船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

付 攀

（海裝北京局（某局）駐青島地區(qū)（某）軍事代表室，山東 青島 266001）

引言

船舶推進(jìn)軸系是船舶航行過程中的重要的動(dòng)力裝置，在航行的過程中，推進(jìn)軸系主要作用是將主機(jī)的動(dòng)力傳遞至螺旋槳，帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶航行。船舶軸系在運(yùn)行的過程中會(huì)受到軸系自身重力、主機(jī)傳遞的振動(dòng)以及螺旋槳帶動(dòng)的振動(dòng)，這就造成了船舶軸系運(yùn)行過程中的環(huán)境是非常惡劣的，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生不同程度、不同形式的故障。隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的逐漸發(fā)展，船舶的載重力和重量不斷加大，主機(jī)和螺旋槳的質(zhì)量也越來越大，隨之船舶推進(jìn)軸的質(zhì)量也越來越大，推進(jìn)軸的工作負(fù)載也越來越大，這就對(duì)船舶推進(jìn)軸的工作狀態(tài)提出了更高要求[1-2]。船舶推進(jìn)軸系的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎著船舶在航行過程中的安全航行，對(duì)船舶推進(jìn)軸系的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是通過對(duì)船舶推進(jìn)軸的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)參數(shù)的情況來反映船舶推進(jìn)軸的運(yùn)行的穩(wěn)定性并進(jìn)行故障的預(yù)測(cè)。

1 船舶推進(jìn)軸系關(guān)鍵參數(shù)采集方案設(shè)計(jì)

1.1 回旋振動(dòng)

船舶推進(jìn)軸系的回旋振動(dòng)是由于船舶推進(jìn)軸在實(shí)際運(yùn)行過程中由于自身重力的影響產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致推進(jìn)軸在旋轉(zhuǎn)的過程中使得旋轉(zhuǎn)中心和船舶推進(jìn)軸的幾何中心不在一個(gè)中心線上，外在的表現(xiàn)上就表現(xiàn)為船舶推進(jìn)軸系在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生橫向的振動(dòng)[3]。這種振動(dòng)長(zhǎng)期存在會(huì)導(dǎo)致連接螺旋槳軸的大端產(chǎn)生龜裂或者是嚴(yán)重引發(fā)軸系的斷裂等嚴(yán)重后果。據(jù)此設(shè)計(jì)船舶推進(jìn)軸回旋振動(dòng)采集主要是針對(duì)船舶推進(jìn)軸的回旋振動(dòng)進(jìn)行采集，回旋振動(dòng)因?qū)儆诰€性振動(dòng)，線性振動(dòng)過程中的軸系產(chǎn)生的位移可以進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可以通過對(duì)其速度和加速度進(jìn)行測(cè)量，以此來反映回旋振動(dòng)的激烈程度。對(duì)推進(jìn)軸系的位移、速度以及加速度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，只需要測(cè)量出其中一個(gè)參數(shù)，其他兩個(gè)參數(shù)就可以通過積分或者是微積分進(jìn)行計(jì)算得出，船舶推進(jìn)軸系的回旋振動(dòng)量可以通過相關(guān)的模型計(jì)算得出正軸系的回旋振動(dòng)。傳統(tǒng)的電渦流傳感器在實(shí)際的應(yīng)用過程中由于其安裝位置的特殊性以及在船舶上的不精確性不能夠采用，只有采用加速度傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。加速度傳感器的使用恰好能夠解決傳統(tǒng)傳感器由于只能安裝在軸系的軸承座或者是基座上，導(dǎo)致在軸系旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生的縱向振動(dòng)無法在基座上測(cè)量得出，只能夠測(cè)量得出橫向振動(dòng)的問題。因此選用無線傳輸技術(shù)加加速度傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

1.2 縱向振動(dòng)

船舶軸系的縱向振動(dòng)主要是由于船舶在運(yùn)行的過程中螺旋槳與海水之間會(huì)產(chǎn)生縱向的推力，從而導(dǎo)致軸系產(chǎn)生位移，再加上傳統(tǒng)的船舶大部分采用的是柴油機(jī)，柴油機(jī)由于其氣缸和活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中對(duì)軸系產(chǎn)生縱向的振動(dòng)。船舶軸系縱向的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生疲勞磨損等故障。船舶縱向振動(dòng)同樣屬于線性振動(dòng)，可以采用渦流傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置可以設(shè)置在船舶主機(jī)的飛輪端，同樣也可以采用加速度傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

1.3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

船舶軸系主要是連接船舶的主機(jī)和螺旋槳，船舶主機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程中會(huì)由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中各個(gè)零部件之間產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)速度，在扭動(dòng)時(shí)，主機(jī)與螺旋槳之間產(chǎn)生了交變扭矩，使軸產(chǎn)生扭振。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在實(shí)際工作過程中會(huì)導(dǎo)致軸系振動(dòng)的振動(dòng)噪聲加大，甚至可能將軸系扭斷。在針對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)量時(shí)，主要是對(duì)角位移、角速度或切應(yīng)力三個(gè)物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)船舶軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)量本次設(shè)計(jì)中采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量、與傳統(tǒng)的角速度或者角位移傳感器相比較，電阻應(yīng)變片測(cè)量的方法有助于避免傳統(tǒng)傳感器在支架上測(cè)量的不準(zhǔn)確性。采用電阻應(yīng)變片測(cè)量再加上轉(zhuǎn)速的測(cè)量能夠計(jì)算得出船舶軸系的軸功率。電阻應(yīng)變片安裝在軸系需要測(cè)量的位置實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶運(yùn)行過程中軸系運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析、對(duì)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能，整個(gè)船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架如圖1 所示[4]。

