向各转2～3圈，以消除贴片时内应力的影响。然后按图1中的接桥方式用屏蔽导线将电阻应变片与静态应变仪连接起来，便可按下列步骤进行应变测量[5]：

(1) 盘车转动轴系，使各个测点的主测量片R1置于垂直位置(或水平位置)；(2) 将应变仪各测点调零平衡；(3) 盘车转动轴系旋转90°，测量并记录各测点的应变值；(4) 盘车转动轴系，使轴系转至180°，270°，360°，分别测量和记录各测点的应变值；(5) 反向盘车，使轴系回转至270°，180°，90°，0°，分别测量和记录各测点的应变值；(6) 由轴系正、反转所测得的各相对测点的应变值，计算出轴系各测量截面在垂直及水平方向的应变值。

2.3 测量截面处弯矩计算[6]

根据工程力学原理并考虑到应变实际测量中的某些修正，可按下列两式计算测量点截面上的弯曲应力及弯曲力矩：

弯曲应力：σ=±Eεβ/A

弯曲力矩：M′=±Wσ=±WEεβ/A

式中：ε为实际测得的应变量；W为轴的截面模量；E为轴材料的弹性模量；β为线路修正系数；A为桥臂系数；M′为测点弯矩；其符号规定如下：M垂直“+”时轴段上凹，M水平“+”时轴段右凹。

3 轴承负荷计算方法

用应变测量求得轴系各测量截面处的弯矩后，可应用“单元法”计算轴系支点截面上的弯矩及轴承上的实际负荷。将轴系按测点截面断开分成若干轴段——单元轴段，在单元轴段内由已知的外载荷及测点弯矩，按工程力学中力和力矩平衡原理，以求得轴承截面的弯矩及轴承反力。

3.1 单支点时轴承负荷及支点位置

将后艉轴承简化为单支点，目标是计算该支点位置及支反力。假设支点位置(O)距后艉轴承后端点(A)的距离为x’，如图2所示。在后艉轴承前端点(B)附近、中间轴承左侧各粘贴1组应变片(C、D)，测得应变片所在截面的弯矩M1’、M2’。根据力、力矩平衡方程，求得后艉轴承支点位置x’、支反力R1。

(1)

(2)

图2 艉轴轴系示意图(单支点)

3.2 轴承负荷分配计算

将后艉轴承假设为双支点，前支点位于后艉轴承前端点， 后支点位于后艉轴承后端点， 如图3所示。在后艉轴承与中间轴承附近位置各粘贴1组应变片(C、D)，测得应变片所在截面的弯矩M1’、M2’。根据力、力矩平衡方程，求得后艉轴承前后端点的支反力R1、R2，后艉轴承负荷分配比例即为R1：R2。

图3 艉轴轴系示意图(双支点)

(3)

(4)

4 船舶推进轴系负荷测试计算算例

根据上述电阻应变片法轴系负荷测试方法，对国内某船厂某型号船舶推进轴系的后艉轴承和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。与国外专业测试机构同状态下测试计算结果进行比较，误差值如表2所示，从中可以看出，本文的计算结果与国外专业机构测试结果较为接近。

表1 电阻应变片法轴承负荷计算结果 (负荷单位：t；向上、向右舷为正)

表2 与国外测试计算结果的误差值

5 结论

船舶推进轴系负荷测试是船舶推进轴系设计、校中计算、轴系安装、调整等过程中的重要环节，对保证船舶推进轴系正常运转具有重要意义。本文基于电阻应变片法的测量原理，结合船舶推进轴系的特点，确定了船舶推进轴系负荷测试计算方法，能够得到轴承负荷及支点位置、轴承负荷分配比例。

通过实船测量和数据计算，并与国外专业测试机构的结果进行了比较，证明了本文介绍的方法能够满足目前国内船舶推进轴系负荷测试的需要。

[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] 吴杰长，黄世亮.船舶推进轴系校中技术若干问题研究[J].造船技术,2007，2：26-28.

[3] 张洪田，王传溥.船舶轴系合理校中的应变片检测技术[J].船舶工程, 1989，3：36-41.

[4] 董伟.电阻应变片粘贴技巧[J]. 山西建筑. 2011，28：46-48.

[5] 邓阳春，陈钢，杨笑峰.消除电阻应变片大应变测量计算误差的算法研究[J]. 实验力学，2008，3：227-233.

[6] Nenad Vulic ＇,Ante Sestan, Vedrana Cvitanic＇. Modelling of Propulsion Shaft Line and Basic Procedure of Shafting Alignment Calculation[J]. Brodogradnja, 2008.

Research on the Load Measurement of the Marine Propulsion Shafting System Based on the Resistance Strain Method

QU Zhi, WANG Ji, LIU Yu-jun, WEI Zhi-yuan, GU Sheng-jun

(Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

The load measurement of marine propulsion shafting system is an essential part to make the bearing load in the actual ship operation within the allowed range during shaft design, alignment calculation, shafting installation and adjustment, based on the measurement principle of shaft cross section strain, mathematical relationship between shaft strain, section bending moment and bearing loads have been derived and load distribution ratio of the rear bearing and calculation method of the fulcrum position have been determined on this basis. With measurement and calculation for a real ship, compared with the foreign tests, it is shown that the method can be able to meet the needs of the load measurement of marine propulsion shafting system.

Resistance strain method Marine propulsion shafting system Bearing load Shaft alignment

曲 智(1988-)，男，硕士研究生。

U664

A