作業題目：船舶軸承負荷測試的新技術

課程名稱：現代艦船輪機工程

作業成績:授課教師:

船舶軸承負荷測試的新技術

0緒論

船舶推進軸系是船舶動力裝置的重要組成部分，是唯一的傳遞主機動力，使

船舶正常航行的組裝部件。船舶推進軸系在運轉中承受著復雜的應力和負荷。為

確保軸系長期安全正常地運轉，除在軸系設計時應保證具有足夠的強度及剛度

外，軸系應保持在合理的狀態下，保證軸系在各軸段內的應力及載荷在合理范圍

之內，即要進行軸系合理校中。

軸系合理校中，是指按校中計算的要求和方法，將軸系安裝成某種狀態（直

線或曲線），使各軸段內的應力和各軸承上的負荷均處在允許范圍之內，或具有

最佳的數值，以保證軸系及與之相連接的機械（如主機曲軸、齒輪箱等）能持續

正常地運轉。圖1表示的是某一船舶軸系校中模型。

圖1軸系校中模型

由于各軸承間距不等、外力作用不同和軸承長度不等，作用在軸承上的負荷

不同。大型船舶的螺旋槳質量很大，對軸承（特別是尾軸承）影響大，會出現很

不合理的負荷分配，造成個別軸承負荷過重，即超過軸承許用壓比，嚴重時造成

燒瓦事故—發動機最嚴重的機械故障。燒瓦會影響軸承的正常工作，進一步導致

船舶軸系不能正常運轉，從而無法保證船舶的正常航行。

為了改善這種情況，一般采取兩種措施：其一，調正軸承間距，重新布置軸

承位置；其二，當第一種方法調正無效時，可以調整軸承高度，使軸線變成曲線

安裝，以改善軸承負荷，這就是合理校中設計的內容。

軸系校中的質量目標，主要有軸承負荷的合理分配、軸在軸承處的轉角、主

機輸出端的彎矩和剪力等；其中比較容易測量的是軸承的負荷，如果各軸承的

負荷滿足計算要求，那么其他指標基本上也就滿足了。因此，船舶軸系中軸承負

荷的測試尤為重要。現在最常用的船舶軸承負荷測試的方法有兩種：千斤頂頂舉

法和電阻應變片測量法。

1頂舉法測量船舶軸承負荷

1.1千斤頂頂舉法測量原理

圖2為千斤頂頂舉法示意圖，船舶軸系一般安裝成直線狀態，由于軸系自重

作用以及軸上的垂向載荷，在軸承的支撐作用下，軸有向下的位移。采用千斤頂

頂舉法測量軸承負荷，就是在軸系的某一位置Ji放置液壓千斤頂，將軸逐漸頂

起，使被測軸承與軸頸完全脫開，軸的位移逐漸減小為零。此時千斤頂代替了軸

承的作用，千斤頂的負荷即為被測軸承受到的載荷。

軸承KXMOOmm、,152200mm

----------千斤頂----------

圖2千斤頂頂舉法示意圖

通過千斤頂頂舉法試驗，繪制圖3所示的頂舉曲線，縱坐標為軸的位移量，

橫坐標為千斤頂負荷。分別記錄千斤頂加載和卸載過程中軸的位移和千斤頂的負

荷，再繪制頂舉曲線，從而求出軸位移為零時對應的千斤頂負荷，就是被測軸承

所承受的負荷。

圖3頂舉曲線

由于滯后的影響造成頂舉過程中所測出的上升曲線與下降曲線不重合，因此

在確定千斤頂負荷時，應該取其平均值。所以千斤頂代替被測軸承（且軸的位移

為零時）的負荷Ro可以按照公式1-1計算。

Ro=（A+B）/2（式1?1）

1.2頂舉法的試驗儀器和操作過程

圖4表示的是頂舉法的操作示意圖，千斤頂布置在靠近軸承的軸下方，千斤

頂和軸之間的壓力傳感器用來測量千斤頂的負荷，測量軸位移的千分表布置在軸

上同一截面的上方，通過給千斤頂加載和卸載，觀察和汜錄壓力傳感器和千分表

的示數，根據記錄數據繪制頂舉曲線。

圖5所示的是兩種不同的壓力傳感器，用來測量千斤頂負荷，圖6所示的為

數顯千分表，是?種位移傳感器，用來測帚軸的位移。

圖5壓力傳感器

1）連接線端口，數據愉出;

