船舶轴系轴承负荷智能化测试及分析系统开发

雷 浩， 温小飞, 张皓东, 廖志辉, 竺铝杭

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院， 浙江 舟山 316022)

0 引 言

轴系校中是船舶建造过程中十分关键的一步，而轴承负荷测量则是检验轴系安装情况的重要手段之一。[1]轴承负荷测量的目的是保证船舶在各种装载工况下艉管前轴承、各中间轴承和主机最后3道主轴承的负荷分布合理，均具有一定的负荷但不超过其允许的最大负荷。[2]

目前国内外采用的轴承负荷测量方法中，顶举法和电阻应变片测量法运用最为广泛。其中，电阻应变片法技术较为复杂,专业技能要求高，测量成本较高，贴片质量对结果影响大；顶举法所需设备简单，操作灵活方便，测量成本低。张利军[3]通过实船测量，在相同条件下比较分析顶举法和电阻应变片法的测量结果，证明顶举法测量轴系负荷的结果与电阻应变片法近似，能够满足国内轴系测量的精度要求。因此，顶举法在轴承负荷测量中得到了广泛应用。

然而，传统的顶举法在测试过程中须人工记录试验数据并绘制负荷曲线图，这需要丰富的数据分析和调整经验，并且由于读数和数据处理误差，测量结果不一定准确。也有使用数显顶升传感器结合电脑Excel表格进行半电脑半手工的顶升试验分析，此种方法需要将数据手动输入至电脑进行分析，须花费一定的时间。[4]近年来，由于自动化技术的普及，自动化测试技术取得巨大的进步，利用传感器技术和数据采集技术，可以将工程测试与数据处理在1个系统内快速完成。[1]

本系统以LabVIEW 2016为软件平台，以北京新超仁达科技有限公司的新超USB-2404作为数据采集模块，实现顶举试验过程中数据的采集、分析、拟合、存储以及结果打印。为了验证系统的实用性和准确性，先在实验室台架上进行顶举试验，然后将某船顶举试验所测量的数据作为数据源，导入本系统进行分析，并进行结果对比。

1 船舶轴系轴承负荷智能化测试及分析系统构建

1.1 硬件框架

传统的顶升曲线以千斤顶油压为坐标横轴，被顶升距离为纵轴，通过测量、描点、连线和拟合绘制而成，通过一系列的数据后处理与计算最终得出所测轴承的实际负荷。本系统以传统顶举图绘制方法为依据，以压力传感器和位移传感器为采样通道，将试验时测量的压力和位移数据实时通过采集卡传递并显示在主界面上，系统运用相应的算法将采集到的数据合成顶升曲线图，并计算出顶升负荷与顶降负荷，进而得到被测量轴承的实际负荷，同时打印测试报告。船舶轴系轴承负荷智能化测试及分析系统设计的整体框图如图1所示。

图1 智能化船舶轴承测量系统设计整体框图

1.2 软件设计

上位机部分主要以LabVIEW 2016为基本平台，由界面设计、采集卡控制、数据处理、图像拟合和报告打印等几个模块构成。相对于VB，C++等常用的编程语言，LabVIEW采用图形化编程，其逻辑思路更适合于工程领域。图2为本系统的界面，左边部分为采集与拟合的参数设置，右边为图像显示区域，下边部分为系统运行控制区域，其控制功能主要有：采样点数设置、千斤顶油缸柱塞直径设置、斜率采样增量设置、采样率设置、顶升(降)采集控制、拟合控制、生成报告控制、数据存储控制以及复位控制。

图2 船舶轴系轴承负荷智能化测试及分析系统界面

在数据处理部分通过滤波子VI将低于0.001的杂乱数据过滤掉，通过索引数组函数索引出n维数组中的元素，最终得到压力与位移的数据点。滤波部分的程序框图如图3所示。连接数据点得到顶升曲线，对于平滑的顶升(降)曲线采用B-Spline拟合，对于斜率曲线采用最小绝对残差方法进行直线拟合，4条曲线通过簇函数相连，在界面显示区域显示。曲线拟合的程序框图如图4所示。

