基于应变测量与弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法

摘要

本发明公开了一种基于应变测量与弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法，主要包括以下步骤：确定应变测点布置方案；计算轴系中所有轴承对各应变测点截面弯矩影响系数；计算各应变测点的横向弯矩与垂向弯矩；求解轴承的垂向变位与水平变位；设计轴系校中模型，并将得到的轴承垂向变位值和横向变位值代入轴系校中模型，计算得到轴承负荷，将由应变法得到的轴承负荷与现场千斤顶顶举的负荷相比，判断轴系的安装状态。本发明的有益效果为：本发明通过轴上截面弯矩与轴承变位之间的线性关系，推算出各个轴承的垂向变位与横向变位，进而得出轴系的整体安装状态，这种检测方法涉及到的参数较少(涉及垂向变位与横向变位)，过程简单易行，结果准确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶推荐轴系校中技术，具体涉及一种基于应变测量及弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法。

背景技术

船舶推进轴系安装状态的好坏直接关系到轴系能否长期可靠运行。因此，轴系安装完成后必须进行检验，确定轴系的状态。传统的负荷法或应变法都是通过测量部分轴承的负荷与规范许用值对比，其容差范围高达20％。以上两种方法工作量很大且测量结果不准确，无法得到包括全部轴承负荷、截面弯矩、转角、剪力等轴系安装状态参数，也无法对轴系横向的对中质量进行检验。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种基于应变测量与弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法，解决现有技术存在的测量结果不准确的问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于应变测量与弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法，主要包括以下步骤：

步骤一、根据轴系布置形式，确定应变测点布置方案；

步骤二、计算轴系中所有轴承对各应变测点截面弯矩影响系数；

步骤三、按应变测点进行弯曲应变测量，并得出各应变测点的横向弯矩与垂向弯矩；

步骤四、根据各应变测点处截面的弯矩值及弯矩影响系数求解轴承的垂向变位与水平变位；

步骤五、设计轴系校中模型，并将得到的轴承垂向变位值和横向变位值代入轴系校中模型，计算得到轴承负荷，将由应变法得到的轴承负荷与现场千斤顶顶举的负荷相比，若两者差值小于20％，轴系状态无异常，输出轴系实际安装状态；若两者差值超过20％，轴系状态。

按上述方案，在步骤一中，在船舶推进系统舱室中的中间轴和配轴轴段布置应变测点。

按上述方案，在步骤一中，单艉轴承轴系的应变测点数至少为N_IB+1，N_IB为中间轴承数量，应变测点布置方式为：从艉轴承开始至主机第一道轴承之间的每一跨梁内各布置一处测点。

按上述方案，在步骤一中，双艉轴承轴系的应变测点数至少为N_IB+2,N_IB为中间轴承数量，应变测点布置方式为：先从艉轴承开始至主机第一道轴承之间每一跨梁内各布置一个应变测点，任选一处跨梁再布置一个应变测点。

按上述方案，跨梁内布置一个应变测点，应变测点与两端轴承的距离不小于跨梁长度的30％；跨梁内布置有两个应变测点，两个应变测点之间的距离不小于跨梁长度的40％。

按上述方案，在步骤二中，弯矩影响系数为某个轴承抬升单位高度而其他轴承位置保持不变的情况下各个截面弯矩的变化量，通过下式计算：

在式(1)中，x_j表示第j号轴承的变位，M_i0与M_i分别为i截面的直线状态弯矩与实际状态下的弯矩，弯矩影响系数a_ij表示第j个轴承抬升单位高度对i截面造成的弯矩变化量，可用过下式计算出全部轴承对各个截面的弯矩影响系数；

a_ij＝M_ij-M_i0(2)

