船用螺旋桨静平衡在线检测系统分析.pdf

江苏大学硕士学位论文摘 要随着海运物流行业和船舶制造行业的高速发展，这对船用螺旋桨的市场需求不断提高。但在船舶螺旋桨使用时，如果船舶螺旋桨叶片质量不平衡，将会导致传动轴磨损加剧，降低传动效率，产生巨大的噪音，严重影响船舶推进装置的性能。因此开发高精度螺旋桨静平衡检测系统具有重要的：【程意义。本论文主要结合与企业的合作项目：螺旋桨液压静平衡仪开发，对船舶螺旋桨静平衡检测装置做了进一步的研究。本文主要研究内容如下：(1)根据目前静平衡检测技术发展趋势，提出一种基于电子技术的螺旋桨静平衡检测系统。根据天平称重的模型，阐述静平衡检测系统的力矩平衡原理；并对静平衡检测系统进行设计。(2)在三维坐标系中，建立三叶螺旋桨和四叶螺旋桨在静止悬浮时的力学模型，在力学模型基础上推导计算静不平衡质量的数学模型。以同～坐标平面力矩平衡公式为依据，应用矢量投影建立数学方程。(3)考虑静平衡检测装置要求的硬件性能，从平衡仪的硬件结构入手，对静平衡仪结构的进行改迸；根据检测系统的工况完成液压系统调试：确定数据采集系统方案，完成测量装置的设计工作：针对实际采集工作中遇到的信号失真问题，引入对对检测系统硬件的抗干扰设计。(4)选择软件开发工具，根据应用软件开发原则，完成软件框架设计，绘制软件操作流程图；完成用户软件中参数设置模块、串口通信模块、平衡检测模块和数据保存模块的开发，并生成可执行程序。(5)在以上理论和实践工作的基础之上，搭建螺旋奖静平衡检测试验台，完成检测系统的重复性实验和现场检测实验，对实验结果进行分析，并从整个系统分析实验的误差形成因素，并采取相应的补偿措施。关键词：静平衡：螺旋桨；静压支承；传感器船用螺旋桨静平衡检测系统研究ABSTRACTAlong with the rapid development of maritime logistics industry，SO the demandfor Giant ships increases in the market．But when ship propellers is working，theunbalance of the blades will cause the shaft attrite severely，lower the efficiency ofpowcr transmission and make a loud noise，it s seriousl，y afti：ct the perlbrmance of themarine propulsion device．Therefore，it has great engineering significance to developa high-precision static balance detection system for propeller．The thesis combined with the business cooperation project，and this article makesa further research on the static balance detection device for the ship propeller．Themain contents of this paper are as follows：Firstly，according to the trend of the technology for static balance detection，anow detection system was proposed，which is based on electronic technology．Also amodel of weighing scale was referenced for elaborating Torque balance principle inthe static balance detection system．And the bracket of force sensor was designed，which is a very important part in the static balance detection system．Secondlv．in the three．dimensional coordinate system．the mechanical model ofthe three—bladed propeller and four-blade propeller were established，when the systemstill suspended．Then，mathematical algorithms for calculating the static unbalancequality were driven．Thirdly,beginning from the hardware structure，it improved the hardwarestructure．According to the system condition，the hydraulic system was debugged．Determ ine the data acquisition system，completing the design of the measuringapparatus and selecting the force sensor and data acquisition module model。Fourthly，it was selected a programming language．