船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實驗測試

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

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

1 船舶推進軸系關(guān)鍵參數(shù)采集方案設(shè)計

1.1 回旋振動

船舶推進軸系的回旋振動是由于船舶推進軸在實際運行過程中由于自身重力的影響產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致推進軸在旋轉(zhuǎn)的過程中使得旋轉(zhuǎn)中心和船舶推進軸的幾何中心不在一個中心線上，外在的表現(xiàn)上就表現(xiàn)為船舶推進軸系在運行的過程中產(chǎn)生橫向的振動[3]。這種振動長期存在會導(dǎo)致連接螺旋槳軸的大端產(chǎn)生龜裂或者是嚴重引發(fā)軸系的斷裂等嚴重后果。據(jù)此設(shè)計船舶推進軸回旋振動采集主要是針對船舶推進軸的回旋振動進行采集，回旋振動因?qū)儆诰€性振動，線性振動過程中的軸系產(chǎn)生的位移可以進行測量，同時也可以通過對其速度和加速度進行測量，以此來反映回旋振動的激烈程度。對推進軸系的位移、速度以及加速度三個參數(shù)進行測量，只需要測量出其中一個參數(shù)，其他兩個參數(shù)就可以通過積分或者是微積分進行計算得出，船舶推進軸系的回旋振動量可以通過相關(guān)的模型計算得出正軸系的回旋振動。傳統(tǒng)的電渦流傳感器在實際的應(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其進行測量。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)生的縱向振動無法在基座上測量得出，只能夠測量得出橫向振動的問題。因此選用無線傳輸技術(shù)加加速度傳感器對其進行測量。

1.2 縱向振動

船舶軸系的縱向振動主要是由于船舶在運行的過程中螺旋槳與海水之間會產(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，柴油機由于其氣缸和活塞在往復(fù)運動的過程中對軸系產(chǎn)生縱向的振動。船舶軸系縱向的振動會導(dǎo)致其產(chǎn)生疲勞磨損等故障。船舶縱向振動同樣屬于線性振動，可以采用渦流傳感器對其進行監(jiān)測，監(jiān)測位置可以設(shè)置在船舶主機的飛輪端，同樣也可以采用加速度傳感器對其進行測量。

1.3 扭轉(zhuǎn)振動

船舶軸系主要是連接船舶的主機和螺旋槳，船舶主機在旋轉(zhuǎn)的過程中會由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中各個零部件之間產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)速度，在扭動時，主機與螺旋槳之間產(chǎn)生了交變扭矩，使軸產(chǎn)生扭振。扭轉(zhuǎn)振動在實際工作過程中會導(dǎo)致軸系振動的振動噪聲加大，甚至可能將軸系扭斷。在針對扭轉(zhuǎn)振動的測量時，主要是對角位移、角速度或切應(yīng)力三個物理量進行監(jiān)測。針對船舶軸系的扭轉(zhuǎn)振動的測量本次設(shè)計中采用電阻應(yīng)變片進行測量、與傳統(tǒng)的角速度或者角位移傳感器相比較，電阻應(yīng)變片測量的方法有助于避免傳統(tǒng)傳感器在支架上測量的不準確性。采用電阻應(yīng)變片測量再加上轉(zhuǎn)速的測量能夠計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量的位置實現(xiàn)直接測量。

2 運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)對船舶運行過程中軸系運行的關(guān)鍵參數(shù)的實時采集、將采集的數(shù)據(jù)進行顯示、對獲得的數(shù)據(jù)進行處理和分析、對原始數(shù)據(jù)的存儲等功能，整個船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的框架如圖1 所示[4]。

圖1 船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的框架圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要是針對船舶運行過程中軸系的振動相關(guān)參數(shù)、界面應(yīng)變以及軸承載荷以及轉(zhuǎn)速、軸功率等的測量。回旋振動與縱向振動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，能夠滿足船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的需求。采集器的采用的是DH5928W 型號，其裝置帶有Wi-Fi 模塊并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠滿足對橫縱向振動測量的要求。扭轉(zhuǎn)振動、軸功率以及軸承載荷采用的是應(yīng)變片來進行測量。在實際測量的過程中，扭轉(zhuǎn)振動和軸功率均要采集扭轉(zhuǎn)應(yīng)變信號，通過利用4 個應(yīng)變片能夠組成全橋，軸承載荷是通過兩個應(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)速和角度的測試為采用光電轉(zhuǎn)速傳感器來進行測量。數(shù)據(jù)采集采用的是DH5928W 和DH5905N，兩個數(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

船舶推進軸運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是由振動采集模塊、功能模塊以及校中采集模塊組成，振動模塊是為了完成船舶推進軸系三種振動的原始參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的顯示以及存儲打印等功能。振動采集首先是需要完成參數(shù)的設(shè)置，然后通過點擊開始采集旋鈕進行數(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，系統(tǒng)通過采集到的數(shù)據(jù)信息能夠經(jīng)過計算后得出相應(yīng)的加速度、速度以及位移，來表達振動的沖擊力度以及能量的大小。功能采集模塊是為了實現(xiàn)傳播推進軸系的功能數(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行顯示。校中采集模塊完成的是對軸承載荷的數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過對傳感器測量到的應(yīng)變信號進行計算，能夠?qū)y量點的位置、布置信息等以標準表格的顯示進行顯示，并且完成存儲等功能。

3 實驗測試

為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行和正常使用，利用可拆卸式水潤滑的軸系作為實驗的主要物件，其分為尾軸和中間軸，直徑分別為350 mm 與250 mm，長度分別為3 000 mm 和2 000 mm。電機采用的為55 kW電機，轉(zhuǎn)速1 440 r/min，扭矩4 570 N·m，轉(zhuǎn)速比為1/12.83。其試驗臺裝置如圖2 所示。為了驗證軟件測試的準確性同時采取傳統(tǒng)的傳感器直接測量進行對比，對比后發(fā)現(xiàn)在實際的測試結(jié)果和船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)相對誤差處于3%以內(nèi)，這在一定程度上說明了船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足船舶在航海時相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測功能，達到了使用的需求。同時在實際的試驗運行過程中，船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。

圖2 試驗裝置圖

4 結(jié)語

船舶推進軸系在船舶航行的過程中對船舶有著至關(guān)重要的作用，船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的引入能夠?qū)崟r監(jiān)測出船舶軸系的運行時的振動、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、信號處理等技術(shù)，對硬件進行選型設(shè)計，對軟件的功能進行了闡述，表明了設(shè)計的船舶推進軸系運行狀態(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)的測量。在最后通過采用實物對船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行驗證其準確性和穩(wěn)定性，說明了船舶軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足相應(yīng)的功能需求，也能夠達到相應(yīng)的測試精度，船舶推進軸系運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠切實提升船舶在運行過程中對推進軸系狀態(tài)的監(jiān)測質(zhì)量，通過各參數(shù)的變化對其故障進行提前預(yù)防的作用，具有著非常好的實用價值。