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移动式2T船用螺旋桨静平衡仪综述摘要:就螺旋桨不平衡过大带来的危害、传统的平衡轴挂重法的弊端,并由此介绍介绍一种采用球面静压液压支承的船用螺旋桨静平衡仪，给出了采用电子称重和角位移确定螺旋桨不平衡质量及方位的检测方法，提高了检测精度。关键词：螺旋桨；静平衡；平衡轴挂重法；静压支承ASurveyonStaticBalanceMachinewithHydrostaticBearingforMarinePropellerAbstract：Thispapertellstheharmfromunbalancedpropellerandmalpracticefromtraditionalweight-hangingonbalancingshaft.,andintroducestaticbalancemachineforlarge-scalemarinepropeller，whichincludeshydrostaticbearing．Finally,amethodtomeasuretheunbalancingmassanditspositionisdiscussed，inwhichelectronicweigherandangulardisplacementsensorareused．Keywords：Propeller;Staticbalance;Weight-hangingonbalancingshaft;hydrostaticbearing1引言新造螺旋桨由于铸造及加工误差方面的原因,如叶片的厚度、宽度、叶片间夹角、叶片后倾角的误差;修理的螺旋桨,由于出厂时遗留的上述误差,以及经过实际使用,使各桨叶倾角、螺距因时效作用发生变化,由于材料的化学性质、机械性能的不均匀性,结果使得各叶片化学腐蚀、空泡气蚀、磨损等呈现不均衡,桨叶损伤修补,割边后打磨处理不当,这些均会造成螺旋桨重心与桨毂中心轴线合。二者的偏心距e成为螺旋桨工作时产生振动的一个原因。螺旋桨运转时的性质动不平衡。但由于螺旋桨的转速不高,长径比不大,在实用中除非有特殊要求对其作动平衡试验外,一般只作静平衡检验,将实际存在的不平衡控制在允许的范围内。螺旋桨的静平衡检验有两种方法,一是平衡轴挂重法,二是球面液体静压轴承电子秤法。目前国内大多数船厂仍一直延用平衡轴挂重法,而后一种较先进的方法,由于技术、资金、习惯或是观念上的原因却鲜有采用。2不平衡质量产生的危害设直径D=2R(R为螺旋桨半径,单位m)的螺旋桨某叶片叶梢处存在不平衡质量Pa(单位kg),螺旋桨额定转速为n(单位r/min),那么当螺旋桨在额定转速下运转时,不平衡质量Pa产生的惯性离心力F为F=PaR(πn/30)2(1)力F的方向位于不平衡质量所在的旋转平面内,由桨中心指向不平衡质量的瞬时所在点(见图1)。图1不平衡质量的作用力力F在水平方向和铅垂方向的分力分别为Fx=Fcosθ=Fcosωt(2)Fy=Fsinθ=Fsinωt(3)式中:ω=πn/30,为螺旋桨转动角速度。由(2)、(3)式知,螺旋桨不平衡质量所产生的惯性离心力,通过桨毂传递到螺旋桨轴上,它在水平方向和铅垂方向的分量按正弦或余弦规律变化。其极值为F和-F,即波动范围为2F。现举例验算力F的量级。某轮螺旋桨,质量m=20t,半径R=3m,额定转速n=150r/min,螺旋桨级别为2级。在国际ISO标准中,叶梢处允许的最大不平衡质量[P]=11.85kg,按此值代入(1)式得F=11.85×3×(π×150/30)2=8763(N)则2F=1.75×104N可见即使螺旋桨的不平衡质量在允许的范围内,它所产生的惯性离心力也是一个不容忽视的量值。这种惯性离心力主要引起如下几方面的危害。(1)使艉轴承负荷产生脉动,如图2所示,破坏轴承液体润滑膜的形成,使轴承和艉轴颈磨损加快。图2艉轴承负荷的波动(2)引起轴系振动,使轴及轴承的受力趋于恶化。