实船扭振测量0217

1、实船轴系扭振测量张飞达摘要：实船扭振测量是检验和判断船舶轴系最重要的方法和手段，也是检验扭振计算结果的评价标准。本文介绍了实船扭振测量的方法及相关规范，以及数据处理的方法，并给出了实船轴系扭振测量分析实例。关键词：扭振测量 实船 1 引言轴系扭转振动是船舶轴系常见的振动形式之一1。当作用在轴上的扭矩发生变化时,轴发生扭振。扭振发生时,轴的应力状态周围性地变化,这会引起轴本身及轴上零件的疲劳,使机器运行的平稳性受到破坏,严重时会使轴发生断裂,造成重大的、甚至是灾难性的事故23。扭振已经引起了人们的广泛关注，扭振的分析计算就显得尤为重要。但是在扭振计算中，轴系的激振力矩以及轴系的阻尼参数难以准确确

2、定，大多采用从实践得到的经验公式。各种经验公式都带有近似性和局限性，不能完全正确地适用于各种类型的主机及其轴系装置，显然在实际设计计算过程中，会使扭振计算出现较大偏差4。实际的扭振测试是一项最直接的检查、判断和评价产品设计以及应用配套工作的最重要的手段和方法。同时，它也可用于检验加工、装配过程中，各工序、各部件是否存在缺陷和错误。而通过大量扭振测试，还可以积累经验数据，使原有的理论不断完善，进而指导新的设计。目前工程中的实用作法是:理论分析和计算结果必须经过实际测试的检验，若两者不相一致，则必须以实测结果来修正理论计算结论。这在各国船级社中己有明文规定:“扭振特性的审查内容应包括理论计算和实测

3、结果，若两者不同，则应以实测结果为准。” 5目前实船的扭振测量普遍采用非接触测量法,即利用装在轴上的等分结构,在非接触的传感器中产生脉冲,脉冲的间隔大小反映轴的瞬间角速度大小,对脉冲间隔数据进行处理,即可得到轴的扭振信息。2 扭振测量原理利用主机飞轮上的齿轮，或者在被测主机的自由端安装一个齿距均匀的齿轮进行扭振测量。用刚性好的支架将磁电式传感器固定在被测主机的机体上，将传感器与齿轮间的间隙调整在23mm左右。非接触式扭振仪基于磁电脉冲原理，工作时，齿轮随轴转动，磁电式传感器感应脉冲信号，通过放大、整形推动单稳电路工作。当轴匀速转动而无扭振时，脉冲重复频率不变，而轴存在扭振时，发出的单稳脉冲信号

4、的重复频率相应变化，经过低通滤波转换成相应的电压变化波形，再通过电容C隔去直流成份，积分后就得到相应于扭振角位移变化的电压波形。若齿轮的齿数为Z，当轴系平均转速为n时，磁电式传感器感应出的脉冲重复频率为:设扭振角位移为：则有：于是由扭振引起的转速变化为: 因此，当转轴扭振时，磁电传感器上产生的脉冲重复频率为式中：平均转速下频率恒定分量；一扭振引起的频率变化分量图1 矩形脉冲示意图脉冲波推动单稳电路工作后，输出恒幅、恒宽的矩形脉冲，如图所示，脉冲重复频率为f。再通过低通滤波，把矩形脉冲平均，其平均电压值为: （1）式中：矩形脉冲持续时间矩形脉冲周期，矩形脉冲峰值于是式(1-1)可写成 （2）从式

5、(2)中可以看出，电压值同样存在两个分量，一个是平均转速下的直流分量，另一个是由于转轴扭振引起的交变分量。经过电容C滤去直流分量后，得到的电信号为:通过积分放大器，把信号积分并放大后，其输出电压为可以看出，输出电压正好反映了扭振情况。3 实测应力计算一般当实测与计算的固有振动频率误差小于时，可用实测振幅或应力（扭矩）按计算振型推算系统各处的振幅或应力（扭矩）。4实测的共振频率及振幅可以通过扭振测量得到。5 共振频率=共振转速×主谐次实测应力可通过推算的扭矩求得：式中：轴抗扭截面模量4 扭振许用应力主推进柴油机曲轴的扭振许用应力应不超过按下式计算所得之值4：持续运转（）: （）； 瞬时

6、运转（）： 式中：持续运转扭振许用应力，N/mm2；瞬时运转扭振许用应力，N/mm2；轴的基本直径，mm；共振转速，r/min；额定转速，r/min。推力轴承、中间轴、螺旋桨轴和尾管轴的扭振许用应力应不超过按下式计算所得之值：持续运转（）: （）； 瞬时运转（）： 式中：材料系数：；轴材料的抗拉强度,当中间轴采用碳钢和锰钢时,若大于600N/mm2时,取600N/mm2；当中间轴采用合金钢时,若大于800N/mm2时,取800N/mm2；对螺旋桨轴和尾管轴, 若大于600N/mm2时,取600N/mm2。形状系数；尺度系数。如轴系振动的振幅或应力或扭矩超过规定的持续运转的许用值，则在这个共振转

7、速附近应设“转速禁区”。在此禁区内，机器不应持续运转。转速禁区的范围为：5 实船测量与结果分析某轮为57,000 DWT散货船，主机为MAN B&W 6S50MC-C型低速柴油机，扭矩测量仪为武汉规范所研制的ZDCL-型轴系振动测量分析仪。测点位于主机飞轮端，通过电涡流传感器测量主机飞轮齿轮变化，信号接入ZDCL-型轴系振动测量分析仪，测试数据输入计算机，经过专用软件处理即输出各种频谱数据及频次转速曲线。轴系扭转振动测量与计算频率对比如表1所示:表1 测量和计算结果频率比较振型谐次共振转速(r/min)实测频率.r/min计算频率r/min相对误差%I6.062.4374.4375.4

8、20.27由上表比较可知，轴系计算频率与实测频率的相对误差为0.27%，小于5%，根据船级社规范，说明计算所采用的轴系当量参数正确。因此，轴系在I阶6谐次下，曲轴应力、中间轴应力、螺旋桨轴应力可按自由振动的Holzer表进行推算，具体结果如表2所示。表2 轴系应力计算谐次共振转速(r/min)实测振幅(mrad)轴段轴段应力(MPa)许用持续应力Tc*(MPa)许用瞬时应力Tt * (MPa)I-6.062.419.400曲轴21.7143.83/中间轴97.8263.23107.50螺旋桨轴57.7434.2578.51Tc* -许用持续应力, Tt * -许用瞬时应力.由表2知，在共振时，中间轴和尾轴的应力超过许用持续应力但不超过许用瞬时应力。根据测量结果，转速禁区应设为57r/min68r/min。6 结论本文介绍了扭振测量的原理、方法及相关规范，以及数据处理的方法，并对一条船进行了实船轴系扭振测量。通过实船测量结果分析，该船舶轴系设计合理，满足规范要求。参考文献1陈之炎.船舶推进轴系振动.上海:上海交通大学出版社，19972王棋.内燃机轴系扭振振动.大连:大连理工大学出版社，19923 李震，桂长林，孙军.内燃机曲轴轴系振动分析研