式(2)中，M_ij表示第j个轴承抬升单位高度而其他轴承保持直线的情况下i截面弯矩。

按上述方案，在步骤三中，各应变测点的横向弯矩与垂向弯矩的具体计算过程为：

a)、在各应变测点所在截面的两侧对称布置应变片，两侧应变片的连线水平且通过轴线，组成全桥或半桥桥路；应变片连接应变采集单元后，通过盘车装置将轴缓慢旋转，同时开始采集应变信号；

b)、利用下式计算轴本身的弯曲应变：

ε'＝ε-(ε_max+ε_max)/2(3)

式(3)中，ε_max与ε_min分别为最大测量应变值与最小测量应变值。

c)、按一定角度间隔选取一定量的应变数据，联立下式计算最大应变值ε_max′与表示最大应变位置的β角，

式(4)中，n为应变数据的点数，最小为2，为减小测量误差对结果的影响，一般取10以上通过最小二乘方法求解；

d)、利用下式计算对应截面处的垂向弯曲应变与横向弯曲应变：

式(5)中，ε_V为垂向弯曲应变；ε_H为横向弯曲应变。

e)、利用下式计算对应截面处的垂向弯矩与横向弯矩：

式(6)中，E为轴材料的弹性模量；W为截面抗弯模数，W通过下式计算：

式(7)中，D为截面外径，d为截面内径(若为实心轴d＝0)。

按上述方案，在步骤四中，单艉轴承轴系中轴承的垂向变位与水平变位的计算过程为：a)利用下式计算轴承的垂向变位：

b)利用下式计算轴承的横向变位：

在式(8)和式(9)中，N为总测点数，n为轴承总数，n_Mb表示主机轴承数量，L_ij表示第i道主机轴承与第j道主机轴承之间的距离，x_jV与x_jH分别表示第j道轴承的垂向变位与横向变位，M_iV与M_i0分别表示i截面的实测弯矩与直线状态弯矩，M_iH表示第i个截面的横向弯矩，x_STB表示给定的艉轴承高度，s表示预设的主机倾斜角度，若主机水平安装则s＝0，在理论校中计算中各轴承横向变位均为0，因此计算横向变位时艉轴承高度与主机斜度均设为0。式(8)与式(9)中，第1～N个方程为弯矩影响系数方程，第N+1个方程为给定艉轴承高度，第N+2～n个方程为将主机轴承按一定斜度分布的约束。

按上述方案，在步骤四中，双艉轴承轴系中轴承的垂向变位与水平变位的计算过程为：

a)利用下式计算垂向变位：

b)利用下式计算横向变位

式(10)与式(11)中，N为总测点数，n为轴承总数，n_Mb表示主机轴承数量，L_ij表示第i道主机轴承与第j道主机轴承之间的距离，x_jV与x_jH分别表示第j道轴承的垂向变位与横向变位，M_iV与M_i0分别表示i截面的实测弯矩与直线状态弯矩，M_iH表示第i个截面的横向弯矩，x_STB表示给定的艉轴承高度，s表示预设的主机倾斜角度，若主机水平安装则s＝0，在理论校中计算中各轴承横向变位均为0，因此计算横向变位时艉轴承高度与主机斜度均设为0；x_ASTB与x_FSTB分别表示预先设定的后艉轴承和前艉轴承高度，计算横向变位时艉轴承高度设为0。式(10)与式(11)中，第1～N个方程为弯矩影响系数方程，第N+1与N+2个方程为给定艉轴承高度，第N+3～n个方程为将主机轴承按直线分布的约束。

本发明的有益效果为：本发明通过轴上截面弯矩与轴承变位之间的线性关系，推算出各个轴承的垂向变位与横向变位，进而得出轴系的整体安装状态，这种检测方法涉及到的参数较少(涉及垂向变位与横向变位)，过程简单易行，结果准确度高。

附图说明

图1为本发明中单艉轴承轴系的应变测点布置图。

图2为本发明中双艉轴承轴系的应变测点布置图。

图3为本发明中轴系旋转一周应变片采集的应变信号波形图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述。