(3)由于润滑不良,使轴与轴承的摩擦增加,以及轴系的振动,使轴系的传动效率下降。(4)振动使艉轴密封装置易发生泄漏和损坏。如果螺旋桨实际存在的不平衡质量超出了某种程度,当它的作用与螺旋桨桨叶的水动力作用的不均衡和轴的弯曲、轴的固有振荡频率等因素发生叠加时,无疑会使上述危害加剧,因此,必须对螺旋桨的不平衡质量加以控制。3平衡轴挂重法的弊端如前所述,平衡轴挂重法测量螺旋桨静平衡是目前船厂最常用的方法,虽然这种装置较为直观、简单,但仍有必要对它本身和如何使用有全面的了解。平衡轴挂重法测量装置如图3所示。进行螺旋桨静平衡试验时,它们的组装程序为:借助吊车将心轴3左端向下垂直立于地面平台上→将锥形顶块5滑套到心轴3上→用吊车将螺旋桨锥孔大端向下套到心轴上→依次装上顶块7、垫片8、螺母9并用专用扳手旋紧→使用吊车将以上组合体吊至水平→装上左右端滚动轴承→将整个组装体平落至轴承支座上。从组装程序上,我们首先感到操作极为不便。螺旋桨都重达数吨，心轴约重1t,其余附件也需两人以上才能搬动,要进行组装,既笨重、费力、费时又存在不安全隐患。图3平衡轴挂重法平衡装置从装置上讲,每使用一次便要装拆一次,由于锥形顶块、锁紧螺母、滚动轴承与心轴的配合间隙很小,当配合面上有划痕、凸起、锈迹、污物时,便会造成装拆困难。从环境上看,使用场地多尘砂,存放通常无良好防护,因而机件易落上尘土和生锈。如此等等都使装置使用不便,测量精度难以保证。4螺旋桨静平衡仪工作原理下面介绍一种采用球面静压支承，电子测量确定偏心大小及方位，具有高测量精度的平衡检测仪。在进行螺旋桨静平衡检测的过程中,为了测得螺旋桨在由于质量分布不均发生的偏摆不平衡程度,必须选择球面静压支承。应用了球面静压支承的巨型螺旋桨静衡仪结构如图4示图4静平衡仪结构原理图它以立式结构代替传统的卧式结构;利用液压浮筒式心轴及液压自动锁紧装置对精确定位的转子系统的不平衡力矩进行测量。检测时,螺旋桨先落在支承缸上,经对中、锁紧后与悬浮筒锁紧为一体,液压系统供油,使螺旋桨和悬浮机构处于静压悬浮状态,由于螺旋桨静不平衡的作用,螺旋桨会向某一方向偏摆,摆动的方位角代表附加质量的方向,摆幅反映了静不平衡的程度,这两者都可通过计算机检测系统测出。5平衡仪静压支承特点平衡仪球面静压支承取代，大大降低了球面副的摩擦阻力，其结构如图5所示。由于巨型船用螺旋桨质量很大,重达数十吨,为了提高系统的安全性和降低对支撑立柱刚度的要求,球面静压支承不采用传统的刚性支承结构,而采用摆的形式,如图5示。将球头放置于支撑立柱的顶端,使球头在下,球窝在上,以降低支承系统支承点的高度;为提高承载能力，改善封油带油膜形成性能，球头顶部为平面,以流体动力系统为动力,低摩擦悬浮系统为工作机构,降支承面间的摩擦力,以提高静平衡检测的精度.图5静压支承结构图采用静压支承时，球面副凸面和凹面通过油膜隔离，不进行直接接触。平衡仪重新调平后，球头和球窝间相对速度为零，因此二者间摩擦系数近似为0，即球头基本不承受摩擦力作用。总结：平衡仪采用球面静压支承，摩擦力小，提高了检测精度，尤其适合于对大型螺旋桨不平衡的检测。采用四组均匀分布的称重传感器和角位移传感器配合，方便地计算出不平衡力矩及方位。利用友好人机界面确定偏心质量和位置，操作方便、直观。参考文献：[1]王存堂．液压静平衡仪的设计及测量误差分析.机械设计与制造工程.2002[2]阳恩会,王存堂.船用螺旋桨静平衡仪中球面静压支承静态性能分析.液压与气动.2005[3]张建国,王存堂.船用螺旋桨静平衡检测的对中性能分析.现代制造工程.2005[4]厉超.大型螺旋桨静压支承静平衡仪设计研究.淮安信息职业技术学院.2010[5]张兴奎,张风仪.对螺旋桨静平衡及静平衡试验的思考.青岛北海船厂.1998[6］丁振乾．流体静压支承设计［M］．上海：上海科学技术出版社.2001．[7]朱世强.用静压支承实现的大型转动构件偏心质量测量装置.中国机械工程.2000[8]李玲．液体球面静压轴承设计计算研究.武汉汽车工业大学学报.1998