船舶轴承负荷测试的新技术

作业题目：船舶轴承负荷测试的新技术

课程名称：现代舰船轮机工程

作业成绩:授课教师:

船舶轴承负荷测试的新技术

0绪论

船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分，是唯一的传递主机动力，使

船舶正常航行的组装部件。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，轴系应保持在合理的状态下，保证轴系在各轴段内的应力及载荷在合理范围

之内，即要进行轴系合理校中。

轴系合理校中，是指按校中计算的要求和方法，将轴系安装成某种状态（直

线或曲线），使各轴段内的应力和各轴承上的负荷均处在允许范围之内，或具有

最佳的数值，以保证轴系及与之相连接的机械（如主机曲轴、齿轮箱等）能持续

正常地运转。图1表示的是某一船舶轴系校中模型。

图1轴系校中模型

由于各轴承间距不等、外力作用不同和轴承长度不等，作用在轴承上的负荷

不同。大型船舶的螺旋桨质量很大，对轴承（特别是尾轴承）影响大，会出现很

不合理的负荷分配，造成个别轴承负荷过重，即超过轴承许用压比，严重时造成

烧瓦事故—发动机最严重的机械故障。烧瓦会影响轴承的正常工作，进一步导致

船舶轴系不能正常运转，从而无法保证船舶的正常航行。

为了改善这种情况，一般采取两种措施：其一，调正轴承间距，重新布置轴

承位置；其二，当第一种方法调正无效时，可以调整轴承高度，使轴线变成曲线

安装，以改善轴承负荷，这就是合理校中设计的内容。

轴系校中的质量目标，主要有轴承负荷的合理分配、轴在轴承处的转角、主

机输出端的弯矩和剪力等；其中比较容易测量的是轴承的负荷，如果各轴承的

负荷满足计算要求，那么其他指标基本上也就满足了。因此，船舶轴系中轴承负

荷的测试尤为重要。现在最常用的船舶轴承负荷测试的方法有两种：千斤顶顶举

法和电阻应变片测量法。

1顶举法测量船舶轴承负荷

1.1千斤顶顶举法测量原理

图2为千斤顶顶举法示意图，船舶轴系一般安装成直线状态，由于轴系自重

作用以及轴上的垂向载荷，在轴承的支撑作用下，轴有向下的位移。采用千斤顶

顶举法测量轴承负荷，就是在轴系的某一位置Ji放置液压千斤顶，将轴逐渐顶

起，使被测轴承与轴颈完全脱开，轴的位移逐渐减小为零。此时千斤顶代替了轴

承的作用，千斤顶的负荷即为被测轴承受到的载荷。

轴承KXMOOmm、,152200mm

----------千斤顶----------

图2千斤顶顶举法示意图

通过千斤顶顶举法试验，绘制图3所示的顶举曲线，纵坐标为轴的位移量，

横坐标为千斤顶负荷。分别记录千斤顶加载和卸载过程中轴的位移和千斤顶的负

荷，再绘制顶举曲线，从而求出轴位移为零时对应的千斤顶负荷，就是被测轴承

所承受的负荷。

图3顶举曲线

由于滞后的影响造成顶举过程中所测出的上升曲线与下降曲线不重合，因此

在确定千斤顶负荷时，应该取其平均值。所以千斤顶代替被测轴承（且轴的位移

为零时）的负荷Ro可以按照公式1-1计算。

Ro=（A+B）/2（式1・1）

1.2顶举法的试验仪器和操作过程

图4表示的是顶举法的操作示意图，千斤顶布置在靠近轴承的轴下方，千斤

顶和轴之间的压力传感器用来测量千斤顶的负荷，测量轴位移的千分表布置在轴

上同一截面的上方，通过给千斤顶加载和卸载，观察和汜录压力传感器和千分表

的示数，根据记录数据绘制顶举曲线。

图5所示的是两种不同的压力传感器，用来测量千斤顶负荷，图6所示的为

数显千分表，是•种位移传感器，用来测帚轴的位移。

图5压力传感器

1）连接线端口，数据愉出;

