论文部分内容阅读
摘要： 本文基于顶升法测量轴承负荷，深入研究了顶升法原理、测量过程、轴承负荷计算、轴承负荷调整和测量误差分析。详细阐述了测量步骤及注意事项，总结了计算方法及过程，分析了引起测量误差的三方面因素，为测量新工艺开发和测量精度提升提供了参考。
Abstract： This article is based on the jacking method to measure the bearing load， and in-depth study working principle， measuring process， load calculation， load adjustment and measuring error analysis of the jacking method. It described the measuring steps and precautions in detail， summarized the calculation method and process， and analyzed the three factors that cause measuring errors， which provide a reference for the development of new measuring technology and the improvement of measuring accuracy.
关键词： 轴承负荷;顶升法;负荷计算;误差分析
Key words： bearing load;jacking method;load calculation;error analysis
中图分类号：U664.33 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0086-02
0 引言
船舶轴承负荷测量是轴系安装和检验过程中的重要环节，需要测量轴承所承受的实际负荷是否在理论计算允许的范围之内。目前国内外普遍采用的轴承负荷测量方法有顶升法和电阻应变片法，其中电阻应变片法技术比较复杂，对测试人员技能要求较高，测量成本大且贴片性能对测量结果影响很大;顶升法所需设备简单，测量原理及过程简单易学，操作方便灵活，存在测量准备及操作过程较长等缺点。专家学者对以上两种测量方法都有较多研究，张利军利用实船，在相同条件下比较分析了两种测量方法的准确度，结果证明顶举法测量轴承负荷与电阻应变片法结果近似，能够满足国內轴承负荷测量的精度要求[1]，因此实际轴系装调过程中普遍使用顶升法。
本文基于顶升法测量轴承负荷主要介绍工作原理、测量过程、计算方法及过程、调整过程和测量误差分析。
1 工作原理
顶升法设备简单、操作方便，在传统方法的基础上可以利用传感器技术来提高测量精度。工作原理如图1所示，当使用传统顶升法测量轴承负荷时，就是在轴承邻近的位置下面安装一个液压千斤顶，用它将轴缓缓顶起，当轴与轴承完全脱空时，为了获得有效数据，脱空后仍然继续将轴再顶起一段高度（此高度必须小于轴承间隙，否则会损伤轴和轴承）[2]。顶起过程中，借助百分表和液压千斤顶分别测得相应的位移和油压值并做好记录。将所测数据输入专业软件，做出顶升曲线，根据趋势线求得平均油压，利用轴承负荷公式求得测量值。
2 测量过程
2.1 顶举前的准备工作
①场地、设备应整洁干净、视线良好、无安全隐患;
②设计制作千斤顶和百分表安装支座，千斤顶支座要求有足够硬度和强度;③在合适位置安装千斤顶和百分表支座，千斤顶支座安装位置应能使千斤顶顶头就近被测轴承安装，两支座平面要尽量水平;④百分表和千斤顶量程和精度要满足测量需要。
2.2 设备安装过程
千斤顶和百分表的安装是整个测量过程的重要环节，安装质量的好坏直接影响测量过程和计算结果，若安装质量太差将不能获取有效数据，必须重新安装。
①千斤顶安装前要确保液压油足够，安装油缸和顶头之间的管路要紧密并排空气，在千斤顶支座上放置液压千斤顶顶头，锁住油路并压动泵油手柄抬起顶头柱塞使柱塞圆面的中心和被测轴的最下位置相贴，在轴向上要使顶头柱塞尽量靠近被测轴承;②使用磁力百分表，将表杆和表座连接好并调整到合适的长度和角度，再将百分表装到表座孔中并夹紧，利用吊铅垂线的方法在轴径上表面画出横线，使横线过顶头柱塞表面中心与轴最低接触点的圆周对称点。将磁力表座在支座上缓慢滑动使百分表触头（百分表触头应有一定压缩量）沿着所划横线移动，滑动过程中表盘指针将随之转动当不再转动的瞬时立即停止滑动，吸上磁力表座，百分表即装好。
