船用螺旋桨静平衡计算机检测原理与实验研究

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摘要:介绍了为某企业所开发的一种基于传感器技术的螺旋桨液压静平衡计算机检测系统，依据电子秤的称重原理设计而成，在对其结构、工作原理进行分析的基础上，推导出了求取螺旋桨静不平衡质量的差值算法，并分别从硬件和软件两方面对其实现方法进行了介绍.实验结果表明，该系统能快速准确的测量出螺旋桨各桨叶的静不平衡质量，满足工程应用要求，所设计的检测系统对螺旋桨静平衡检测结果的精确化以及提升大型转子的静平衡检测水平具有重要的参考价值.

关键词:螺旋桨;传感器;液压;静平衡

随着船舶的大型化，船用螺旋桨的尺度、质量也越来越大，对制造精度的要求越来越高，对螺旋桨的静平衡检测技术提出了更高要求.目前，螺旋桨静平衡检测方法的国家标准仍然是卧式的平衡挂重法，即采用刚性支承方式，将螺旋桨、心轴、滚动轴承组装成一个整体，然后将转子轴组件水平安置在支架上进行静平衡检测.但因这种方法心轴过重、轴线弯曲、支撑轴承的摩擦、转动惯量等会严重影响测量精度，且螺旋桨的安装、拆卸不便，难以适应螺旋桨大型化的要求，而全液压静平衡仪则是未来船舶螺旋桨静平衡检测的主要工具和手段. 当螺旋桨的支撑装置采用了新型全液压高精度静平衡仪后，螺旋桨立式安装、悬浮系统采用球面静压支承、液压驱动，可大大提高测量精度.在工程上，不平衡质量的检测常采用配重法，结果比较模糊，本研究针一对螺旋桨制造精度的需要，研制了一种新颖的基于传感器技术的计算机检测系统，将电子称重应用到螺旋桨的静平衡检测，通过传感器及计算机检测直接给出各个叶片的不平衡质量.克服了传统检测方案的弊端，极大提升了螺旋桨静平衡检测的精确化. 检测的理论基础 静平衡原理船舶动力装置和辅助机械 图1给出了螺旋桨静平衡检测系统的原理图. 在工作过程中，螺旋桨由静平衡仪、定心锥自动对中，以极高的同心度套在静平衡仪的悬浮筒上，并通过锁紧装置与悬浮筒锁紧，悬浮筒和螺旋桨整体在油压的作用下悬浮起来，形成几乎无摩擦的摆动副，螺旋桨的静不平衡质量和方位可通过悬浮筒的摆动倾斜程度和方位反映出来(2-4] 为了获得更准确的检测结果，采用了基于力传感器的计算机检测系统，在螺旋桨的每个叶梢上安装了力传感器和配重，力传感器两端分别通过弹簧与配重和螺旋桨的叶梢相连，以实现连续加载和调节加在叶梢上的外加平衡质量.通过调整加在叶梢的平衡质量使得螺旋桨的基准面达到水平，当水平仪显示螺旋桨的基准面处于水平状态时，传感器的读数则为平衡各叶片在叶梢处不平衡质量的外加作用力. 水天尽，静平衡仪定心锥螺旋桨力传感器配重 } 图1螺旋桨静平衡检测系统原理图 1.2静不平衡质量的差值算法 螺旋桨的叶片均为周向等角度分布，工程上用的最多的是三叶、四叶、五叶桨.图2给出了五叶桨的受力模型简图，以其为例推导差值测量算法过程. F, FS为传感器配重系统为平衡叶梢的不平衡质量所加的外力，将静压轴承的承载中心作为空间力系的中心，则螺旋桨的重量和传感器、配重系统的重量由平衡仪的悬浮系统平衡掉，螺旋桨各个叶片质量不均产生的力矩则由传感器、配重系统来平衡，即传感器、配重产生的力矩与各个叶片质量不均产生的力矩是作用与反作用关系.所以有: Mx二Y- F,凡、= Mx'(1) MY二叉F Rxr二Mv' (2) 城=工FR}‘二城‘(3) 式中，Mx为传感器、配重产生的对X轴的力矩; My为传感器、配重产生的对Y轴的力矩;MZ为传感器、配重产生的对Z轴的力矩;R为传感器、配重系统的作用力F的作用点与球心O的距离;Rxi 为F的作用点在X轴上的投影;凡‘为F的作用点在Y轴上的投影;Rzr为F的作用点在Z轴上的投影;M"x为叶片的不平衡质量对X轴的力矩;M'Y为一叶片的不平衡质量对Y轴的力矩;M}*为叶片的不平衡质量对Z轴的力矩. 1)对X轴的力矩平衡关系:螺旋桨在FI -FS 的作用下处于水平状态，设F,最大，则F，所对应的叶片的附加质量最小，以其为基准，该叶片不予打磨，其余各叶片的打磨量为:桨叶2打磨量为 F i-F2，桨叶3打磨量为FI-Fs，桨叶4打磨量为Fi-F4, 叶5打磨量为F,一对五叶桨有a,=a4=720, aZ=a3=360.根据图2，打磨前力传感器、配重产生的绕X轴的力矩为: Mx二F,R+凡R. cosa,一凡R. cosa2- 凡R. cosa3+凡R. cosa;二FIR+ 凡R - cos 72“一凡R.cos36。一凡R-cos360+凡R - cos 720 (4) 根据采用的差值磨削方法，各桨叶打磨掉的部分对X轴产生的力矩为: 城二一(F,一FZ)R.cosa,+(F一F3)R. (5) cos a2+(F一凡)R-cosa3一(F,一凡)R.cosa4 代入角度值有: =FIR+凡R.cos72。