2）面板功能建；

3）位移测量探头

图6数显千分表（位移传感器）

图7表示的是顶举法的实际操作图，压力传感器布置在千斤顶和轴之间，操

作时要注意千斤顶顶举支点、千分表杆的触点必须在同一轴颈截面上的最低点与

最高点的上下对称中心点上，千分表支架应该单独装在不受中间轴及千斤顶影响

的位置。

图7顶举法的实际操作图

采用顶举法检验时，应对被测轴承逐个进行，检测没备应正确安装并准确调

零。在升压与降压过程中，应记录千斤顶压力和千分表的稳定读数，并绘制顶举

曲线图。注意不应在千斤顶上升过程中降压，也不能在下降过程中升压。

被测轴承实际负荷为（A+B）/2o如果（B—A）>0.4义（A+B）/2,则说

明测量的数据不理想，建议重测。

顶举法的优点：顶举法测量轴承负荷设备简单，操作方便，可以结合压力传

感器进行测量，提高测量结果的准确性，已在国内外各修造船厂被广泛应用。

顶举法缺点：顶举法测量时液压千斤顶应该布置在轴承附近，而一些船舶的

尾轴承可能会封装在尾轴管区域内，导致在实际轴承负荷测量中，计算书中要求

的千斤顶安装位置有时并不适合安放千斤顶。而通过移动千斤顶来测量轴承负

荷，造成顶举系数的错误使用，不能得出准确的轴承负荷值。此外，在千斤顶顶

举法测量轴承负荷中存在各种影响因素，测量精度有限。

2电阻应变片法测量船舶轴承负荷

2.1电阻应变片法测量原理

借助电阻应变片及应变仪测量出被测点的应变£,如图8中的C截面处，根

据测量得到的应变值£和公式。=±E播求出被测点的应力。，再根据公式

求出被测点的弯矩，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釉承实际负荷。

假■定支

点位五

—V———I—一

LiBiLiBz

图8尾轴轴系示意图（单支点）

电阻应变片的连接方式为二片半桥法，一组应变片（两个）分别布置在轴的

同一截面的两端，如图9所示，一般在同一段轴的二个截面处分别布置二组应变

片。

图9二片半桥法

在进行单支承轴系校中计算时，一般支点位置取在（1/7〜1/3）L处，如何精

确地确定支点位置，目前仍未形成统一的结论，近似的计算不能真实地反映尾轴

承实际受力情况。此外，在轴系投入运转后，尾轴承支点位置是处于不断的变化

之中。由此可以看出，准确计算出后尾轴承的支点位置非常重要，而利用电阻应

变片法可以计算出后尾轴承的支点位置，具体原理如下。

图8和图10分别为尾轴的轴系示意图和受力图，图8中假定支点O点与轴

承端点A点之间的距离V为待求量，图10中卬~(]6表示的是距离，具体如下：

q1=q+4+/+X+W—/2

%=q/2+隹+%+%

%=4/2+%+%

巩=a,/2+再

<75=x/2

qb={L2-xy-x2-a2)/l

图10尾轴受力图(单支点)

计算思想：利用两种方法分别表示出O点的支反力Ri,然后联立后求解出

XfO

方法一：图10中，对于左边的轴段(从最左端到C点)，列出C点的力矩

平衡方程：

—V+X]+4)-M；-Q]夕]一Q?%-(J?%-。4%-2％-+4+8]+X))=0

解得：

凡=---r------[%+。闻+。2%+03%+。必+&%+6(4+生+4+.¥,)]

-x+玉+a2

方法二：对于中间的地段(CD),列出D点的力矩平衡方程：

——Cf,<76+"(4-«2-x,-x2)=0

解得:

1

片二

对于左边的轴段（从最左端到C点），列出力平衡方程：

Ri-Fi-Pi-Pi-Qi-Qi-Q3-Q4-05=0

解得：

R1=FJ+PI+P2+QI+Q2+Q3+Q4+Q5

根据方法一和方法二计算出的RI应该相等，联立解出：

.（E+1+8+2+2+g+&+224+X+%）-[M：+Q|%+颂+Q%+Q4+Q5%+＜（《+%+S+M]