2.3 测量过程
①顶举前将百分表指针调零，千斤顶顶头柱塞面刚好与轴径相贴，不得使轴有丝毫抬起，千斤顶油压表读数应为0MPa。②抬压千斤顶手柄，使轴径慢慢升起，顶升过程中认真读取百分表刻度和对应的和油压值。通常当轴脱空后仍需继续顶起一段位移，但此位移必须小于轴承间隙。顶升法不能同时测量多道轴承负荷，只能按顺序依次分开测量。顶升过程中百分表表头应固定不能松动，若松动需重新安装。顶升过程中轴上不能放置其它重物或受其它约束。③小心谨慎扭动千斤顶泄油手阀，缓慢降低油压，降压过程中不断记录下降时的位移和油压，直到千斤顶完全失压，轴落到原位。整个测量过程，千斤顶操作要稳定连贯，避免忽快忽慢和间隔时间过长，千斤顶的按压要确保在有效区内能获得更多的数据。泄油手阀在油压高时很难控制，需快开快关，反复多次尝试泄压。 3 计算方法及过程
根据测量记录的数据，绘制顶升曲线图，找出上升下降有效区，选取有效点，得出有效点对应的函数，利用函数分别求出位移为零时的上行油压和下行油压，再求出油压平均值，油压平均值乘以油缸柱塞面积乘以重力加速度得出千斤顶负荷，由于顶升位置不同会有不同的顶升系数，最后用顶升系数乘以千斤顶负荷得出轴承负荷。
根据顶升过程中记录的位移量和顶升油压绘制顶升曲线如图2所示，横坐标为油压值（MPa），纵坐标为位移量（mm），由于滞后的影响造成下降曲线和上升曲线不重合，因此要求出平均油压，然后根据公式：
R=KS（Pu+Pd）/2（1）
式中R为轴承负荷，K为顶举系数，S为千斤顶油缸作用面积（mm2），Pu、Pd分别为上升和下降油压，单位为MPa。
4 调整过程
将测量计算后的实际负荷与轴系校中计算书中的轴承负荷进行比较，按照《钢制海船入级与建造规范》当轴承负荷与规定值的偏差≤20%时，为合格[3]，偏差可用下式计算：d=100%（RM-RT）/RT（2）
式中：d为偏差，RM为实测值，RT为目标值。
当计算出d超过±20%时就必须调整轴承，轴承位移调节量可用公式：
Δs=（RM-RT）/Aij（3）
式中Aij为负荷影响系数;Δs为轴承调节量，注意Δs为正轴承下落，Δs为负轴承上升;
利用扳手调节轴承座调位螺栓，使轴承座在竖直方向移位Δs，移位过程中尽量做到轴承座不左右移动或扭动，为了判断移位过程是否满足上述要求可以使用0.05mm 塞尺检查轴与轴承首、尾端左右两侧缝隙，要求四个位置塞尺的插入深度均应≥30mm;轴承座按要求调整相应高度后，再重复测量过程，计算调整后的轴承负荷，直到轴承负荷满足要求为止。
5 测量误差分析
5.1 千斤顶安装位置距离规定位置较远
千斤顶安装位置离被测轴承较远时，被顶起时由于轴会弯曲，千斤顶处与轴承处的上升量不同且千斤顶处轴径上升量大于轴承处轴径上升量，使得最终绘制的顶升曲线在实际顶升曲线上面，计算出的轴承负荷会过小。
5.2 百分表與轴径接触点和千斤顶与轴径接触点不在同一轴径截面内
按照轴系理论，当轴被顶起时会发生微微弯曲，每一轴径截面的位移都会不同。因此，要求在使用顶举法测量轴承负荷时应尽量保证百分表与轴径接触点和千斤顶与轴径接触点在同一轴径截面内。然而在实测时，大多都是通过人工目测的方式将两者对齐，使得千斤顶的轴线和百分表的轴线不在同一轴径截面内，此时百分表测量的位移比实际位移小，绘制出的顶升曲线在实际曲线下面，导致测量值大于实际值。
5.3 顶举系数使用错误
顶举系数是计算轴承负荷的重要参数，一般在轴系校中计算书中会明确给出某些固定截面处的顶举系数。但在实际测量中，有时测量人员发现在确定截面处很难安装千斤顶，所以会把安装位置选在偏离截面处，如果继续使用截面处的顶升系数则计算会有一定误差。因此为了实际工作需要，轴系校中计算书还应当给出顶升系数曲线图[4]。
6 结论
轴系安装与调整是船舶动力装置装调的一项重要且复杂的工作，装调质量直接影响船舶的安全稳定运营。本文对顶升法测量轴承负荷进行了深入研究，包括顶升法原理，测量过程、轴承负荷计算、轴承负荷调整和测量误差分析。详细阐述测量步骤及注意事项，总结了计算方法及过程，分析了引起测量误差的三方面因素，为新测量工艺开发和测量精度提升提供了理论参考。
参考文献：
[1]张利军.基于顶举法的船舶推进轴系负荷测试方法研究[J].机电设备，2014（1）：7-9.
[2]郑定育.船舶轴系顶举试验实践[J].中国水运，2011（4）： 95-96.
[3]宋中飞.大型船舶推进轴系负荷测试误差分析[D].大连理工大学，2019.
