螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法對(duì)比研究

吳傳濤

(中國船級(jí)社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

螺旋槳靜不平衡是由于螺旋槳制造過程中的加工誤差、材質(zhì)不均等因素而產(chǎn)生的慣性力不平衡現(xiàn)象[1]。螺旋槳的靜不平衡會(huì)引起一系列的不良反應(yīng)，如：螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)槳軸對(duì)軸承、船體產(chǎn)生周期性作用力，導(dǎo)致軸系軸承磨損并引起船體振動(dòng)產(chǎn)生較大噪聲，從而降低推動(dòng)效率，影響螺旋槳的使用壽命[2-4]。因此，螺旋槳出廠時(shí)完成靜平衡試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目。

目前，國內(nèi)固定式螺旋槳靜平衡試驗(yàn)主要利用靜平衡試驗(yàn)儀完成。根據(jù)其試驗(yàn)位置不同分為臥式靜平衡試驗(yàn)法和立式靜平衡試驗(yàn)法。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，靜平衡試驗(yàn)儀的自動(dòng)化程度也不斷提高，利用電子稱重的立式靜平衡試驗(yàn)儀逐漸被采用。可調(diào)螺距螺旋槳由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般采用整體法或單葉片法。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺旋槳試驗(yàn)方法沒有強(qiáng)制要求，國內(nèi)各個(gè)廠家所采用的方法也不盡相同。

本文分析了固定式螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳的幾種常見靜平衡試驗(yàn)方法，研究了各種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)原理，描述了各種試驗(yàn)方法的操作過程。同時(shí)，從成本、適用性、操作性、精度等方面對(duì)各種試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

1 固定式螺旋槳試驗(yàn)方法

固定式螺旋槳是指槳葉與槳轂不可相對(duì)運(yùn)動(dòng)、螺距不可調(diào)節(jié)的螺旋槳，一般采用整體澆筑，其槳葉與槳轂為同一整體。根據(jù)試驗(yàn)位置不同,固定式螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法一般分為臥式靜平衡法和立式靜平衡法，其中：根據(jù)自動(dòng)化程度不同，立式靜平衡法又可細(xì)分為配重法和電子稱重法。

1.1 臥式靜平衡法

1.1.1 試驗(yàn)方法

臥式靜平衡法是一種較為傳統(tǒng)的方法,廣泛應(yīng)用于中小型螺旋槳的靜平衡檢測(cè)，也被稱為掛重法[5]。其基本原理是：利用掛重產(chǎn)生的周向力矩使得螺旋槳發(fā)生運(yùn)動(dòng)，若掛重量在限定范圍內(nèi)即可認(rèn)為螺旋槳靜平衡試驗(yàn)合格。

試驗(yàn)步驟如下：

(1)將螺旋槳置于臥式靜平衡試驗(yàn)臺(tái)上，首先進(jìn)行隨遇平衡檢驗(yàn)。

(2)將掛重分次掛于各槳葉葉梢最大厚度標(biāo)記點(diǎn)上，并旋轉(zhuǎn)到水平位置，使其靜止。去掉支撐后，掛重的槳葉向下轉(zhuǎn)動(dòng)即為合格。

1.1.2 掛重計(jì)算

當(dāng)螺旋槳直徑D>1 500 mm時(shí)，按式(1)計(jì)算掛重值G[6]：

(1)

表1 系數(shù)K值

當(dāng)螺旋槳直徑D≤1 500 mm時(shí)，按式(2)計(jì)算G值[6]：

G=0.025d2+0.02

(2)

式中：d為螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，其葉梢軌跡圓的直徑， mm。

檢驗(yàn)靜平衡裝置的心軸摩擦力矩應(yīng)不大于式(3)中M值。

(3)

式中：M為力矩， N·m。

1.1.3 臥式靜平衡法特點(diǎn)