£+/1+8+Qi+&+Q3+2+Qs

利用上述公式求出的/即为后尾轴承支点的位置，可.以看出，利用电阻应变

片法可以测量和计算出后尾轴承支点的位置以及各个轴承负荷。

2.2电阻应变片法测量仪器和试验操作

图11所示的是电阻应变仪，用来测量被测点的应变，桥路设置时采用二半

桥法，可以同时显示四个应变片的应变值。图12为电阻应变片，测量时，人工

控制轴的转动，使轴每次转动90°,记录电阻应变仪的示数，轴一共转动720°。

利用所测的应变值求出被测点的弯矩，然后按连续梁的呼.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。

图II电阻应变仪

图12电阻应变片

电阻应变片法的优点：千斤顶法由于受到轴系结构的限制，实船条件下只能

对几个中间轴承实现测量，有一定的局限性，而电阻应变片法则很少受到轴系

结构的限制，能够对轴系全部轴承负荷实现测量，且易于实船实施，测量精度

也较高。

电阻应变片法缺点：成本比千斤顶法高，操作和计算也比千斤顶法复杂。

3轴承负荷计算软件平台开发

利用前面所述的两种测量轴承负荷的方法，可以开发轴承负荷计算软件平

台。本软件平台是基于轴承负荷计算原理，开发的轴承负荷计算软件系统；通过

在可视化界面中输入轴系基本参数、测量数据，可即时计算获得各轴承负荷值、

后尾轴承负荷分布情况与支点位置.方便进行轴承负荷信息的计算与管理。

图14表示的是该软件平台的前处理模块，图15表示的是应变片法计算轴承

负荷模块。

图14前处理模块

uanaaflMa-ix=e

考《•)

-

衣I□

»AAl.J.个；6T

・《0・”♦«(4)JU-

JIAJLA^

♦可••♦A+

图15应变片法计算轴承负荷模块

4船舶轴承负荷测试新技术的猜想

针对目前的轴承负荷测试方法的不足，以及其他新技术的兴起，个人提出了

船舶轴承负荷测试新技术的两点猜想。

新技术一：无线电阻应变仪

由于上述的两种方法都只能测量船舶轴系在静态（轴系不运转）时的轴承负

荷，无法对船舶轴系运转时的轴承负荷进行判断，因此需要开发新技术来测量动

态时的轴承负荷。

现在采用的电阻应变片法需要通过电线来连接应变片和电阻应变仪，所以不

能在轴系运转时测量。而目前无线传感器技术已经应用在测量船舶轴系的转速等

方面，如图17,所以可以利用这种技术，开发无线的电阻应变仪，并可以将测

量的应变数据实时传输给PC客户端，从而测量船舶轴系运转状态时的轴承负荷,

为船舶轴系的合理校中提供进一步的保障。

图17无线传感器测量轴速

新技术二：利用X射线和超声波法测定轴表面应力

目前，X射线和超声波法广泛应用于测定材料内部的残余应力，考虑是否可

以应用于直接测定轴上的应力，然后计算轴承负荷。

X射线残余应力测定方法是•种间接方法，它是根据衍射线条的0角变化或

衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力。由于X射线只能照

射深度10-30pm左右的表层，所以X射线法测定的是表面二维的平面应力。

超声波法是利用声双折射现象的，一个各向同性固态介质（我们通常假定所

测试样品为各向同性的），在应力的作用下，是具有声弹性的（和磁性相似）。即

在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，从而使在固态介质中的超声

波传递速度发生了变化，乜就是由于应力的存在引起了各向异性。当应力为平面

应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时，超声波仅只分解成两个方向

的超声波（反射波和折射波），见图18。由于发射和检测超声波方法的改进，从

而提出了各种方法以测定应力引起的声双折射、声传播速度变化及超声频谱变

化，测量出这些变化以后便可计算出作用在物体上的外力或残余应力。

利用X射线和超声波法测定轴表面应力的思路：首先在轴系安装前，选择

轴表面上的被测点，利用X射线和超声波法测量轴不受载荷时被测点的残余应

力。I；然后在轴系安装完成后，测量被测点的总应力＜72,二者差值就是由轴承

负荷引起的被测点的应力值；最后按照上述电阻应变片法中同样的计算思想，求

出轴承的实际负荷。直接测量应力，不仅可以提高测量精度，也能减少计算量。

虽然这种方法中，X射线和超声波法的测量仪器在实际测量轴应力时，会存在操

作困难，但是这种猜想可以为新技术的实现提供一定的思路。

5小结

轴承负荷计算是船舶轴系合理校中的重要内容，本文通过介绍顶举法和电阻

应变片法测量船舶的轴承负荷的原理和方法，进一步指导轴承间距或者高度的调

整，改善轴承负荷，从而