[4]张鹏飞，温小飞.船舶轴承负荷测量方法的误差分析及应对策略[J].机械工程师，2019（2）：94-96.
Abstract： This article is based on the jacking method to measure the bearing load， and in-depth study working principle， measuring process， load calculation， load adjustment and measuring error analysis of the jacking method. It described the measuring steps and precautions in detail， summarized the calculation method and process， and analyzed the three factors that cause measuring errors， which provide a reference for the development of new measuring technology and the improvement of measuring accuracy.
关键词： 轴承负荷;顶升法;负荷计算;误差分析
Key words： bearing load;jacking method;load calculation;error analysis
中图分类号：U664.33 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0086-02
0 引言
船舶轴承负荷测量是轴系安装和检验过程中的重要环节，需要测量轴承所承受的实际负荷是否在理论计算允许的范围之内。目前国内外普遍采用的轴承负荷测量方法有顶升法和电阻应变片法，其中电阻应变片法技术比较复杂，对测试人员技能要求较高，测量成本大且贴片性能对测量结果影响很大;顶升法所需设备简单，测量原理及过程简单易学，操作方便灵活，存在测量准备及操作过程较长等缺点。专家学者对以上两种测量方法都有较多研究，张利军利用实船，在相同条件下比较分析了两种测量方法的准确度，结果证明顶举法测量轴承负荷与电阻应变片法结果近似，能够满足国內轴承负荷测量的精度要求[1]，因此实际轴系装调过程中普遍使用顶升法。
本文基于顶升法测量轴承负荷主要介绍工作原理、测量过程、计算方法及过程、调整过程和测量误差分析。
1 工作原理
顶升法设备简单、操作方便，在传统方法的基础上可以利用传感器技术来提高测量精度。工作原理如图1所示，当使用传统顶升法测量轴承负荷时，就是在轴承邻近的位置下面安装一个液压千斤顶，用它将轴缓缓顶起，当轴与轴承完全脱空时，为了获得有效数据，脱空后仍然继续将轴再顶起一段高度（此高度必须小于轴承间隙，否则会损伤轴和轴承）[2]。顶起过程中，借助百分表和液压千斤顶分别测得相应的位移和油压值并做好记录。将所测数据输入专业软件，做出顶升曲线，根据趋势线求得平均油压，利用轴承负荷公式求得测量值。
2 测量过程
2.1 顶举前的准备工作
①场地、设备应整洁干净、视线良好、无安全隐患;
②设计制作千斤顶和百分表安装支座，千斤顶支座要求有足够硬度和强度;③在合适位置安装千斤顶和百分表支座，千斤顶支座安装位置应能使千斤顶顶头就近被测轴承安装，两支座平面要尽量水平;④百分表和千斤顶量程和精度要满足测量需要。
2.2 设备安装过程
千斤顶和百分表的安装是整个测量过程的重要环节，安装质量的好坏直接影响测量过程和计算结果，若安装质量太差将不能获取有效数据，必须重新安装。
①千斤顶安装前要确保液压油足够，安装油缸和顶头之间的管路要紧密并排空气，在千斤顶支座上放置液压千斤顶顶头，锁住油路并压动泵油手柄抬起顶头柱塞使柱塞圆面的中心和被测轴的最下位置相贴，在轴向上要使顶头柱塞尽量靠近被测轴承;②使用磁力百分表，将表杆和表座连接好并调整到合适的长度和角度，再将百分表装到表座孔中并夹紧，利用吊铅垂线的方法在轴径上表面画出横线，使横线过顶头柱塞表面中心与轴最低接触点的圆周对称点。将磁力表座在支座上缓慢滑动使百分表触头（百分表触头应有一定压缩量）沿着所划横线移动，滑动过程中表盘指针将随之转动当不再转动的瞬时立即停止滑动，吸上磁力表座，百分表即装好。
2.3 测量过程