一种基于应变测量与弯矩影响系数的推进轴系状态检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据轴系布置形式，确定应变测点布置方案

本方法基于弯矩影响系数推算轴承变位，因此必须根据弯矩影响系数的性质及轴系布置类型选取合理的应变测点布置方案。在船舶推进系统舱室中，艉轴承至螺旋桨部分由于密封需要，一般不能布置应变测点；而主机或齿轮箱(以下统称主机)在安装时已封装完毕，其内部的轴段也是不能布置应变测点的；而除此之外的中间轴、配轴等轴段均可布置应变测点。对于单艉轴承轴系，其应变测点数至少为N_IB+1(N_IB为中间轴承数量，下同),其应变测点布置方式为：从艉轴承开始至主机第一道轴承之间的每一跨梁内各布置一处测点，如图1所示(在图2中，1为轴系，2为艉轴承，3为尾轴管，4为中间轴承，5为应变测点，6为主机轴承，7为主机轴)；对于双艉轴承轴系，其应变测点数至少为N_IB+2,其应变测点布置方式为：先从艉轴承开始至主机第一道轴承之间每一跨梁内各布置一个应变测点，然后任选一处跨梁再布置一个应变测点，如图2所示(在图3中，1为轴系，2a为后艉轴承，2b为前艉轴承，3为尾轴管，4为中间轴承，5为应变测点，6为主机轴承，7为主机轴)。

为减小测量误差对计算结果的影响，按以上方式布置的应变测点，若跨梁内布置一个应变测点，则该应变测点与两端轴承的距离不小于跨梁长度的30％；若跨梁内布置有两个应变测点，则两个应变测点之间的距离不小于跨梁长度的40％。

步骤二、计算轴系中所有轴承对各应变测点截面处的弯矩影响系数，弯矩影响系数也即某个轴承抬升单位高度而其他轴承位置保持不变的情况下轴系各个截面弯矩(就是指轴系各个截面的弯矩，包括轴段和轴系的各个部件，因为轴承位置的变化会对每个截面的弯矩都产生影响)的变化量，可通过下式表达：

在式(1)中，x_j表示第j号轴承的变位，M_i0与M_i分别为i截面的直线状态弯矩与实际状态下的弯矩，弯矩影响系数a_ij表示第j个轴承抬升单位高度对i截面造成的弯矩变化量，可用过下式计算出全部轴承对各个截面的弯矩影响系数；

a_ij＝M_ij-M_i0(2)

式(2)中，M_ij表示第j个轴承抬升单位高度而其他轴承保持直线的情况下i截面弯矩。

以上各式中M_i0与M_ij两种弯矩均可由有限元法、传递矩阵法或三弯矩法求得。

步骤三、按应变测点进行弯曲应变测量，并得出各应变测点的横向弯矩与垂向弯矩

根据轴上弯曲应变的分布特点，通过采集轴旋转一周的应变信号，分别分析计算得出轴截面的横向应变与垂向应变，具体分析计算过程为：

a)、在各应变测点所在截面的两侧对称布置应变片，两侧应变片的连线水平且通过轴线，组成全桥或半桥桥路；应变片连接应变采集单元后，通过盘车装置将轴缓慢旋转，同时开始采集应变信号，可以得到图3所示的波形；

b)、利用下式计算轴本身的弯曲应变：

ε'＝ε-(ε_max+ε_max)/2(3)

