22000m3液化气船推进轴系扭转振动测试分析

尹绪光 马 鹏

江南造船(集团)有限责任公司

22000m3液化气船推进轴系扭转振动测试分析

尹绪光 马 鹏

江南造船(集团)有限责任公司

国内航行海船建造规范对船舶推进轴系的振动做出规定，如轴系扭转振动(以下简称扭振)的振幅或应力超过规定的持续运转的许用值时，则在这个共振转速附近应设“转速禁区”。船舶轴系扭振是很多船舶在交船之前必须进行的一项重要测试项目，本文介绍了一种基于应变技术的轴系扭振的测量方法。对我公司22000m3液化气船主机扭振进行实船测试和数据分析。

船舶推进轴系； 应变； 扭振； 应力

1 前言

旋转机械轴系的扭转振动是一个普遍存在，且危害严重的问题。这种振动会引起材料内部的切向交变扭应力，若扭幅过大，剪切应力超过弹性限度，材料就会产生疲劳累积。当疲劳累积到寿命时，材料会产生裂纹，最终导致材料断裂的恶性事故。

对于船舶行业来讲，轴系扭振主要出现在主机，另外还可能出现在辅机以及泵等一些设备。各船级社对于轴系扭振的测量都有明确要求。所有首制船(包括新研制船型，同一船型更换船级社、换船东等都作为首制船)在海试中都要进行扭振测量。

本文介绍了一种基于应变技术的扭振测量方法，并对22000m3液化气船推进轴系进行扭振测量分析，，最终在工作转速范围内设定“转速禁区”以校核扭振计算书。

2 测量原理

应变技术是一门发展较为成熟的技术，电阻应变片则是最常用的敏感元件，金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。电阻丝的电阻R为：

式中：R为电阻值；ρ为电阻率；L为电阻丝长度；A为电阻丝横截面积。

任一参数变化均会引起电阻变化,对(1)求偏导：

对于半径为r的圆形截面的电阻丝为电阻丝电阻率变化引起的电阻值变化。

对于金属材料，电阻率几乎不变，所以：

电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。如图2所示,对于直流电桥，输出：

假设电桥初始状态是平衡的，即：R1=R2=R3=R4=R, R1R3=R2R4,则 Uo=0。如果各应变的电阻值发生微小变化ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4，则电桥输出端的电压发生变化。由于ΔR□R，推得全桥电路测量电压输出为：

图1 电桥原理图

图2 测量系统工作示意图

3 扭振测量方法和测量结果

如图2所示，扭振测量系统工作示意图，电阻式应变片被粘贴于被测系统的轴系上，用电烙铁将引线焊接到引线上，最后用硅橡胶覆于应变片上防油防水。将电源与信号发射装置固定于应变片侧。测量时，被测轴系从最低转速分档增加至额定转速，应变片与发射装置随轴系转动，时时将扭矩信号发射至接收装置，接收装置放大、解调信号，取出扭矩信号，将扭矩信号转换为0～10V电压信号，根据不同轴系的直径可由式(11)计算输出电压对应的扭矩。

横向收缩和纵向伸长的关系为材料的泊松系数μ:

εx为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变；εy为电阻丝径向相对变形，或称横向应变；

式(4) (5) (6) 代入式(3)得：

式中：(1+2μ)εx为电阻丝几何尺寸变化引起的电阻值变化；dρ/ρ

由数采设备采集其交流电压信号，即由扭振引起的交变扭矩信号，进行频谱分析即可得到不同转速，不同频率下的扭矩大小。由扭矩-应力对应式(12)可计算出不同转速下的应力大小。

式中：σ为扭振应力；Di为轴系内径；Do为轴系外径；E为抗拉强度；GF为应变片灵敏度系数；GXMT为增益；N为桥臂数量；TFS为实测扭矩；VEXC为电桥激励电压；VFS为输出电压；μ为泊松系数。

该22000m3液化气船是单机带固定螺距桨系统，主机是沪东重机有限公司的6S50ME-C8.2型6缸柴油机，将应变遥测式扭振测量系统安装在外径为430mm，无内孔的中间轴上,使用了应变系数为2.02的应变片，主机转速从35r/min加到114r/min进行分档测量,有表1转速-扭矩表可知，其扭矩峰值出现在65r/min，扭矩为951kNm。根据式(3-12)计算得出表2转速-应力表，中间轴的扭振应力峰值出现在65r/min，应力为60.9N/mm2。测量时，柴油机正常发火航行，分别在35rpm、40rpm、45rpm、50rpm、55rpm、57rpm、59rpm、61rpm、63rpm、64rpm、65rpm、66rpm、68rpm、70rpm、75rpm、80rpm、85rpm、90rpm、95rpm、100rpm、105rpm、110rpm、114rpm转速工况下转速稳定时测量。

表1 转速-扭矩表

表2 转速-应力表

通过测得的中间轴的应力值，根据扭振计算书模型，可以推算出其它轴系如曲轴、螺旋桨轴的应力值，结果如表3

4 许用应力和“转速禁区”

国内航行海船建造规范对主推进柴油机曲轴、推力轴、中间轴、螺旋桨轴和尾管轴的扭振许用应力分别做了持续运转和瞬时运转的要求。在实测应力超过规定的持续运转许用应力时，则在这个共振转速nc附近应设“转速禁区”。在此禁区内,主机轴系不应持续运转。

4.1 转速禁区

由以上分析结果，在共振转(65rpm)运行工况下中间轴和螺旋桨轴最大应力大于其持续运转许用应力，应在此共振转速附近设“转速禁区”，应避开的转速范围如下:

表3 轴系扭振应力值

nc——共振转速, rpm； ne——额定转速, rpm。

计算得应设定转速禁区范围59rpm～71rpm。此转速禁区与扭振计算书计算禁区一致。

5 结束语

船级社有明文规定，首制船必须进行轴系的扭振测量，本文通过应变遥测技术在船舶轴系扭振测量中的测量应用，通过对扭振测量原理、测量方法的分析，同时结合我公司22000m3液化气船进行了实船扭振测试和转速禁区的设定，也进一步说明了扭振在首制船测试中的必要性，特别是某些低速机，如果不设转速禁区，长期在转速禁区内运行，会对主机以及轴系带来极大损害。

[1] 杜极生.轴系扭转振动的试验.监测和仪器[M].东南大学出版社,1994.12.

[2] 许运秀.船舶柴油机轴系扭转振动[M].人民交通出版社,1987.7

[3] 郭振芹.非电量电测量[M].计量出版社,1984.6.

[4] 商维绿.现代扭矩测量技术[M]．上海交通大学出版社，1999.10.

[5] TT9000 Digital Telemetry System [M]. Binsfeld Engineering.