【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2部分：光学反射法

ICS47.020.20
CCSU40
中华人民共和国国家标准國
GB/T41894.2—2022/IS020083-2:2019船舶与海上技术
通过测量轴变形量
确定船推进系统轴功率
第2部分：光学反射法
Ships and marine technology-Determination of the shaft power of shippropulsion systems by measuring the shaft distorsion-Part2:Opticalreflectionmethod(ISO20083-2:2019,IDT)
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
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则起草。
GB/T41894.2-2022/IS020083-2:2019第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件是GB/T41894《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》的第2部分。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本文件等同采用ISO20083-2：2019《船舶与海上技术率
第2部分：光学反射法》。
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、广东省智能机器人研究院。本文件主要起草人：祁超、王卉隽、赵晨宁、马强、王琮、老轶佳、陈慧玲、张悦、杨莲、杨倩倩、张国军、赵金、周晓晓。
GB/T41894.2—2022/IS020083-2:2019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：a）测量传动轴的变形；
测定油耗：
观测主机指标，如气缸压力等。c
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：
提供船舶主机输出功率的测量数据；a）
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《船舶与海上技术
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。目的在于确立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。
一第3部分：弹性振动法。目的在于确立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/T41894.2—2022/IS020083-2:2019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2部分：光学反射法
本文件确立了通过使用光学反射装置测量轴变形量并以此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，包括校准程序，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
shafttorque
轴扭矩
由发动机产生的传递给轴用于驱动螺旋桨旋转的转动力矩。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桨旋转的功率。注：用千瓦(kW)表示。
测量原理
轴功率计是测量轴转速和由轴扭矩引起的轴扭转变形的仪器。轴功率(Ps)按公式(1)计算。Ps
式中：
轴转速，单位为转每分(r/min)；2元NQ×
·（1）
GB/T41894.2—2022/ISO20083-2:2019Q
轴扭矩，单位为牛米（N·m）。轴扭矩(Q)由单位长度轴扭转角变化率计算，按公式(2)计算。Q
式中：
模量，单位为牛每平方毫米（N/mm2）；Ip-—极转动惯量，单位为四次方毫米（mm）；e
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。(DD)
式中：
轴外径，单位为毫米（mm）；
空心轴内径，单位为毫米（mm）。单位长度轴扭转角变化率§'按公式(4)计算。8
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）。扭转变形角(0)能由扭力计测得的测点位移计算，如式(5)所示。r
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)；一安装环间距，单位为毫米（mm）；一测点位移，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
·（2）
（3）
（4）
（5）
光学反射式装置使用光源、反射镜和电荷耦合器件(CCD)传感器，通过轴的扭转变形来测量测点位移（），如图2所示。光源的图像由凹面镜制成，其位移是镜面实际位移（3)的两倍。然后，将光源的图像通过置于CCD传感器前的放大镜放大约5倍～10倍。因此，CCD传感器位移的总放大率约为10倍～2
20倍。
GB/T41894.2—2022/IS020083-2:2019总放大率和校准因子与实际位移和CCD计数有关，由校准过程确定，如第7章所示。4.