一 ·cos 360+凡R- cos 72': 凡*·cos36‘一(6) :Mx 2)对Y轴的力矩平衡关系:螺旋桨在FI-Fs 的作用下处于水平状态，此时F,通过Y轴，根据图惑器、配重产生的绕Y轴的力矩为 sin a,+凡R- sina:一凡R. sin a3- 打磨前力传感器、配重产生的绕 F2 R 图2五叶桨的测量算法简图 ·sin a4=凡R - sin 720+凡R - sin 36。一(7) ·sin 36。一凡R - sin 720 M凡凡一42一王存堂等，船用螺旋桨静平衡计算机检测原理与实验研究 根据采用的差值磨削方法，各桨叶打磨掉的部分对Y轴产生的力矩为: M.,=一(F,一FZ)R- sin a!一(F一F3)R- sin a2+ (F,一FQ)R- sin a,+(F,一FS)R. sin a, (8) 代入角度值有: M..=-F,R. (sin 720+sin 36。一sin 36。一sin 720) + 2.2检测系统软件 检测系统的软件由数据采集、处理单元、数据库管理单元和数据显示单元四部分组成(图4). ·sin 720+只R - sin 36。一凡R - sin 360- ·sin 72=M} 图4软件系统结构图 RR 凡凡 (9) 3)对Z轴的力矩平衡关系:由于F, -Fs与Z 轴平行，则各力对于Z轴的力矩为零，即 Mz=Mz=0. 可见，通过差值磨削方法，打磨后绕X轴、Y 轴和Z轴的力矩均处于平衡状态.传感器的读数也将趋于一致，各叶片相对于基准叶片的偏差也将趋于零，传感器读数差值也反映了不平衡重量. 同理，可以证明差值算法测不平衡质量的方法也适用于三叶桨四廿十桨的静平衡为对角平衡，当两相对角桨叶重量一致时，螺旋桨处于水平状态.因此，计算四叶桨打磨量时，应将两组对角桨叶分别应用差值算法进行求解. 2检测系统结构 2.1检测系统硬件 检测系统是集数据采集、数据处理、测试算法、通讯于一体的小型智能检测系统，其硬件结构如图 3所示.测量元件、采集模块等硬件选型考虑了元件的可靠性、精度、系统的可扩展性以及与计算机的兼容性. 系统主控软件采用Visual Basic6.0作为软件开发工具.设计人机交互检测系统主界面能提供用户参数设置和用户命令输入. 数据采集和处理是后台处理单元，根据采集模块的通信协议，采用VB6.0提供的MSm通讯控件，可以方便地编制面向对象的进行串口传输的应用程序 各个传感器的测量数据通过采集模块读入相应的通道，计算机软件通过实时地发送命令帧将这部分数据从采集模块中读出，在上位机中进行处理后显示.由于工业现场的多干扰源决定了现场数据的不稳定性，本研究采用去大去小平均滤波的方法. 系统最后还需要把螺旋桨的相关信息和检测结果以报表的形式进行存储、打印.在Visual Basic中制作报表，由于Excel具有自己的对象库，在Visual Basic工程中可以加以引用，通过对Excel使用OLE 自动化，可创建一些外观整洁的报表，然后打印输出. 这样就实现了Visual Basi。应用程序对Excel的控制，实现了对检测数据的存储、打印[5-7l 图3硬件系统结构图 系统采用的传感器为拉压力传感器，测量范围为士5kg，输出信号为4mA-20nA电流信号，在测试过程中，拉压力传感器主要是测量当螺旋桨基准面达到水平时附加在各桨叶叶梢处的平衡质量. 采集模块采用KLM-4118模拟量采集模块，16 位有效分辨率，可对8路4mA-20 mA电流信号同时采样，通讯选RS-232接口. 3现场实验结果及分析 实验选在某螺旋桨制造厂，螺旋桨选为五叶浆，直径为5m，重量为50t，实验现场如图5所示. 按照图1的测量原理，搭建了实验装置.在测控软件中输入螺旋桨的叶片数为5，自动采集周期为 1 MOMS，最大允许偏重为2500g，打开通信串口，进行数据采集，待初始数据采集完成后，对系统进行清零处理，消除系统本身不平衡质量对检测结果的影响，调节各传感器下端弹簧，直至螺旋桨基准面在各传感器作用下处于水平状态，采集此时各传感器读数并进行数据处理，系统便能自动生成螺旋桨的具体偏重方位及各桨叶所需的打磨量，实验初次测试的结果如图6所示. (下转第52页) 一43一船舶电气设备、观通设备和自动控制技术界面采用LCD和薄膜按键组成，控制逻辑采用微处理器完成，船舶信号灯与控制器的连接采用现场总线(双CAN总线)技术.下一步工作将对船舶信号灯控制器在船上工作环境下长期工作的稳定性进行测试并通过中国船级社相关的船舶仪器的认证.

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