船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統開發

雷 浩， 溫小飛, 張皓東, 廖志輝, 竺鋁杭

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山 316022)

0 引 言

軸系校中是船舶建造過程中十分關鍵的一步，而軸承負荷測量則是檢驗軸系安裝情況的重要手段之一。[1]軸承負荷測量的目的是保證船舶在各種裝載工況下艉管前軸承、各中間軸承和主機最后3道主軸承的負荷分布合理，均具有一定的負荷但不超過其允許的最大負荷。[2]

目前國內外采用的軸承負荷測量方法中，頂舉法和電阻應變片測量法運用最為廣泛。其中，電阻應變片法技術較為復雜,專業技能要求高，測量成本較高，貼片質量對結果影響大；頂舉法所需設備簡單，操作靈活方便，測量成本低。張利軍[3]通過實船測量，在相同條件下比較分析頂舉法和電阻應變片法的測量結果，證明頂舉法測量軸系負荷的結果與電阻應變片法近似，能夠滿足國內軸系測量的精度要求。因此，頂舉法在軸承負荷測量中得到了廣泛應用。

然而，傳統的頂舉法在測試過程中須人工記錄試驗數據并繪制負荷曲線圖，這需要豐富的數據分析和調整經驗，并且由于讀數和數據處理誤差，測量結果不一定準確。也有使用數顯頂升傳感器結合電腦Excel表格進行半電腦半手工的頂升試驗分析，此種方法需要將數據手動輸入至電腦進行分析，須花費一定的時間。[4]近年來，由于自動化技術的普及，自動化測試技術取得巨大的進步，利用傳感器技術和數據采集技術，可以將工程測試與數據處理在1個系統內快速完成。[1]

本系統以LabVIEW 2016為軟件平臺，以北京新超仁達科技有限公司的新超USB-2404作為數據采集模塊，實現頂舉試驗過程中數據的采集、分析、擬合、存儲以及結果打印。為了驗證系統的實用性和準確性，先在實驗室臺架上進行頂舉試驗，然后將某船頂舉試驗所測量的數據作為數據源，導入本系統進行分析，并進行結果對比。

1 船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統構建

1.1 硬件框架

傳統的頂升曲線以千斤頂油壓為坐標橫軸，被頂升距離為縱軸，通過測量、描點、連線和擬合繪制而成，通過一系列的數據后處理與計算最終得出所測軸承的實際負荷。本系統以傳統頂舉圖繪制方法為依據，以壓力傳感器和位移傳感器為采樣通道，將試驗時測量的壓力和位移數據實時通過采集卡傳遞并顯示在主界面上，系統運用相應的算法將采集到的數據合成頂升曲線圖，并計算出頂升負荷與頂降負荷，進而得到被測量軸承的實際負荷，同時打印測試報告。船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統設計的整體框圖如圖1所示。

圖1 智能化船舶軸承測量系統設計整體框圖

1.2 軟件設計

上位機部分主要以LabVIEW 2016為基本平臺，由界面設計、采集卡控制、數據處理、圖像擬合和報告打印等幾個模塊構成。相對于VB，C++等常用的編程語言，LabVIEW采用圖形化編程，其邏輯思路更適合于工程領域。圖2為本系統的界面，左邊部分為采集與擬合的參數設置，右邊為圖像顯示區域，下邊部分為系統運行控制區域，其控制功能主要有：采樣點數設置、千斤頂油缸柱塞直徑設置、斜率采樣增量設置、采樣率設置、頂升(降)采集控制、擬合控制、生成報告控制、數據存儲控制以及復位控制。

圖2 船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統界面

在數據處理部分通過濾波子VI將低于0.001的雜亂數據過濾掉，通過索引數組函數索引出n維數組中的元素，最終得到壓力與位移的數據點。濾波部分的程序框圖如圖3所示。連接數據點得到頂升曲線，對于平滑的頂升(降)曲線采用B-Spline擬合，對于斜率曲線采用最小絕對殘差方法進行直線擬合，4條曲線通過簇函數相連，在界面顯示區域顯示。曲線擬合的程序框圖如圖4所示。

