【国家标准】 船舶与海上技术 通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率 第3部分：弹性振动法

ICS47.020.20
CCSU40
中华人民共和国国家标准
GB/T41894.3—2022/IS020083-3:2019船舶与海上技术
通过测量轴变形量
确定船舶推进系统轴功率
第3部分：弹性振动法
Ships and marine technology-Determination of the shaft power of shippropulsion systems bymeasuringthe shaftdistorsion-Part3:Elasticvibrationmethod（ISO20083-3:2019IDT)
2022-10-12发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2022-10-12实施
GB/T41894.3—2022/ISO20083-3:2019本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则」第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件是GB/T41894《船舶与海上技术分。GB/T41894已经发布了以下部分：—第2部分：光学反射法；
第3部分：弹性振动法。
通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率》的第3部本文件等同采用ISO20083-3：2019《船舶与海上技术通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率第3部分：弹性振动法》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任，本文件由全国船用机械标准化技术委员会（SAC/TC137)提出并归口。本文件起草单位：中国船舶工业综合技术经济研究院、中国船舶集团有限公司。本文件主要起草人：祁超、纪兴、陈慧玲、老轶佳、王卉隽、王琮、赵晨宁、马强、张悦、杨倩倩、杨莲、季静。
GB/T41894.3—2022/IS020083-3:2019引言
选择船舶主机的最佳功率对船东来说非常重要，因为它极大地影响着船舶的运营、维护和管理费用。
测量船舶主机的输出功率对于确保船舶的效率非常重要。测量主机输出功率的方法包括：测量传动轴的变形；
测定油耗；
c）观测主机指标，如气缸压力等。在这些方法中，通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率是常用的测量方法。采用该方法测量轴功率旨在：
a）提供船舶主机输出功率的测量数据；提供船舶最佳航速的相关信息；b）
选择最优的主机运行特性；
预计维修和保养费用；
监测大型螺旋桨的运行。
通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率》拟由以下部分组成。GB/T41894《船与海上技术
一—第1部分：总则。目的在于确立通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率的总体原则。一第2部分：光学反射法。目的在于规定采用光学反射法测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率的程序。
一一第3部分：弹性振动法。目的在于规定采用弹性振动法测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率的程序。
1范围
GB/T41894.3—2022/IS020083-3:2019船舶与海上技术通过测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率
第3部分：弹性振动法
本文件确立了用弹性振动装置测量轴变形量确定船舶推进系统轴功率的程序。本文件给出了测量原理、装置组成和计算方法。本文件还描述了测量精度的决定因素，并指定了设备船载文档。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
轴shaft
将发动机动力传递给螺旋浆，并安装有轴功率计测量元件的螺旋浆轴或中间轴。3.2
轴扭矩
shafttorque
由发动机产生的传递给轴用于驱动螺旋浆旋转的转动力矩。注：用牛米(N·m)表示。
轴功率shaftpower
由发动机产生的传递给轴用于驱动螺旋浆旋转的功率。注：用千瓦(kW)表示。
传感器
sensor
带有固有频率因材料长度的改变而改变的弹性振动材料的仪器。4测量原理
轴功率计是测量由轴扭矩引起的轴转速和轴扭转变形的仪器。轴功率(P)按公式(1)计算。P,=
式中：
N——轴转速，单位为转每分(r/min)；2元NQ
（1）
GB/T41894.3—2022/ISO20083-3:2019Q
一轴扭矩，单位为牛米(N·m）)。轴扭矩（Q)由单位长度轴的扭转变形角速度计算，按公式(2)计算。GIpe'
式中：
G——模量，单位为牛每平方毫米（N/mm2）；Ip
一极转动惯量，单位为四立方毫米（mm）；一单位长度轴扭转角变化率，单位为每毫米（1/mm）。极转动惯量(Ip)按公式(3)计算。Ip
式中：
D。——轴外径，单位为毫米(mm)；D；一一空心轴内径，单位为毫米（mm）。(D-Dt)
单位长度轴扭转角变化率9按公式(4)计算。式中：