Based on the principles ofappl ication software development，it was completed software framework design andoperational flow chart．The modules such aS parameter setting，serial communication，the balanced detection，save the data were completed in the user software，and ancutable program was generated．1II船用螺旋桨静平衡检测系统矽f究Finally,basis OIl the theoretical and practical work，the static balance testingsystem built,and completed the experiments for detection system repeatability，experimental results were analyzed． the perspective of the whole system，analyzed the experimental error,and took appropriate compensatory measures．Key words：Static balance；Propeller；Hydraulic bearing；Sens、r江苏大学硕士学位论文目 录第一章绪论………………………………………………………………………．11．1课题的研究背景………………………………………………………………．11．1．1转子平衡问题…………………………………………………………．11．1．2转子平衡校正的要求…………………………………………………．2l 2课题的研究意义………………………………………………………………．61．3课题的研究内容………………………………………………………………．6第二章螺旋桨静平衡在线检测系统原理和研究…………………………………．92．1静平衡检测原理………………………………………………………………．92．2传感器系统设计………………………………………………………………“2．3静平衡的力学分析……………………………………………………………122．4系统力矩平衡算法…………………………………………………………一162．5本章总结………………………………………………………………………22第三章在线检测系统硬件设计……………………………………………………。233．1系统硬件设计方案……………………………………………………………233．2在线检测系统机械单元………………………………………………………253．3在线检测系统液压单元………………………………………………………263．4在线检测单元…………………………………………………………………273．4．1力传感器选型…………………………………………………………273．4．2数据采集模块设置……………………………………………………283．5硬件抗干扰设计………………………………………………………………3l3．6本章总结………………………………………………………………………32第四章在线检测系统软件设计……………………………………………………334．1应用软件开发原则……………………………………………………………334．2软件总体结构…………………………………………………………………334．2．1软件结构设计…………………………………………………………334．2．2软件流程结构…………………………………………………………344．3软件开发工具…………………………………………………………………354．4软件的模块开发………………………………………………………………36V船用螺旋桨静平衡检测系统研究4．4．1软件界面开发…………………………………………………………364．4．2参数设置模块…………………………………………………………374．4．3串行通信概述…………………………………………………………384．4．4软件通信功能…………………………………………………………394．4．5平衡检测模块…………………………………………………………414．4．6通信测试工具…………………………………………………………434．4．7数据，呆存模块…………………………………………………………464．5本章总结………………………………………………………………………49第五章偏重检测实验与分析…………………………………………………………5l5．1系统实验………………………………………………………………………5l5．1．1实验方案设计…………………………………………………………525．12检测系统重复性实验…………………………………………………535．1．3现场检测试验…………………………………………………………555．2误差分析与补偿………………………………………………………………575．2．1静平衡仪自身产生的误差……………………………………………575．2．2配重盘定心产生的误差………………………………………………585．2．3传感器支架部分引起的误差…………………………………………585．2．4数据转换引起的误差…………………………………………………585．3本章总结………………………………………………………………………59第六章总结和展望……………………………………………………………………。6l6．1工作总结………………………………………………………………………616．2课题展望………………………………………………………………………62参考文献………………………………………………………………………………．