船用螺旋槳的平衡檢驗方法

朱 晶，孫赫應，于霄雷，王紅嵩

（大連船用推進器有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

船用螺旋槳位于船舶最末端，其主要作用是將船舶主機所發(fā)出的功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿哟斑\動的推力，是驅(qū)使船舶前進的重要部件[1-3]。船用螺旋槳本身為復雜曲面回轉(zhuǎn)體結構，在其整個制造過程中，通常要經(jīng)過鑄造、機械加工和鏟磨等多道工序。在鑄造工序中，為了保證螺旋槳的尺寸能夠達到圖紙要求，在工藝設計時人為給定了加工余量，因而澆注后獲得的螺旋槳鑄件均為鑄造毛坯件。到機械加工工序時，在允許存在制造公差的前提下，加工完成的螺旋槳產(chǎn)品在會在螺旋槳螺距、每個槳葉葉片截面厚度、每個槳葉截面外形、每個槳葉截面長度、每個槳葉位置和基準線及相鄰槳葉間角度等方面存在偏差，致使成品螺旋槳重心會偏離軸線，從而產(chǎn)生偏心距，造成螺旋槳自身不平衡，螺旋槳在水中做旋轉(zhuǎn)運動推動船舶前進的過程中就會引起噪聲或振動，最終將導致嚴重的后果[4-7]。鑒于此，成品螺旋槳在出廠前或者是受損的螺旋槳經(jīng)過修理后，一般均需要使用平衡檢驗來確定存在偏差槳葉的重量和具體位置，通過合理而有效的處理方法，準確地控制螺旋槳的不平衡重量，以滿足船級社規(guī)范要求的允許偏差質(zhì)量范圍[8-10]。本文對螺旋槳主要使用的平衡檢驗方法進行了歸納并系統(tǒng)地介紹每種方法的特點。

1 螺旋槳的平衡

1.1 螺旋槳的平衡檢驗的必要性

鑄造毛坯螺旋槳經(jīng)過機械加工和人工打磨后，由于槳葉外輪廓差異、單葉片質(zhì)量偏差、槳葉與槳葉之間夾角不均和螺距偏移等因素，造成了螺旋槳重心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，即螺旋槳重心位置與每個葉片之間的凈質(zhì)量不完全相同，導致螺旋槳產(chǎn)生不平衡。

船舶在水中航行時，位于船舶尾部的螺旋槳圍繞軸線做旋轉(zhuǎn)運動推動船舶前進。當船舶行駛至淺灘水域或是旋轉(zhuǎn)的槳葉碰到水面漂浮的物體，將會導致槳葉邊緣發(fā)生卷邊、變形、翹曲或鋸齒狀損傷，嚴重時槳葉會發(fā)生斷裂，亦會造成螺旋槳完全失去平衡。

在海水中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳有時也會因金屬材料成分不均勻或內(nèi)部存在小缺陷而發(fā)生除了電化學腐蝕，加之長期工作受到的空泡剝蝕及海水沖刷腐蝕，致使各槳葉之間發(fā)生質(zhì)量偏差，最終造成螺旋槳的不平衡。

鑒于上述原因，出廠前的成品螺旋槳或者受損修補后的螺旋槳均需要進行平衡檢驗。

1.2 螺旋槳的平衡檢驗理論

施加外力旋轉(zhuǎn)的螺旋槳不受時間和位置變化的影響最終都可靜止不動，靜止后處于最高位置和最低位置的槳葉均隨機，這樣達到的平衡稱為隨遇平衡。船用螺旋槳平衡檢驗的基礎即為隨遇平衡。

1.2.1 靜平衡

1）定距螺旋槳平衡檢驗理論

中國船級社規(guī)范及ISO484/1規(guī)定[4,11-12]，檢驗螺旋槳靜平衡裝置的芯軸的摩擦力矩應遵循式（1）要求。

式中：G為計算掛重，kg；R為螺旋槳半徑，m。

當螺旋槳直徑D＞1.5 m時，掛重為

式中：m為螺旋槳質(zhì)量，kg；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；C和p均為系數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)速n及螺旋槳級別系數(shù)K進行選擇，不同級別螺旋槳對應的K與p值見表1。

表1 不同級別螺旋槳的K和p值

當螺旋槳直徑D≤1.5 m時，計算掛重根據(jù)式（4）計算。

式中：D為螺旋槳半徑，m。

2）調(diào)距螺旋槳平衡檢驗理論

對于組合式螺旋槳(如可調(diào)距槳)部件而言，若船級社或訂貨方不要求對螺旋槳整槳做靜平衡檢驗時，需要對單個葉片進行力矩平衡檢驗，分別確定各個槳葉重心對于螺旋槳軸線的平衡力矩。例如，四葉可調(diào)螺距螺旋槳每片葉片對于螺旋槳軸線的平衡力矩應滿足式（5）要求

式中：Wi為序號為i的槳葉的重量；Xi為序號為i的槳葉重心距螺旋槳軸線的距離；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速；Δmi為序號為i的槳葉的平衡力矩；f為系數(shù)，不同級別螺旋槳對應的系數(shù)f值見表2。

表2 不同級別螺旋槳的f值

陶先榮[13]在研究螺旋槳不平衡時指出，臨時支撐工裝的精度對螺旋槳的靜平衡有很大的影響。而貫穿軸兩端軸承的實際滾動阻力Fr是影響其精度的主要因素?？紤]到影響Fr的諸多因素，他采用了試驗方法求Fr。通過試驗可知，理論的滾動阻力Fr'可隨著法向力F法的加大或螺旋槳半徑R的減小而增大，如式（6）所示。