轴的扭转角，如图1所示，单位为弧度(rad)；安装环间距，单位为毫米（mm）。扭转角(0)可由扭力仪测得的测点位移计算，如式(5)所示。8
式中：
测点位移，单位为毫米（mm）；-检测点到轴中心线的距离，单位为毫米(mm）)。标引序号和标引符号说明：
轴中心线；
-轴扭转角，单位为弧度(rad)；安装环间距，单位为毫米（mm)；8
测点位移，单位为毫米(mm)；
-测点距轴中心线距离，单位为毫米(mm）。图1轴的扭转角
弹性振动装置利用传感器测量到的固有频率来计算检测点位移（8）。根据公式(6)计算传感器的固有频率与拉力之间的关系。2
·（2）
·（3）
·（4）
（5）
式中：
f——固有频率，单位为赫兹(Hz)；T
传感器的拉力，单位为牛（N)；T
传感器密度，单位为千克每米(kg/m)；传感器长度，单位为米（m）。
GB/T41894.3—2022/IS020083-3:2019（6）
由公式（6)可知，拉力（T)与传感器的固有频率的平方（f2）成正比。同时，拉力（T)也与传感器的位移（8)成正比，因为增加的拉力超出了材料的比例极限。因此，传感器的位移(8)与固有频率的平方（f2)成正比。利用公式（7)给出了传感器的固有频率与位移（8)之间的关系。8=C×Af2
式中：
C—一比例常数，定义为灵敏度常数。灵敏度常数由专用校准设备确定。2是位移为(8)时的固有频率的平方与初始条件下的固有频率的平方之差。·（7)
由于使用了两个传感器，如图2所示，公式（7)的计算实际使用的是两个传感器△f2的平均值。两个传感器安装在轴环之间，当扭矩传递到轴时，轴环的固有频率增加和减少、温度变化、离心力和轴弯曲对两个传感器有相同的影响。通过使用两个传感器，能够抵消这种影响。5设备组成
5.1总则
弹性振动装置主要由轴环、两个扭矩传感器、一个发射/接收组件和包括电源系统在内的其他外围设备组成，如图2所示。
标引序号说明：
1——轴环；
2-传感器；
3—发射/接收组件；
-外围设备(包括电源系统）。
图2弹性振动装置的组成免费标准bzxz.net
GB/T41894.3—2022/ISO20083-3:20195.2轴环
轴环由两套开口环组成。轴环分别夹在轴上指定距离处。安装传感器的装配块附在每个轴环上。5.3传感器
如图2所示，弹性振动装置使用了两个传感器。每个传感器都有两个磁圈，磁圈靠近弹性振动材料。其中一个线圈起激励作用，另一个线圈起感应作用。磁线圈使弹性振动材料以固有频率振动。5.4传输/接收组件
安装在轴环上的部件应具备下列功能：a）应接收电力；
b）应向轴向供电系统的接收天线发射传感器信号。5.5外围设备
外围设备应具备下列功能：
应向轴环内的接收单元供电；
b）应充当接收传感器信号的天线；c）应将传感器的频率和轴的转速传递给数据处理单元。电源系统应安装在面对轴的专用支架上。电源供应和信号接收应在不与轴接触的情况下进行。6轴功率计算
6.1轴扭矩
轴扭矩(Q)由测点位移和轴圈间距按公式(8)计算。Q=
式中：
元（D-D)G
模量，单位为牛每平方毫米（N/mm）；G
D。——轴外径,单位为毫米(mm);D；—空心轴内径,单位为毫米(mm)；检测点到轴中心线的距离，单位为毫米（mm）；1
轴圈间距，单位为毫米（mm)；
测点位移，单位为毫米（mm）。位移(8)由公式(9)计算。
式中：
8=Ci(fi-2i)+C,(23 - f3)
f——传感器1频率，单位为赫兹(Hz)；传感器2频率，单位为赫兹（Hz)；f2
传感器1在初始条件下的频率，单位为赫兹（Hz)；传感器2在初始条件下的频率，单位为赫兹（Hz)；传感器1的灵敏度常数，单位为毫米每平方赫兹（mm/Hz）；.（8）
（9）
GB/T41894.3-2022/IS020083-3：2019C2一传感器2的灵敏度常数，单位为毫米每平方赫兹（mm/Hz2）。6.2轴功率
轴功率(P,)按公式(10)计算。
式中：
N—轴转速，单位为转每分（r/min）)。7测量精度的决定因素
7.1总则
2元NQ
.（10）
轴功率测量的精度取决于轴扭转各检测部件（包括传感器）的精度和轴的G模量的可靠性。传感器的灵敏度（见7.2)和零位调整（见7.4)是轴功率测量的关键因素，影响测量精度。7.2传感器的灵敏度
灵敏度常数应由传感器的位移以及拉力状态和初始状态固有频率的平方差确定。即使使用相同的材料，每个传感器的灵敏度常数也略有不同。因此，每个传感器都应给定其固有的灵敏度常数。传感器所用材料宜保证长期稳定的灵敏度。灵敏度应由专用校准仪器定期进行重新校准。7.3G模量
如果没有基于实际轴扭转测试的证书，则应取G模量为82400N/mm2使用。注：82400N/mm2的G模量由ISO15016：2015给出。7.4零位调整
7.4.1零位
当轴上没有加载时，两个传感器频率的平均值是一个零位。零位只应在发动机停止时确定，运行过程中零位的任何变化都会直接引起误差。7.4.2零位调整程序
将轴顺时针和逆时针各旋转一圈，抵消轴的残余应力和残余弯曲，并将此时每个传感器的平均频率设定为零位。零位调整在港内无潮流的静水状态下且推进系统处于热态时进行。零位调整宜每2个月或3个月定期进行一次。
8设备船载文档
设备船载文档应包含以下两种文件：a）制造商说明或操作手册；
b）用于确定传感器灵敏度常数的计算表。5
GB/T41894.3—2022/IS020083-32019参考文献
[1J ISO 15016 Ships and marine technology-Guidelines for the assessment of speed and powerperformancebyanalysis of speedtrial data6