63攻读硕士期间成果与论文……………………………………………………………．66i_l：苏大学硕士学位论文1．1课题的研究背景第一章绪论由于船舶螺旋桨桨叶质量的不平衡，螺旋桨在高速运转的情况下，将会导致轴系和轴承严重磨损、引起船体振动、传动装置产生巨大噪音、降低转动动力和推进力的传递效率I．j。造成桨叶的静彳i平衡的主要原因是在制造过程当中，螺旋桨的每个桨叶几何形状差异，叶片加工差异、螺距不符合图纸要求等，使得螺旋桨的重心偏离了转动轴上，运转时产生惯性力造成静不平衡。所以，一般要在螺旋桨出厂前对桨进行静平衡校正。以上分析说明，螺旋桨的静平衡试验是在螺旋桨生产和制造过程中一道必不可少的环节，由此来确定各桨叶的不平衡质量，再经过磨削、挖补，实现在允许范围内对不平衡质量的控制，保证桨叶达到工程应用要求的关键技术12J。当前，适用于小型船用螺旋桨的静平衡检测技术主要是平衡挂重法，此检测方法难以满足巨型螺旋桨静平衡检测技术要求[31。1．1．1转子平衡问题通常把处于旋转运动的零部什称为网转体，如传动系统中的传动轴、主轴、螺旋桨、水泵叶轮等。最理想的情况下，回转体运转时作用在轴承上的压力是一样的；即称为平衡的回转体。在实际条件当中，山于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，造成了回转体的不平衡，即使静态平衡了，回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，从而产生了不平衡的离心力，就造成了动态的不平衡【4】o当物体的质量与儿何中心线不重合时(质心不在旋转轴上)，导致的一种故障状态称为不平衡状态，主要的后果极大的增加了附加载荷，是零部件和设备受损最常见的原因之一。其中动不平衡产生离心惯性力通过轴承作用在零部件上，会产生了巨大噪音，引起剧烈振动，加速轴承磨损，缩短了设备寿命，严重时易造成机械事故。有数据统计，一半的机械振动是不平衡力产牛的15J。因此，对转船用螺旋桨静平衡检测系统研究子进行平衡检测，改变旋转机械运动部分的质量，控制不平衡力的大小，使其达到工程应用的允许平衡精度等级，有突出的实际．T程意义【6】。1．1．2转子平衡校正的要求只在转子的一个校正面上校正平衡，以保证转jr在静态时的不平衡量是在许用范围内，称为转子静1i衡校正；在转孑两个及以，i二校正而j二校正jF衡，以保证转了转动时的不平衡量在许用范围内，称为转了动三F衡校正。通常以工件直径D与两个校正商距离b的比值为基准，当D／bZ5日』‘，要求试件J{需做静平衡校正，反之，需做动平衡，有时需要参考转子的转速。实际应用中，螺旋桨只需要进行静平衡校正，电机转子则需要动平衡校止17J。平衡机是专门检测转子不平衡的设备，根据设备测量结果再对转子进行加工校正，达到改善转子的质量分布的目的，使转子高速转动时引起的轴颈振动、噪声、轴承的不均匀载荷减小到标定的范围内。平衡机划分如图1．1所示瞵j。图1．1平衡机的分类Fi91．1 The classification ofbalancing machine平衡机发展历史悠久，1870年，加拿大人Henry Martinson首次申请了甲衡技术的专利，为平衡校正j缸业奠定了基础。平衡机发展过程中，几乎所有的平衡校正T序都是采用纯机械的平衡设备上完成的。在这种方式下测量的转j，平衡，测量误差比较较大，实际操作也不安全【91。随着工业发展的要求，平衡自动化技术逐步应用于工业现场，半自动平衡机和动平衡自动线相继被应用于实际。我国正逐步加紧平衡机技术的研究，已完成的曲轴伞自动平衡机研制和试机，迈出了我国动平衡自动化技术研究的重要步江苏大学硕士学位论文伐。目前，平衡试验机结合电子技术是动平衡技术的发展趋势之一，本课也正在进行相关的探索和研究。螺旋桨的静平衡机主要分为立式静平衡机和卧式静平衡机【10】。国内所采用的多为中心轴滚动法，也叫卧式静平衡检测。其优点在于，针对重量轻、精度要求一般的r卜小型螺旋桨比较适用，其方法要求的工装精度及结构容易实现，而且转动惯量小、周期短…I。其缺点在二：卜，中心轴的两端支承处有较大的摩擦力，转动时容易产生较人的摩擦力矩，直接影响静半衡测量精度，且操作并4i方便，}艮难满足大型螺旋桨静平衡检测要求。如图1．2所示为卧式静平衡机。l一支撑方铁；2一轴承支座；3一中心轴；4一滚动轴承：5一锁紧块；6一被测螺旋桨；7一锁紧块；8一垫片；9一螺母；10一滚动轴承；ll一滚动轴承；12一支撑方铁。图1．2卧式螺旋桨静平衡检测装置卧式静平衡检测流程：准备阶段，中心轴与地面垂直，将螺旋桨套在中心轴一l：，完成对螺旋桨的对中和锁紧，使其形成一。个整体。最后将整体放置在特制滚动轴承上，保持中心轴和地面甲行，完成了试验准备。进行螺旋桨静平衡检测时，船用螺旋桨静平衡检测系统研究旋转螺旋桨，待静止状态时，其偏重的桨叶会静止于中心轴下方并与中心轴垂直，针对最重的桨叶进行加工磨削，多次重复进行检测，通过物理磨削实现减小不平衡质量的目标。拆卸流程与准备阶段流程相反。静平衡检测前，应当进行随遇平衡的检验，再按依据公式(1．1)计算G值完成挂重试验【8】：G=C』； (1—1)R，72式中：G一计算挂重，№m为桨的质量， (Kg)R为桨的半径， (埘)以为转速，(％in)C为常数当门≥180r／min时，C=K当胛≤180r／min时， c=K(孟)2系数K见表1．1表1．】级别系数Tablel一1 Level coefficient ofthe propellers当桨的直径D=1．5肌时，应根据公式(1．2)来计算G值。G=0．025D2士0．02式中：G为计算挂重(Kg)D为桨的直径(m)检验静平衡使用的中心轴摩擦力矩应不超过公式(1．3)的M值M：里R(1-2)(1-3)