螺旋桨立式静平衡仪承载性能分析及实验研究

王存堂，厉建东，谢方伟，张新星

（1.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.硅湖职业技术学院机电工程学院，江苏 苏州 215300）

1 引言

海洋运输业具有运输便利、成本低廉等优点，目前国际贸易运输中有90%的贸易采用海运方式[1]。而船舶是海洋运输主要工具，作为经济全球化的重要推进器，其配件水平是否优良对行驶性能影响巨大，螺旋桨作为船舶的核心零部件，转动时产生的不平衡力矩易引起振动、噪声及磨损等不良现象。因此，螺旋桨的平衡校正问题显得越发重要[2]。

随着螺旋桨静平衡仪的发展及静不平衡检测方法的不断改进，逐渐形成几款有代表性的产品：天津修船技术研究所[3]采用现代微处理检测技术研制了2t 级静平衡仪，填补了小型螺旋桨偏重高精度检测空白。文献[4]研制了交互式重心测量实验平台，用于可调距螺旋桨的静不平衡测量。文献[5]结合称重和角位移传感器设计了基于静压球面轴承的大型螺旋桨静平衡仪。文献[6]基于静压球面油浮理论，采用气缸检测方式开发了高精度平衡机。文献[7]提出两种螺旋桨静不平衡检测算法，并设计出立式静平衡检测系统。

现有螺旋桨静平衡仪普遍存在承载能力有限、检测范围狭窄的主要缺陷，针对以上问题，提出一种大型船用螺旋桨立式静不平衡检测系统。通过对静平衡仪承载能力的计算分析设计了球面副关键尺寸参数，使检测系统适用于（30～80）t 的大型螺旋桨静不平衡检测，实验验证该系统具有较高检测精度及较强稳定性。

2 液体静压支承原理

液体静压支承为纯油液低摩擦支承，支承件与被支承件之间形成一层厚度适中的油膜，纯油液摩擦接触的状态避免两者产生刚性接触，较大地降低了接触处的摩擦力。按液压系统供油形式的区别，可分为定压供油和定量供油两种形式，每种类型根据油腔的数量又可分为单油腔及多油腔两种类型。最常见的单油腔定压式静压支承工作原理，如图1 所示。该结构包含进油孔、油腔和封油面，由供油压力为ps的外供油泵单独供能，在支承件进油孔前端安置一节流器并借助其调压作用使油腔压力pr随被支承件载荷F 的变动而自动调节，使载荷F 与油腔压力pr保持实时平衡[8]。

图1 单油腔静压支承工作原理Fig.1 Working Principle About Hydrostatic Support of Single Oil Chamber

油液进入油腔前，被支承件下表面与支承件上表面贴合，油液在进入油腔的过程中，受节流器产生的进油液阻作用，其压力从ps降至pr。进入油腔后若油腔面积与油腔压力pr的乘积小于被支承件载荷力F 时，油腔压力pr随供油压力ps的增加而增大，直至被支承件悬浮稳定，此时被支承件与油腔封油面有一间隙h，且产生出油液阻，出油液阻与进油液阻同时对油腔压力pr起节流作用，使系统处于平衡状态。

3 立式静平衡仪构成及原理

3.1 静平衡仪构成

大型螺旋桨立式静平衡仪由机械主体结构、液压控制系统、电气控制系统及计算机检测操作系统组成，如图2 所示。

图2 立式静平衡仪构成Fig.2 Composition of Vertical Static Balance Machine

机械主体结构由定心机构、悬浮机构和传感器总成组成，定心机构通过上下定心锥及支撑托盘使螺旋桨心轴与悬浮套筒轴线重合，减小安装误差对检测结果的影响。悬浮套筒与球面副以一定的公差配合关系组成悬浮机构，将螺旋桨、支撑托盘、上下定心锥、悬浮套筒看成整体，当系统提供动力时这一整体悬浮并趋于平衡。传感器总成由四个位于同一水平面且均布安装在支架上的力传感器模块构成。

计算机检测操作系统原理图，如图3 所示。四个传感器将测量所得的不平衡力矩信号传输、变送、放大并送到PLC 数据采集模块，采用偏重算法对采集数据进行计算并将结果传输至上位机，完成数据的二次处理、分析等功能。传感器采用METTLER TOLEDO 型号为TSC-100 的拉压力传感器，其额定称量大小为100kg，极限过载为300kg，最小检测分度值为50g，输出（4～20）mA 的电流信号。

图3 计算机检测操作系统原理图Fig.3 Computer Detection Operating System

3.2 静不平衡检测原理

启动检测系统，当待测螺旋桨悬浮稳定时，由于存在静不平衡质量ΔM，悬浮机构整体侧倾并产生一倾覆力矩M1，此时传感器连接顶杆与悬浮套筒下端接触并产生支反力，四个传感器的支反力合力F 产生弯矩M2以抵消倾覆力矩M1，使系统处于平衡状态。具体如下式：

式中：R—静不平衡质量质心折合半径，根据螺旋桨的不同规格选取；H—静压悬浮平面到传感器安装水平面的垂直距离，，2，3，4）为压力传感器的实测稳定数值。

4 平衡仪承载能力分析及球面副结构设计

根据GB/T 12916-2010 船用金属螺旋桨技术条件规定，直径大于3.5m 的螺旋桨称为大型螺旋桨[9]，具有较大质量，要求静平衡仪具有相应承载能力，球面副作为其核心零件，研究其关键尺寸参数与静平衡仪承载及泄露量之间的关系至关重要。

静平衡仪球面副结构，如图4 所示。当悬浮套筒处于悬浮稳定状态时，令球头与球套球心的偏心距为e，则球面副之间油膜厚度h=ecosθ，式中：θ—球头与球套接触区域相对心轴的张角，其值＆gt;θ1并＜θ2，且 θ2≠90°。