2）面板功能建；

3）位移測量探頭

圖6數顯千分表（位移傳感器）

圖7表示的是頂舉法的實際操作圖，壓力傳感器布置在千斤頂和軸之間，操

作時要注意千斤頂頂舉支點、千分表桿的觸點必須在同一軸頸截面上的最低點與

最高點的上下對稱中心點上，千分表支架應該單獨裝在不受中間軸及千斤頂影響

的位置。

圖7頂舉法的實際操作圖

采用頂舉法檢驗時，應對被測軸承逐個進行，檢測沒備應正確安裝并準確調

零。在升壓與降壓過程中，應記錄千斤頂壓力和千分表的穩定讀數，并繪制頂舉

曲線圖。注意不應在千斤頂上升過程中降壓，也不能在下降過程中升壓。

被測軸承實際負荷為（A+B）/2o如果（B—A）>0.4義（A+B）/2,則說

明測量的數據不理想，建議重測。

頂舉法的優點：頂舉法測量軸承負荷設備簡單，操作方便，可以結合壓力傳

感器進行測量，提高測量結果的準確性，已在國內外各修造船廠被廣泛應用。

頂舉法缺點：頂舉法測量時液壓千斤頂應該布置在軸承附近，而一些船舶的

尾軸承可能會封裝在尾軸管區域內，導致在實際軸承負荷測量中，計算書中要求

的千斤頂安裝位置有時并不適合安放千斤頂。而通過移動千斤頂來測量軸承負

荷，造成頂舉系數的錯誤使用，不能得出準確的軸承負荷值。此外，在千斤頂頂

舉法測量軸承負荷中存在各種影響因素，測量精度有限。

2電阻應變片法測量船舶軸承負荷

2.1電阻應變片法測量原理

借助電阻應變片及應變儀測量出被測點的應變￡,如圖8中的C截面處，根

據測量得到的應變值￡和公式。=±E播求出被測點的應力。，再根據公式

求出被測點的彎矩，然后按連續梁的性質計算出軸系有關截面上的彎

矩，最后按梁的力學平衡條件計算出釉承實際負荷。

假■定支

點位五

—V———I—一

LiBiLiBz

圖8尾軸軸系示意圖（單支點）

電阻應變片的連接方式為二片半橋法，一組應變片（兩個）分別布置在軸的

同一截面的兩端，如圖9所示，一般在同一段軸的二個截面處分別布置二組應變

片。

圖9二片半橋法

在進行單支承軸系校中計算時，一般支點位置取在（1/7?1/3）L處，如何精

確地確定支點位置，目前仍未形成統一的結論，近似的計算不能真實地反映尾軸

承實際受力情況。此外，在軸系投入運轉后，尾軸承支點位置是處于不斷的變化

之中。由此可以看出，準確計算出后尾軸承的支點位置非常重要，而利用電阻應

變片法可以計算出后尾軸承的支點位置，具體原理如下。

圖8和圖10分別為尾軸的軸系示意圖和受力圖，圖8中假定支點O點與軸

承端點A點之間的距離V為待求量，圖10中卬~(]6表示的是距離，具體如下：

q1=q+4+/+X+W—/2

%=q/2+隹+%+%

%=4/2+%+%

鞏=a,/2+再

<75=x/2

qb={L2-xy-x2-a2)/l

圖10尾軸受力圖(單支點)

計算思想：利用兩種方法分別表示出O點的支反力Ri,然后聯立后求解出

XfO

方法一：圖10中，對于左邊的軸段(從最左端到C點)，列出C點的力矩

平衡方程：

—V+X]+4)-M；-Q]夕]一Q?%-(J?%-。4%-2％-+4+8]+X))=0

解得：

凡=---r------[%+。聞+。2%+03%+。必+&%+6(4+生+4+.￥,)]

-x+玉+a2

方法二：對于中間的地段(CD),列出D點的力矩平衡方程：

——Cf,<76+"(4-?2-x,-x2)=0

解得:

1

片二

對于左邊的軸段（從最左端到C點），列出力平衡方程：

Ri-Fi-Pi-Pi-Qi-Qi-Q3-Q4-05=0

解得：

R1=FJ+PI+P2+QI+Q2+Q3+Q4+Q5

根據方法一和方法二計算出的RI應該相等，聯立解出：

.（E+1+8+2+2+g+&+224+X+%）-[M：+Q|%+頌+Q%+Q4+Q5%+＜（《+%+S+M]