(1)門檻低，成本低。臥式靜平衡試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、搭建成本低。

(2)適用范圍有限。僅適用于中小型螺旋槳，隨著螺旋槳直徑增大，需要不斷增加試驗(yàn)臺(tái)高度。

(3)操作繁瑣，裝配工作量大，需要將心軸與螺旋槳軸孔進(jìn)行裝配。試驗(yàn)時(shí)需要分次對(duì)各個(gè)葉片進(jìn)行掛重。

(4)心軸與試驗(yàn)儀的摩擦力矩難以確定，對(duì)試驗(yàn)精度造成一定影響。

1.2 立式靜平衡法

近年來，隨著螺旋槳尺寸不斷變大，立式靜平衡法[7]開始被大量采用。根據(jù)其試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化程度，又可細(xì)分為配重法和電子測(cè)量法。

1.2.1 配重法

配重法基本原理是利用螺旋槳的懸浮狀態(tài)，在各個(gè)槳葉上進(jìn)行配重，使得槳體達(dá)到水平平衡狀態(tài)。若配重量在限定范圍內(nèi)，即可認(rèn)為螺旋槳靜平衡試驗(yàn)合格。

試驗(yàn)時(shí)將螺旋槳置于立式靜平衡儀上，通過液壓系統(tǒng)使螺旋槳處于懸浮狀態(tài)。在螺旋槳槳轂上端面放置相互垂直的兩個(gè)水平儀，同時(shí)在各槳葉葉梢最大厚度標(biāo)記點(diǎn)處配重，使得螺旋槳達(dá)到水平平衡狀態(tài)。若配重量在限定范圍內(nèi)，即認(rèn)為合格。

CB/T 4427—2015《船用金屬螺旋槳立式靜平衡試驗(yàn)方法》[8]中對(duì)于G值給出了計(jì)算方法，各葉片掛重應(yīng)為式(1)、式(2)計(jì)算G值的50%。

配重法具有以下特點(diǎn)：

(1)成本相較于臥式靜平衡法高，需要額外配備液壓平衡系統(tǒng)。

(2)適用范圍廣，不受螺旋槳直徑限制。試驗(yàn)時(shí)，由于槳葉處于水平狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)高度范圍沒有太高要求。

(3)操作較為簡(jiǎn)單，裝配工作量不大，只需將螺旋槳直接吊裝于立式靜平衡試驗(yàn)臺(tái)上，且一次配重即可完成試驗(yàn)。

(4)利用懸浮狀態(tài)克服了心軸摩擦力產(chǎn)生的誤差，試驗(yàn)結(jié)果相比臥式靜平衡法準(zhǔn)確。

1.2.2 電子測(cè)量法

電子測(cè)量法示意圖見圖1。其原理是在立式靜平衡試驗(yàn)儀下方設(shè)多個(gè)壓力傳感器，利用液壓系統(tǒng)使得螺旋槳處于懸浮狀態(tài)，通過各傳感器讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出螺旋槳的靜不平衡數(shù)值及方位[9]。以4個(gè)傳感器為例，各個(gè)傳感器的讀數(shù)結(jié)合其方位可看作4個(gè)矢量G1、G2、G3、G4,由于靜不平衡的存在，使得矢量和一般不為0，這個(gè)矢量和即可以理解為靜不平衡量。通過矢量合成得到最終螺旋槳的靜不平衡矢量G(見圖2)，該矢量的大小即為靜不平衡的大小，其方向即為靜不平衡存在的方位。

1—?jiǎng)恿υ矗?—電源；3—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；4—傳感器；5—心軸；6—上定心錐；7—固定銷；8—靜壓球面軸承；9—被測(cè)螺旋槳；10—傳感器；11—下定心錐。

圖2 矢量合成示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將螺旋槳置于立式靜平衡儀上，通過液壓系統(tǒng)使得螺旋槳處于懸浮狀態(tài)，然后通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接讀取螺旋槳的靜不平衡量[9]。

電子測(cè)量法具有以下特點(diǎn)：

(1)成本高，需要配備傳感器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。

(2)適用范圍廣(同配重法)。

(3)操作簡(jiǎn)單，直接讀取試驗(yàn)結(jié)果即可，省去了配重過程。

(4)精度高，能直接得出靜不平衡量的具體大小和位置。

1.3 對(duì)比

固定式螺旋槳的靜平衡試驗(yàn)方法在成本、適用性、操作性、精度等方面各有優(yōu)劣，見表2。

表2 固定式螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法對(duì)比

2 可調(diào)螺距螺旋槳試驗(yàn)方法

可調(diào)螺距螺旋槳是指通過轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉改變槳葉與槳轂的角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)螺距的螺旋槳。相較于固定式螺旋槳，可調(diào)螺距螺旋槳零部件眾多，一般包括可調(diào)槳槳葉、槳轂、曲柄盤、移動(dòng)油缸等，且制造工藝復(fù)雜。其靜平衡試驗(yàn)常用的方法有整體法和單葉片法[5,10]。