式(3)中，ε_max与ε_min分别为最大测量应变值与最小测量应变值。

c)、各个应变测点按一定角度θ间隔选取应变数据，对于任意一个应变测点，联立下式计

算最大应变值ε_max′与表示最大应变位置的β角，

式(4)中，n为应变数据的点数，n＝360/θ，n最小为2，为减小测量误差对结果的影响，一般取10以上通过最小二乘方法求解；ε_n＇表示旋转过程中第n个应变测点的轴自身应变值α_n表示旋转过程中第n个应变测点的角度值；β表示应变的初始相位。

d)、利用下式计算各应变测点对应截面处的垂向弯曲应变与横向弯曲应变：

式(5)中，ε_V为垂向弯曲应变；ε_H为横向弯曲应变。

e)、利用下式计算各应变测点对应截面处的垂向弯矩与横向弯矩：

式(6)中，E为轴材料的弹性模量；W为截面抗弯模数，W通过下式计算：

式(7)中，D为截面外径，d为截面内径(若为实心轴d＝0)。

步骤四、根据各应变测点处截面的弯矩值及弯矩影响系数求解轴承的垂向变位与水平变位

由于弯矩影响系数矩阵的秩最大为n-2，且受应变测点布置范围的限制，可以列出的独立方程对单艉轴承实际为N_IB+1,对双艉轴承为N_IB+2,为了求解出全部的轴承变位，需要添加一些附加条件。考虑到船体尾部结构刚度较大，因此艉轴承的变位在计算前预先给定；考虑到推进主机是整体安装，所有轴承位于一条直线上，因此对单艉轴承轴系按主机轴承给定斜度计算，对双艉轴承轴系按主机轴承全部位于1、2号主机轴承连线上计算，下面是对这两种类型的轴系的具体计算方法。

1、对单艉轴承轴系

a)利用下式计算轴承的垂向变位：

b)利用下式计算轴承的横向变位：

在式(8)和式(9)中，N为总测点数，n为轴承总数，n_Mb表示主机轴承数量，L_ij表示第i道主机轴承与第j道主机轴承之间的距离，x_jV与x_jH分别表示第j道轴承的垂向变位与横向变位，M_iV与M_i0分别表示i截面的实测弯矩与直线状态弯矩，M_iH表示第i个截面的横向弯矩，x_STB表示给定的艉轴承高度，s表示预设的主机倾斜角度，若主机水平安装则s＝0，在理论校中计算中各轴承横向变位均为0，因此计算横向变位时艉轴承高度与主机斜度均设为0。式(8)与式(9)中，第1～N个方程为弯矩影响系数方程，第N+1个方程为给定艉轴承高度，第N+2～n个方程为将主机轴承按一定斜度分布的约束。

2.对于双艉轴承

a)利用下式计算垂向变位：

b)利用下式计算横向变位

式(10)与式(11)中，N为总测点数，n为轴承总数，n_Mb表示主机轴承数量，L_ij表示第i道主机轴承与第j道主机轴承之间的距离，x_jV与x_jH分别表示第j道轴承的垂向变位与横向变位，M_iV与M_i0分别表示i截面的实测弯矩与直线状态弯矩，M_iH表示第i个截面的横向弯矩，x_STB表示给定的艉轴承高度，s表示预设的主机倾斜角度，若主机水平安装则s＝0，在理论校中计算中各轴承横向变位均为0，因此计算横向变位时艉轴承高度与主机斜度均设为0；x_ASTB与x_FSTB分别表示预先设定的后艉轴承和前艉轴承高度，计算横向变位时艉轴承高度设为0。式(10)与式(11)中，第1～N个方程为弯矩影响系数方程，第N+1与N+2个方程为给定艉轴承高度，第N+3～n个方程为将主机轴承按直线分布的约束。

步骤五、设计轴系校中模型，并将得到的轴承垂向变位值和横向变位值代入轴系校中模型模型，计算得到轴承负荷、截面弯矩、转角等参数(可采用三弯矩法、传递矩阵法或有限元法计算)，将由应变法得到的轴承负荷与现场千斤顶顶举的负荷相比(一般轴系安装后都会进行千斤顶顶举，而千斤顶的测试方法与应变测量的方法是相互独立的，可以相互验证，以保证结果的正确)，若两者差值小于20％，轴系状态无异常，输出轴系实际安装状态；若两者差值超过20％，轴系状态。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。