圖3 濾波部分的程序框圖

圖4 曲線擬合部分程序框圖

2 試驗測試

為了驗證系統的有效性和實用性，利用實驗室的軸系臺架為試驗對象進行頂舉試驗[5]。將油壓千斤頂置于靠近軸承的部位，連接好系統線路，設置各試驗參數，慢慢將軸頂起，系統記錄頂舉過程的測量值并繪制頂升過程的頂升曲線。當上升到最大允許上升高度時，停止頂升千斤頂，同時打開其回油閥，讓壓力緩慢下降，此時系統繼續自動記錄下降過程的壓力值和頂升位移值，最后系統顯示擬合后的標準頂升曲線。為了進一步驗證系統的準確性，將某船進行頂舉試驗時測得的數據導入本系統，其測試數據如表1所示。

表1 船廠實測數據表

通過兩種測試方法對比，得到如圖5所示的軸承負荷頂升擬合曲線及軸承負荷測量值。圖5a)為本自動測試分析系統得到的曲線，其橫軸代表壓力，縱軸代表頂升位移，頂升過程的擬合直線用點畫線表示，下降過程的擬合直線為圖中左邊長虛線，中間短虛線表示兩擬合直線取平均值后的有效頂升曲線，其橫截距為16.8 MPa。圖5b)為船廠根據傳統頂升法做出的曲線圖，其橫軸代表千斤頂的油壓，縱軸代表頂升位移，擬合后的有效頂升曲線的橫截距為16.5 MPa。

3 分析與討論

本套船舶軸系軸承負荷智能化測試及分析系統的基本原理是根據壓力及位移傳感器讀取試驗數據，然后根據數據點在系統界面形成頂升曲線。因此，在正常情況下，若系統界面顯示的頂升曲線具有頂升、平衡及下降階段的所有特征，則可證明各傳感器能夠正常讀數，且系統的測試工作正常。本文所述實驗室條件下的頂升試驗環境雖與實際工程測量中相差較大，但系統所繪制的頂升曲線卻符合標準曲線的所有特征，說明本系統各模塊間的配合完好，驗證了系統的實用性。

通過導入實船頂升試驗數據，由系統自動生成的頂升曲線與船廠手工處理所得曲線基本一致，驗證了本系統的數據處理方法及技術符合實際工程要求。最終系統分析得到的軸承實際壓力為16.8 MPa，與船廠報告數據之間誤差為1.82%，均在理論計算值的5%誤差范圍內。由于采用優化的

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圖5 軸承負荷頂升擬合曲線圖對比

數據擬合算法，可排除人為繪圖及數據處理的誤差，由此驗證了系統測量的結果具有可信度。

4 結 論

本系統以LabVIEW 2016為軟件平臺，結合數據采集模塊，實現頂舉試驗過程中數據的采集、分析、擬合、存儲以及結果打印。通過理論與試驗分析及對比，驗證本系統的實用性和測量結果可信度。

相較于傳統的人工讀數方法，本系統通過高精度傳感器和采集卡實現讀數與數模轉換，并通過內部程序進行濾波處理，可降低人為讀數因素影響；此外，本系統的測量過程在短時間內便可完成整個工作流程，并可直接打印標準報告，極大地提高了工作效率。

[1] 龍漢新. 船舶軸系軸承負荷自動測量裝置設計及應用[J]. 船舶與海洋工程, 2014(2):32-34.

[2] 詹宇,林富強,馬瑞云. 大船軸系校中的檢驗[J]. 中國船檢, 2003(6):77-79.

[3] 張利軍. 基于頂舉法的船舶推進軸系負荷測試方法研究[J]. 機電設備, 2014(1):6-9.

[4] 何國欽. 軸系軸承負荷的測量分析與調整[J]. 機電技術, 2008(3):70-72.

[5] 趙梓忠,陳鵬. 船舶軸系安裝及校中工藝[J]. 科技傳播, 2011(23):151-153.