式中：k為滾軸客服滾動阻力時法向力的位移。

陶先榮在經(jīng)過數(shù)次試驗后獲知，只有在實際滾動阻力Fr'＜0.02G/R時，臨時支撐工裝的精度才滿足要求。此外，在研究螺旋槳靜平衡時，影響臨時支撐工裝精度還應考慮貫穿軸的垂直度、強度及與找正工裝的配合間隙度等因素。

沈昌炎[6]提出了1種新的螺旋槳靜平衡試驗方法。在給出新方法前，他通過2種傳統(tǒng)螺旋槳靜平衡試驗方法的舉例，明確指出摩擦力矩的數(shù)值是影響靜平衡試驗結果的直接因素。隨后針對上述問題，他先運用積分及線性代數(shù)計算確定了螺旋槳不平衡質(zhì)量中心的幾何位置及不平衡度的值。之后，經(jīng)過一系列的公式推導證明，在他的平衡試驗方法中，掛重值可以不受嚴格限制，但要通過試驗計算得出確定的質(zhì)量偏心距，才可以確定槳的不平衡的許可值。最后，他基于某測量葉片中心線與偏心距半徑的夾角和計算的質(zhì)量偏心距，借助于正弦定律的相關計算，找出處理螺旋槳較重葉片上需要削掉的位置及消掉質(zhì)量。

龍旭平[14]提到螺旋槳靜不平衡的主要影響因素有2點：1）螺旋槳的每個槳葉之間存在質(zhì)量差；2）測試螺旋槳靜平衡的設備或裝置的精度存在問題。他圍繞測試裝置的內(nèi)摩擦阻力矩Mf對螺旋槳靜平衡的影響做了重點討論。他通過嚴謹?shù)目茖W分析后得出，在螺旋槳靜平衡試驗中，為了使內(nèi)摩擦阻力矩在任何情況下都符合要求，可采用“2次掛重法”測量某次螺旋槳靜平衡測試時試驗裝置的內(nèi)摩擦阻力矩。由計算公式推導，他獲知Mf＜GR/2，這時的螺旋槳靜平衡檢測裝置的Mf合格，國家標準GB 12916—91規(guī)定兩者相等時亦可[8]。由此可知，在螺旋槳靜平衡測試中，所選裝置的內(nèi)摩擦阻力矩Mf≤GR/2符合規(guī)定。

周洪喆[15]指出螺旋槳等速旋轉(zhuǎn)時，其重心偏離轉(zhuǎn)動軸線，因重量不均衡會導致離心力的產(chǎn)生；通過合成力偶和合成離心力不同的情況，分析了靜力不平衡和動不平衡分別會在什么條件下出現(xiàn)。在指出了螺旋槳不平衡產(chǎn)生的原因及會引發(fā)的后果后，他給出了其他國家在進行螺旋槳平衡檢測時經(jīng)過計算推導出的允許不平衡重量，見表3。

表3 國外船規(guī)常用允許不平衡重量

1.2.2 螺旋槳動平衡檢驗理論

中國船級社規(guī)范規(guī)定[11]，設計轉(zhuǎn)速在500 r/min及以上的螺旋槳一般要求做動平衡檢驗，允許的不平衡力矩要符合該社批準圖紙的要求。若圖紙對動平衡無明確要求時，則要求螺旋槳的剩余不平衡質(zhì)量不得超過按以下公式進行計算得出的衡準值uper。

式中：uper為許用不平衡質(zhì)量；G’為平衡品質(zhì)等級，根據(jù)ISO 1940，此處G'為16 mm/s；m為螺旋槳質(zhì)量；r為平衡半徑，r=0.8R；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

華漢金等[16]針對船用螺旋槳動平衡檢測問題，提出了自己的一種檢驗方法，主要用于發(fā)現(xiàn)和排除螺旋槳入水前高速旋轉(zhuǎn)時自身引起的振動，可避免與螺旋槳空泡噪聲混淆。他的方法以假設某轉(zhuǎn)速條件下，螺旋槳動不平衡質(zhì)量力矩與其引起的振動振幅變化趨勢相同為前提條件，在計算出螺旋槳外加一個不平衡配重而產(chǎn)生的不平衡力矩導致的振動的振幅A配重后，再計算該螺旋槳最初動不平衡力矩m初與y初的乘積。他通過4次測試振動的試驗，分別得出了最初動不平衡振幅、外加一個配重于螺旋槳槳轂某位置后的動不平衡振幅、第2次試驗中的配重加于前次試驗軸對稱位置后的動不平衡振幅和A配重與m初和y初的乘積。通過第4次試驗的驗證可知，在排除螺旋槳振動后，可判斷出加配重槳葉的輕重，經(jīng)過進一步的構圖結合計算，最終可得出螺旋槳動不平衡的位置及重量。

螺旋槳平衡的理論一般以中國船級社規(guī)范或ISO 484/1為依據(jù)。綜上可知，在螺旋槳平衡檢驗方法的研究中，研究者們更多考慮的是靜平衡檢驗設備的精度，如貫穿軸的兩端軸承的滾動阻力及設備的內(nèi)摩擦力矩的值都會對平衡檢驗結果有一定的影響。未來的靜平衡檢驗研究，應該多以實測為主，反復試驗，不斷積累檢驗數(shù)據(jù)，從而逐步排除檢驗設備對平衡結果的影響，只針對螺旋槳自身而言，使靜平衡檢驗結果更精準。對于動平衡檢驗方法的研究，因為螺旋槳在旋轉(zhuǎn)的動態(tài)條件下試驗，可以考慮與螺旋槳振動和螺旋槳噪聲結合研究，通過大量的試驗數(shù)據(jù)排除不相關