￡+/1+8+Qi+&+Q3+2+Qs

利用上述公式求出的/即為后尾軸承支點的位置，可.以看出，利用電阻應變

片法可以測量和計算出后尾軸承支點的位置以及各個軸承負荷。

2.2電阻應變片法測量儀器和試驗操作

圖11所示的是電阻應變儀，用來測量被測點的應變，橋路設置時采用二半

橋法，可以同時顯示四個應變片的應變值。圖12為電阻應變片，測量時，人工

控制軸的轉動，使軸每次轉動90°,記錄電阻應變儀的示數，軸一共轉動720°。

利用所測的應變值求出被測點的彎矩，然后按連續梁的呼.質計算出軸系有關截面

上的彎矩，最后按梁的力學平衡條件計算出軸承實際負荷。

圖II電阻應變儀

圖12電阻應變片

電阻應變片法的優點：千斤頂法由于受到軸系結構的限制，實船條件下只能

對幾個中間軸承實現測量，有一定的局限性，而電阻應變片法則很少受到軸系

結構的限制，能夠對軸系全部軸承負荷實現測量，且易于實船實施，測量精度

也較高。

電阻應變片法缺點：成本比千斤頂法高，操作和計算也比千斤頂法復雜。

3軸承負荷計算軟件平臺開發

利用前面所述的兩種測量軸承負荷的方法，可以開發軸承負荷計算軟件平

臺。本軟件平臺是基于軸承負荷計算原理，開發的軸承負荷計算軟件系統；通過

在可視化界面中輸入軸系基本參數、測量數據，可即時計算獲得各軸承負荷值、

后尾軸承負荷分布情況與支點位置.方便進行軸承負荷信息的計算與管理。

圖14表示的是該軟件平臺的前處理模塊，圖15表示的是應變片法計算軸承

負荷模塊。

圖14前處理模塊

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圖15應變片法計算軸承負荷模塊

4船舶軸承負荷測試新技術的猜想

針對目前的軸承負荷測試方法的不足，以及其他新技術的興起，個人提出了

船舶軸承負荷測試新技術的兩點猜想。

新技術一：無線電阻應變儀

由于上述的兩種方法都只能測量船舶軸系在靜態（軸系不運轉）時的軸承負

荷，無法對船舶軸系運轉時的軸承負荷進行判斷，因此需要開發新技術來測量動

態時的軸承負荷。

現在采用的電阻應變片法需要通過電線來連接應變片和電阻應變儀，所以不

能在軸系運轉時測量。而目前無線傳感器技術已經應用在測量船舶軸系的轉速等

方面，如圖17,所以可以利用這種技術，開發無線的電阻應變儀，并可以將測

量的應變數據實時傳輸給PC客戶端，從而測量船舶軸系運轉狀態時的軸承負荷,

為船舶軸系的合理校中提供進一步的保障。

圖17無線傳感器測量軸速

新技術二：利用X射線和超聲波法測定軸表面應力

目前，X射線和超聲波法廣泛應用于測定材料內部的殘余應力，考慮是否可

以應用于直接測定軸上的應力，然后計算軸承負荷。

X射線殘余應力測定方法是?種間接方法，它是根據衍射線條的0角變化或

衍射條形狀或強度的變化來測定材料表層微小區域的應力。由于X射線只能照

射深度10-30pm左右的表層，所以X射線法測定的是表面二維的平面應力。

超聲波法是利用聲雙折射現象的，一個各向同性固態介質（我們通常假定所

測試樣品為各向同性的），在應力的作用下，是具有聲彈性的（和磁性相似）。即

在有應力的情況下，由于應力的方向和大小的不同，從而使在固態介質中的超聲

波傳遞速度發生了變化，乜就是由于應力的存在引起了各向異性。當應力為平面

應力狀態且超聲波又以垂直于應力平面方向傳播時，超聲波僅只分解成兩個方向

的超聲波（反射波和折射波），見圖18。由于發射和檢測超聲波方法的改進，從

而提出了各種方法以測定應力引起的聲雙折射、聲傳播速度變化及超聲頻譜變

化，測量出這些變化以后便可計算出作用在物體上的外力或殘余應力。

利用X射線和超聲波法測定軸表面應力的思路：首先在軸系安裝前，選擇

軸表面上的被測點，利用X射線和超聲波法測量軸不受載荷時被測點的殘余應

力。I；然后在軸系安裝完成后，測量被測點的總應力＜72,二者差值就是由軸承

負荷引起的被測點的應力值；最后按照上述電阻應變片法中同樣的計算思想，求

出軸承的實際負荷。直接測量應力，不僅可以提高測量精度，也能減少計算量。

雖然這種方法中，X射線和超聲波法的測量儀器在實際測量軸應力時，會存在操

作困難，但是這種猜想可以為新技術的實現提供一定的思路。

5小結

軸承負荷計算是船舶軸系合理校中的重要內容，本文通過介紹頂舉法和電阻

應變片法測量船舶的軸承負荷的原理和方法，進一步指導軸承間距或者高度的調

整，改善軸承負荷，從而