图3 滤波部分的程序框图

图4 曲线拟合部分程序框图

2 试验测试

为了验证系统的有效性和实用性，利用实验室的轴系台架为试验对象进行顶举试验[5]。将油压千斤顶置于靠近轴承的部位，连接好系统线路，设置各试验参数，慢慢将轴顶起，系统记录顶举过程的测量值并绘制顶升过程的顶升曲线。当上升到最大允许上升高度时，停止顶升千斤顶，同时打开其回油阀，让压力缓慢下降，此时系统继续自动记录下降过程的压力值和顶升位移值，最后系统显示拟合后的标准顶升曲线。为了进一步验证系统的准确性，将某船进行顶举试验时测得的数据导入本系统，其测试数据如表1所示。

表1 船厂实测数据表

通过两种测试方法对比，得到如图5所示的轴承负荷顶升拟合曲线及轴承负荷测量值。图5a)为本自动测试分析系统得到的曲线，其横轴代表压力，纵轴代表顶升位移，顶升过程的拟合直线用点画线表示，下降过程的拟合直线为图中左边长虚线，中间短虚线表示两拟合直线取平均值后的有效顶升曲线，其横截距为16.8 MPa。图5b)为船厂根据传统顶升法做出的曲线图，其横轴代表千斤顶的油压，纵轴代表顶升位移，拟合后的有效顶升曲线的横截距为16.5 MPa。

3 分析与讨论

本套船舶轴系轴承负荷智能化测试及分析系统的基本原理是根据压力及位移传感器读取试验数据，然后根据数据点在系统界面形成顶升曲线。因此，在正常情况下，若系统界面显示的顶升曲线具有顶升、平衡及下降阶段的所有特征，则可证明各传感器能够正常读数，且系统的测试工作正常。本文所述实验室条件下的顶升试验环境虽与实际工程测量中相差较大，但系统所绘制的顶升曲线却符合标准曲线的所有特征，说明本系统各模块间的配合完好，验证了系统的实用性。

通过导入实船顶升试验数据，由系统自动生成的顶升曲线与船厂手工处理所得曲线基本一致，验证了本系统的数据处理方法及技术符合实际工程要求。最终系统分析得到的轴承实际压力为16.8 MPa，与船厂报告数据之间误差为1.82%，均在理论计算值的5%误差范围内。由于采用优化的

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图5 轴承负荷顶升拟合曲线图对比

数据拟合算法，可排除人为绘图及数据处理的误差，由此验证了系统测量的结果具有可信度。

4 结 论

本系统以LabVIEW 2016为软件平台，结合数据采集模块，实现顶举试验过程中数据的采集、分析、拟合、存储以及结果打印。通过理论与试验分析及对比，验证本系统的实用性和测量结果可信度。

相较于传统的人工读数方法，本系统通过高精度传感器和采集卡实现读数与数模转换，并通过内部程序进行滤波处理，可降低人为读数因素影响；此外，本系统的测量过程在短时间内便可完成整个工作流程，并可直接打印标准报告，极大地提高了工作效率。

[1] 龙汉新. 船舶轴系轴承负荷自动测量装置设计及应用[J]. 船舶与海洋工程, 2014(2):32-34.

[2] 詹宇,林富强,马瑞云. 大船轴系校中的检验[J]. 中国船检, 2003(6):77-79.

[3] 张利军. 基于顶举法的船舶推进轴系负荷测试方法研究[J]. 机电设备, 2014(1):6-9.

[4] 何国钦. 轴系轴承负荷的测量分析与调整[J]. 机电技术, 2008(3):70-72.

[5] 赵梓忠,陈鹏. 船舶轴系安装及校中工艺[J]. 科技传播, 2011(23):151-153.