标引序号和标引符号说明：
测点位移；
安装环；
反射镜；
光源；
镜头；
狭缝。
5设备组成
图2测量原理
典型的光学反射式装置包括两个安装环、一个扭力计、一个反射镜、一个发射机、个接收机和一套电源系统、一个转速传感器和一套监控系统。如图3所示。3
GB/T41894.2—2022/IS020083-2:201910
标引序号说明：
接收机和电源系统；
电刷和支架（供电滑环）；
滑环；
扭力计；
反射镜；
安装环；
发射机；
接收天线；
轴转速传感器；
供电电缆；
-LAN电缆。
5.2安装环
图3设备布置实例
应在轴上沿轴向指定长度（1)间隔设置两个安装环，一个用于安装扭力计主体，另一个用于安装反射镜。
5.3扭力计
扭力计的主体由光源、狭缝、变焦镜头和CCD传感器等组成。它通过狭缝发射来自光源的光，并检测来自反射镜的反射光。CCD传感器是由成千上万个元件等间距排成一条线，通过CCD的元件数能够检测出反射光的位置。
5.4反射镜
凹面镜接收并反射光源发出的光，使光打在扭力计主体的CCD上。反射镜的设置应使反射光正确地进入CCD传感器。
5.5发射机
设置在轴上的发射机应具备以下三种功能：4
应能通过CCD传感器的元件计数来检测扭转量；a)
应能无线传输扭转量；
GB/T41894.2—2022/ISO20083-2:2019应能从滑环(或另一种电磁感应电压系统)接收电力，并向扭力计提供必要的电力。c)
与扭力计一样，发射机安装在轴环上，并具备上述三种功能。5.6接收机和电源系统
安装在靠近轴的船体上的接收机和电源系统应具备下列功能：应能接收来自发射机的扭转信号数据；a）
b）应能接收来自转速传感器的轴转数数据；c)
应能将接收到的轴扭转和转数数据通过局域网（LAN)电缆发送给CPU：d）应能为设备供电。
接收机和电源系统完整地安装在固定于船体的专用支架上，并具备这些功能。此外，两个外部天线安装在轴附近的船体右和左的位置。通过滑环或电磁感应系统为轴上的发射机供电。5.7转速传感器
转速传感器检测轴转速，检测值被发送到接收机，转速传感器应固定安装在船体上的专用支架上。6轴功率计算
6.1轴扭矩
轴扭矩(Q)由公式(6)计算。
式中：
轴外径，单位为毫米（mm）；
元(D-D1)GKs(Cm-C。)
空心轴内径，单位为毫米（mm）；模量，单位为牛每平方毫米（N/mm2）：扭力计校准系数，单位为毫米每计数（mm/count）；安装环间距，单位为毫米（mm）；检测点到轴中心线的距离，单位为毫米（mm）；测量点数，单位为计数(count)；C。零位，单位为计数(count)。6.2轴功率
轴功率(Ps)由公式(7)计算。
式中：
N-轴转速，单位为转每分(r/min)；Q——轴扭矩,单位为牛米(N·m)。2元NQ
·（6）
·（7)
GB/T41894.2—2022/ISO20083-2:20197测量精度的决定因素
7.1通则
安装、整定和轴功率测量应按照制造商的说明进行。在安装和整定过程中，由于下列参数对轴功率的实测值有直接影响，应仔细检查和整定。本章描述了零位调整和校准的步骤7.2轴直径
轴直径应与图纸核对。建议直接测量安装环附近的轴外周长。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安装环间距
安装环间距应按照制造商的说明进行设置。7.5安装环的厚度
扭力计底座处的安装环的厚度应根据图纸进行校核。建议直接测量轴面与扭力计底座之间的距离进行校核。
7.6轴的振动
如果轴有振动，为了准确测量轴振动时的轴扭矩，对轴扭矩的采样频率应大于振动频率的两倍。采样频率应考虑可能的扭转振动频率。7.7零位调整
7.7.1零位
零位是当轴没有任何扭矩时扭力计的输出。它是扭矩测量的基础。安装后一段时间内，在安装初始应力释放之前，零位会由于振动或轴转的突然变化而移动。如果测量值不正确，应定期进行零位检查。
7.7.2零位调整程序
零位调整应按照制造商的说明进行。通常，零位调整是通过缓慢地转动轴来获得扭力计的输出。应取正车和倒车方向各转一圈的测量值的平均值。应在船舶抛锚期间和发动机不运转的情况下取值。船舶的运动或螺旋桨周围的电流流动都会引起误差。7.8校准
7.8.1通则
校准的目的是得到校准系数，校准系数与CCD的计数和位移量有关。每对扭力计和反射镜应使用专用校准台进行校准。它将扭力计和反射镜牢牢地固定在一起，并将扭力计的位置水平移动。扭力计6
GB/T41894.2—2022/IS020083-2:2019的位移由精密的位移传感器测量，CCD计数由CCD计数器显示。校准程序
校准程序如下。
应将扭力计和反射镜安装在校准台上，使二者之间的距离符合规定的测量量程。a)
应调整扭力计的位置，使CCD计数器显示在规定的最小计数附近。调整后确定起始点。b)
扭力计应按规定的时间间隔移位。然后记录位移传感器测量的位移值和CCD计数器显示的计数。应重复此过程，直到计数达到规定的最大值附近，应进行c)相反的过程(从最大点数到最小点数)。d)
重复过程c)和d)应至少两次(上下至少各两次）。表示水平位移与计数关系的校准系数应由回归线确定。设备船载文档www.bzxz.net
设备船载文档应包含以下两种文件：制造商说明或操作手册；
b）校准结果。
校准结果的样本表格见附录A。
GB/T 41894.2-—2022/ISO 20083-2:2019日期
序列号
测量范围
校准系数Ks/(mm/count)
计数值
位移/mm
第一次测量
附录A
(资料性）
校准结果的样本表格
第二次测量