2.1 整體法

整體法就是將可調(diào)槳槳葉、槳轂、曲柄盤、移動(dòng)油缸等零部件組裝成整體，然后按照固定式螺旋槳的靜平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

整體法具有以下特點(diǎn)：

(1)成本高。裝卸過程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本和人力成本。

(2)適用性差。由于可調(diào)螺距螺旋槳的零部件往往由不同配套廠家提供，制造進(jìn)度難以協(xié)調(diào)。若最終試驗(yàn)結(jié)果不合格，整改難度很大。

(3)可調(diào)螺距螺旋槳的裝卸難度大。

(4)精度較高。試驗(yàn)形態(tài)即為最終形態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果較為直觀、準(zhǔn)確。

2.2 單葉片法

單葉片法(見圖3)是指在可調(diào)槳槳葉加工完工后，對(duì)各個(gè)葉片單獨(dú)進(jìn)行力矩平衡試驗(yàn)，若各槳葉的平衡力矩差在限定范圍內(nèi)即可認(rèn)為整槳靜平衡結(jié)果合格。這種方法存在以下假設(shè)：由于組合式螺旋槳的槳轂、曲柄盤、移動(dòng)油缸均位于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)中心，其不平衡力矩并不大，可認(rèn)為組合式螺旋槳靜不平衡的主要來源是相對(duì)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的槳葉。

Gi—配重值；Pi—槳葉重量；A、B、L1、L2—距離。

單葉片法的基本原理是利用力矩平衡，測(cè)量出各個(gè)葉片相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的平衡力矩Mi，然后用最大力矩減去最小力矩，計(jì)算出實(shí)際的最大不平衡力矩，即：

ΔMa=Mi，max-Mi，min

(4)

根據(jù)GB/T 12916—2010中對(duì)整體螺旋槳靜平衡試驗(yàn)的最大允許掛重值G可以計(jì)算出螺旋槳允許的理論最大不平衡力矩ΔM，若ΔMa≤ΔM，即可視為螺旋槳靜平衡試驗(yàn)合格。

根據(jù)力矩平衡公式：

GiL2=(L1+A)Pi=PiL1+PiA

(5)

槳葉相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的平衡力矩：

Mi=PiA+PiB=GiL2-PiL1+PiB

(6)

式中：Gi為配重值；Pi為槳葉重量；A、B、L1、L2為距離，可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或理論計(jì)算得到。

試驗(yàn)時(shí)，首先利用電子秤測(cè)出槳葉的重量Pi；再將可調(diào)槳槳葉置于槳葉力矩平衡試驗(yàn)裝置上，并讀取Gi；最后利用上述平衡力矩計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

單葉片法具有以下特點(diǎn)：

(1)成本低，省去了裝配帶來的巨大成本。

(2)適用性強(qiáng)。在可調(diào)槳槳葉完工后即可進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于可調(diào)槳槳葉由配套廠家提供的情況提供了極大的便利。

(3)操作難度小，利用槳葉力矩平衡試驗(yàn)裝置即可完成。

(4)精度較低，不需要考慮槳轂、曲柄盤、移動(dòng)油缸等其他零部件對(duì)于整槳靜平衡造成的影響。

2.3 對(duì)比

整體法與單葉片法在成本、適用性、操作性、精度等方面各有優(yōu)劣，見表3。

表3 可調(diào)螺距螺旋槳靜平衡試驗(yàn)方法對(duì)比

3 結(jié)語

不同靜平衡試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)各異，均能滿足目前國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)角度來說，上述各種方法均可以接受，各個(gè)廠家可以根據(jù)自身實(shí)際情況選用相應(yīng)方法進(jìn)行試驗(yàn)。