图4 立式静平衡仪球面副结构图Fig.4 Spherical Pair Structure of Vertical Static Balance Machine

设球面副油腔压力为pr，取角度为dθ 的微元体，因油膜厚度h 远小于球头半径R，故可将环形缝隙沿圆周方向展开，近似地看作平行平板缝隙间的流动，得同心环形缝隙间的流量为[10]：

式中：q—球面副油液泄漏量；μ—油液动力粘度；p—球面副油液径向压力。

由球面副结构可知，静平衡仪承载能力主要由球套下表面积决定，其面积与球头上表面积非常接近，而球头与球套环形接触区域起建立密封腔作用，设计时需满足泄露量小于额定工作流量。下面使用Matalb 软件对模型（7）各尺寸参数进行仿真分析。

取油腔额定工作压力pr=16MPa，θ1=30°时，平衡仪承载P0随球头半径R 与角度θ2变化的关系图，如图5 所示。由图可知当θ1与 θ2均不变时，P0随R 的增大而增大，而当 θ1不变，θ2逐渐变小时，P0随R 增大的速率变小，且达到同一承载所需R 值越大。结合式（3）、式（5）理论分析，当θ1不变时，θ2越接近90°，球面副在同一半径处的承载能力越强，并利于减小泄漏量，因此，取θ2=85°。

图5 球头半径与平衡仪负载关系图（pr=16MPa，θ1=30°）Fig.5 Relationship Between Spherical Pair Head and Static Balance Machine Bearing Performance（pr=16MPa，θ1=30°）

图6 球头半径与平衡仪负载关系图（pr=16MPa，θ2=85°）Fig.6 Relationship Between Spherical Pair Head and Static Balance Machine Bearing Performance（pr=16MPa，θ2=85°）

确定θ2的取值后，需要讨论θ1的取值大小对平衡仪承载随半径变化趋势的影响。pr=16MPa，θ2=85°时，R 与P0的变化趋势随θ1取值变化的对比图，如图6 所示。由图可见四条曲线的变化趋势基本相同，且趋于重合，说明当pr与θ2不变时，角度θ1的取值大小对平衡仪承载随半径变化的趋势及达到同一承载所需球头半径值的影响可忽略不计。考虑球头机加工较难、系统最大承载要求P0=80t 及强度要求，取θ1=60°，此时R=143mm，球面副泄漏量为q=0.39L/min，在合理范围之内。

5 立式静平衡仪实验研究

5.1 实验步骤

通过上述分析，确定了立式静平衡仪球面副关键尺寸值：θ1=60°、θ2=85°、R=143mm，为了验证该条件下系统的承载能力是否满足设计要求及研究静平衡仪系统的稳定性，进行了4 组现场实验，如图7 所示。实验步骤为：

（1）打开计算机操作系统，根据承载对象在上位机操作界面输入对应桨叶数和半径。（2）启动静平衡仪，使承载悬浮并稳定，系统自动记录数据后关闭静平衡仪。以10°为一分度，转动承载并在每一分度处重复上述启闭操作至承载旋转一周，得到36 组静不平衡质量与角度值。（3）使用计算机操作系统的“实时报表”功能，将所测得的数据以Excel 格式保存，处理数据，生成角度与静不平衡质量折线图并进行分析。

图7 静不平衡检测现场实验图Fig.7 Field Experiment of Static Unbalance Detection

5.2 实验结果分析

观察4 组实验所得折线图8（a）和图8（b）知，第1 组10kg挂重实验最小值M1min=9.5kg，最大值M1max=10.29kg，极差ΔM1=0.79kg 在合理范围内，且折线围绕其均值9.8kg 上下平稳波动，验证了检测系统的准确性。

第2～4 组实验有针对性地选用检测系统承载能力区间中的较小值30t、中间值40t、较大值80t 为目标承载展开实验。第2 组30 吨成品螺旋桨实验静不平衡质量最小值M2min=5.13kg，最大值M2max=6.54kg，极差ΔM2=1.41kg；第3 组40t 半成品螺旋桨实验静不平衡质量最小值M3min=12.59kg，最大值M3max=15.21kg，极差ΔM3=2.62kg；第4 组80t 半成品螺旋桨实验静不平衡质量最小值M4min=37kg，最大值M4max=42.8kg，极差ΔM4=5.8kg；实验所得三条折线均围绕平均值上下小幅波动，可知该检测系统在其工作承载区间的稳定性较强。其测量极差值随承载的增大而增大，但该随机误差均在可接受范围之内。现场实验结果及过程验证了该检测系统的承载能力符合设计要求，且该系统具有较强连续工作能力。

图8 静不平衡质量及偏角实验数据Fig.8 Experimental Datas of Static Unbalance Quality and Angle

6 结论

分析了立式静平衡仪的结构及工作原理，并着重研究球面副关键尺寸θ1、θ2对承载能力的影响关系，结果表明θ2的取值变化较θ1对平衡仪的承载能力影响更大，且θ2越接近90°，相同半径处球面副的承载能力则越强。有针对性地选择不同质量的负载进行实验，可得基于力传感器的立式静平衡仪适用于30t 至80t 的大型转子静不平衡质量检测，并可直接在上位机显示静不平衡质量大小与方位，具有适用范围广、承载能力强、准确度高的优点。区别于传统的卧式静平衡仪，较大地方便了现场操作人员对静不平衡质量定位定量磨削，保证螺旋桨加工质量的同时缩短了静不平衡质量检测工艺时间，为后续静平衡仪的优化设计提供重要参考价值。