①顶举前将百分表指针调零，千斤顶顶头柱塞面刚好与轴径相贴，不得使轴有丝毫抬起，千斤顶油压表读数应为0MPa。②抬压千斤顶手柄，使轴径慢慢升起，顶升过程中认真读取百分表刻度和对应的和油压值。通常当轴脱空后仍需继续顶起一段位移，但此位移必须小于轴承间隙。顶升法不能同时测量多道轴承负荷，只能按顺序依次分开测量。顶升过程中百分表表头应固定不能松动，若松动需重新安装。顶升过程中轴上不能放置其它重物或受其它约束。③小心谨慎扭动千斤顶泄油手阀，缓慢降低油压，降压过程中不断记录下降时的位移和油压，直到千斤顶完全失压，轴落到原位。整个测量过程，千斤顶操作要稳定连贯，避免忽快忽慢和间隔时间过长，千斤顶的按压要确保在有效区内能获得更多的数据。泄油手阀在油压高时很难控制，需快开快关，反复多次尝试泄压。 3 计算方法及过程
根据测量记录的数据，绘制顶升曲线图，找出上升下降有效区，选取有效点，得出有效点对应的函数，利用函数分别求出位移为零时的上行油压和下行油压，再求出油压平均值，油压平均值乘以油缸柱塞面积乘以重力加速度得出千斤顶负荷，由于顶升位置不同会有不同的顶升系数，最后用顶升系数乘以千斤顶负荷得出轴承负荷。
根据顶升过程中记录的位移量和顶升油压绘制顶升曲线如图2所示，横坐标为油压值（MPa），纵坐标为位移量（mm），由于滞后的影响造成下降曲线和上升曲线不重合，因此要求出平均油压，然后根据公式：
R=KS（Pu+Pd）/2（1）
式中R为轴承负荷，K为顶举系数，S为千斤顶油缸作用面积（mm2），Pu、Pd分别为上升和下降油压，单位为MPa。
4 调整过程
将测量计算后的实际负荷与轴系校中计算书中的轴承负荷进行比较，按照《钢制海船入级与建造规范》当轴承负荷与规定值的偏差≤20%时，为合格[3]，偏差可用下式计算：d=100%（RM-RT）/RT（2）
式中：d为偏差，RM为实测值，RT为目标值。
当计算出d超过±20%时就必须调整轴承，轴承位移调节量可用公式：
Δs=（RM-RT）/Aij（3）
式中Aij为负荷影响系数;Δs为轴承调节量，注意Δs为正轴承下落，Δs为负轴承上升;
利用扳手调节轴承座调位螺栓，使轴承座在竖直方向移位Δs，移位过程中尽量做到轴承座不左右移动或扭动，为了判断移位过程是否满足上述要求可以使用0.05mm 塞尺检查轴与轴承首、尾端左右两侧缝隙，要求四个位置塞尺的插入深度均应≥30mm;轴承座按要求调整相应高度后，再重复测量过程，计算调整后的轴承负荷，直到轴承负荷满足要求为止。
5 测量误差分析
5.1 千斤顶安装位置距离规定位置较远
千斤顶安装位置离被测轴承较远时，被顶起时由于轴会弯曲，千斤顶处与轴承处的上升量不同且千斤顶处轴径上升量大于轴承处轴径上升量，使得最终绘制的顶升曲线在实际顶升曲线上面，计算出的轴承负荷会过小。
5.2 百分表與轴径接触点和千斤顶与轴径接触点不在同一轴径截面内
按照轴系理论，当轴被顶起时会发生微微弯曲，每一轴径截面的位移都会不同。因此，要求在使用顶举法测量轴承负荷时应尽量保证百分表与轴径接触点和千斤顶与轴径接触点在同一轴径截面内。然而在实测时，大多都是通过人工目测的方式将两者对齐，使得千斤顶的轴线和百分表的轴线不在同一轴径截面内，此时百分表测量的位移比实际位移小，绘制出的顶升曲线在实际曲线下面，导致测量值大于实际值。
5.3 顶举系数使用错误
顶举系数是计算轴承负荷的重要参数，一般在轴系校中计算书中会明确给出某些固定截面处的顶举系数。但在实际测量中，有时测量人员发现在确定截面处很难安装千斤顶，所以会把安装位置选在偏离截面处，如果继续使用截面处的顶升系数则计算会有一定误差。因此为了实际工作需要，轴系校中计算书还应当给出顶升系数曲线图[4]。
6 结论
轴系安装与调整是船舶动力装置装调的一项重要且复杂的工作，装调质量直接影响船舶的安全稳定运营。本文对顶升法测量轴承负荷进行了深入研究，包括顶升法原理，测量过程、轴承负荷计算、轴承负荷调整和测量误差分析。详细阐述测量步骤及注意事项，总结了计算方法及过程，分析了引起测量误差的三方面因素，为新测量工艺开发和测量精度提升提供了理论参考。
参考文献：
[1]张利军.基于顶举法的船舶推进轴系负荷测试方法研究[J].机电设备，2014（1）：7-9.
[2]郑定育.船舶轴系顶举试验实践[J].中国水运，2011（4）： 95-96.
[3]宋中飞.大型船舶推进轴系负荷测试误差分析[D].大连理工大学，2019.
[4]张鹏飞，温小飞.船舶轴承负荷测量方法的误差分析及应对策略[J].机械工程师，2019（2）：94-96.