圖1 船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要是針對(duì)船舶運(yùn)行過程中軸系的振動(dòng)相關(guān)參數(shù)、界面應(yīng)變以及軸承載荷以及轉(zhuǎn)速、軸功率等的測(cè)量。回旋振動(dòng)與縱向振動(dòng)采用的是加速度傳感器并帶有無線傳輸數(shù)據(jù)采集功能。加速度傳感器采用的是型號(hào)為1A314E 的IEPE 型三軸加速度傳感器，裝置的主要參數(shù)為量程是0～500 m/s2，頻率范圍為0.5～7 000 Hz，能夠滿足船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。采集器的采用的是DH5928W 型號(hào)，其裝置帶有Wi-Fi 模塊并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠滿足對(duì)橫縱向振動(dòng)測(cè)量的要求。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸功率以及軸承載荷采用的是應(yīng)變片來進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量的過程中，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軸功率均要采集扭轉(zhuǎn)應(yīng)變信號(hào)，通過利用4 個(gè)應(yīng)變片能夠組成全橋，軸承載荷是通過兩個(gè)應(yīng)變片組成半橋采集截面的彎曲應(yīng)變信息。全橋片的參數(shù)為電阻值為350 Ω，靈敏系數(shù)為2～2.2，極限應(yīng)變?yōu)?%。半橋片的主要參數(shù)為電阻值為350 Ω，靈敏系數(shù)為1.95～2.15，應(yīng)變極限系數(shù)為2%。轉(zhuǎn)速和角度的測(cè)試為采用光電轉(zhuǎn)速傳感器來進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集采用的是DH5928W 和DH5905N，兩個(gè)數(shù)據(jù)采集可以根據(jù)組建成為局域網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船舶推進(jìn)軸運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由振動(dòng)采集模塊、功能模塊以及校中采集模塊組成，振動(dòng)模塊是為了完成船舶推進(jìn)軸系三種振動(dòng)的原始參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的顯示以及存儲(chǔ)打印等功能。振動(dòng)采集首先是需要完成參數(shù)的設(shè)置，然后通過點(diǎn)擊開始采集旋鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集操作，操作完成后能夠在電腦上顯示出相關(guān)的圖標(biāo)，系統(tǒng)通過采集到的數(shù)據(jù)信息能夠經(jīng)過計(jì)算后得出相應(yīng)的加速度、速度以及位移，來表達(dá)振動(dòng)的沖擊力度以及能量的大小。功能采集模塊是為了實(shí)現(xiàn)傳播推進(jìn)軸系的功能數(shù)據(jù)采集、顯示等功能的完成，主要是完成轉(zhuǎn)速和軸功率的信息采集，最后將信息同樣在顯示界面進(jìn)行顯示。校中采集模塊完成的是對(duì)軸承載荷的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)傳感器測(cè)量到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)y(cè)量點(diǎn)的位置、布置信息等以標(biāo)準(zhǔn)表格的顯示進(jìn)行顯示，并且完成存儲(chǔ)等功能。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行和正常使用，利用可拆卸式水潤(rùn)滑的軸系作為實(shí)驗(yàn)的主要物件，其分為尾軸和中間軸，直徑分別為350 mm 與250 mm，長(zhǎng)度分別為3 000 mm 和2 000 mm。電機(jī)采用的為55 kW電機(jī)，轉(zhuǎn)速1 440 r/min，扭矩4 570 N·m，轉(zhuǎn)速比為1/12.83。其試驗(yàn)臺(tái)裝置如圖2 所示。為了驗(yàn)證軟件測(cè)試的準(zhǔn)確性同時(shí)采取傳統(tǒng)的傳感器直接測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的測(cè)試結(jié)果和船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差處于3%以內(nèi)，這在一定程度上說明了船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足船舶在航海時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)功能，達(dá)到了使用的需求。同時(shí)在實(shí)際的試驗(yàn)運(yùn)行過程中，船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

4 結(jié)語

船舶推進(jìn)軸系在船舶航行的過程中對(duì)船舶有著至關(guān)重要的作用，船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的引入能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)出船舶軸系的運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、軸的轉(zhuǎn)速、功率以及軸承載荷的參數(shù)值。通過結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等技術(shù)，對(duì)硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，對(duì)軟件的功能進(jìn)行了闡述，表明了設(shè)計(jì)的船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足船舶航行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量。在最后通過采用實(shí)物對(duì)船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，說明了船舶軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足相應(yīng)的功能需求，也能夠達(dá)到相應(yīng)的測(cè)試精度，船舶推進(jìn)軸系運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠切實(shí)提升船舶在運(yùn)行過程中對(duì)推進(jìn)軸系狀態(tài)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量，通過各參數(shù)的變化對(duì)其故障進(jìn)行提前預(yù)防的作用，具有著非常好的實(shí)用價(jià)值。