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一、螺旋浆动平衡测试机?

作为船舶的重要推进装置，螺旋桨是的平衡问题在很大程度上影响着船舶运行的安全可靠程度。为了确保螺旋桨的制造质量，国家技术监督局发布了有关金属螺旋桨技术要求的国家标准，对包括螺旋桨动平衡等许多技术指标进行了规范，具体由申曼动平衡机厂整理相关知识资料供大家参考。

我国以往对船用螺旋桨大多只作静平衡试验，但是随着高速艇的不断发展，螺旋桨转速越来越高，对转速接近2000r/min的螺旋桨，若不作动平衡试验，则很有可能发生振动。因此，螺旋桨生产制造过程中静平衡试验非常重要。目前，螺旋桨动平衡测试主要应用动平衡测量机进行。

动平衡机必须有一根固定螺旋桨的工艺轴，进行动平衡测试时此工艺轴与螺旋桨进行组合，测量过程既要消除由悬臂安装的螺旋桨质量所产生的力矩，又要克服由螺旋桨叶转动而产生的轴向推力，同时工艺轴要具有一定的刚度。平衡测量机所配置的检测仪器是具有两个光点矢量瓦特表的显示仪，利用在极坐标上显示的光点位置，同时指示左右两个校正面的不平衡量大小和位置，其光点离圆心的距离表示不平衡量的大小，而所对应的相位即为不平衡的轻点或重点位置。

国内一些学者对螺旋桨动平衡的检测方法进行了研究李风春和王树青介绍了现场动平衡技术并研究应用VBlOOOb现场动平衡仪对螺旋桨进行现场动平衡的实施；吴鸿舟对动平衡过程中的频谱进行了研究；高冰等通过传感器选用、测量参量转换、振动信号提取、转子重心方位提取等方面的技术分析，提出了用数字计算方法实现测量参数转换，用离散Fourier变换算法提取被测信号的现场动平衡的高精度测量方法。这些螺旋桨动平衡检测方法效率低下、检测困难、费时费力不能适应目前的螺旋桨制造的要求，特别是对大型快速螺旋桨，因此，提出一种快速有效的、新的动平衡自动检测方法是必须的，对螺旋桨的生产制造有着重要的意义。

本发明是有关螺旋桨动平衡的自动检测。本发明提出的螺旋桨动平衡检测新方法是利用图像的方法进行螺旋桨的非接触式和数字化检测。利用本发明提出的检测方法可以方便、快捷地进行螺旋桨动平衡的自动检测。由于本发明提出的是非接触数字化测量方法，与现有螺旋桨动平衡检测的原理不同，因此可以解决现有螺旋桨动平衡检测的不足。以本发明提出的螺旋桨动平衡检测新方法为基础，可以进行螺旋桨动平衡的自动检测。

利用数字投影仪将计算机自动生成的投影点阵投射在待测螺旋桨表面，利用CCD摄像机获得螺旋桨的图像，对螺旋桨图像进行数字化处理，得到所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，利用经过标定的摄像机模型进行螺旋桨表面所有投影点二维像素坐标向三维现实世界坐标系的映射，根据双目视觉理论计算得到所有投影点在三维现实世界坐标系的三维坐标，构建螺旋桨的三维坐标模型，计算每个桨叶的质量力矩，并利用计算机进行螺旋桨动平衡的检测。

本发明包括投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集、所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取、所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算、螺旋桨三维坐标模型的构建以及螺旋桨动平衡的检测等几个步骤。本发明包括的步骤如下：

1)投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集根据螺旋桨形状通过计算机编程生成点阵，利用投影仪将点阵投射在待测螺旋桨表面，利用2个(XD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当照明，分别采集包含投影点的螺旋桨表面和背面图像各2幅。

2)投影点二维图像坐标系像素坐标获取针对采集到的螺旋桨表面和背面的图像，进行图像的数字化处理，以此获取所有投影点的二维图像坐标系像素坐标。

3)投影点三维现实世界坐标系坐标计算根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现实世界坐标系之间的变换关系，建立反映螺旋桨表面和背面所有投影点像素坐标与三维现实世界坐标关系的投影矩阵，通过投影矩阵的标定建立以像素坐标为基础的所有投影点三维现实世界坐标系坐标的计算模型。利用双目视觉原理计算得到所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。

4)螺旋桨三维坐标模型的构建以螺旋桨表面投影点的三维现实世界坐标系坐标为基础，对螺旋桨背面投影点的三维坐标进行变换，使其与螺旋桨表面投影点的三维现实世界坐标系坐标形成一一对应的相对位置关系，构建螺旋桨的三维坐标模型。

5)螺旋桨动平衡的检测以构建的螺旋桨三维坐标模型为基础，分别计算每个桨叶上单位正方体的质量力矩，并累加得到每个桨叶的质量力矩，据此利用计算机进行螺旋桨动平衡的检测。本发明的优点本发明是以图像为基础进行螺旋桨动平衡的自动检测，因此本发明具有非接触式和数字化测量方法的优点。本发明不需要直接接触螺旋桨的金属表面，不需要借助动平衡分析仪等进行操作。利用该方法可以方便地实现螺旋桨动平衡的自动检测，因此本发明可以为缩短螺旋桨加工周期、降低生产成本提供有效检测手段。

二、船用螺旋桨叶使用寿命一般有多长，螺旋桨的价格一般为多少?

船用螺旋桨的使用寿命受多种因素影响，包括海水盐度、航行区域等。但螺旋桨非常容易受到外界物理因素的损害，比如被冰块碰撞。即使一次碰撞不会导致螺旋桨完全损坏，也会使其部分丧失功能，最终需要更换。碰撞会导致螺距变化，从而影响航速和效率，带来震动和异响等问题。

影响螺旋桨寿命的主要因素是航行条件。在内河航行时，主要考虑的是沙石对桨叶的磨损；而在海洋中航行时，则需要考虑盐度、海水清洁度等因素的影响。具体寿命的确很难给出一个准确的数字，我接触过磨损最快的内河捞沙运沙船。

螺旋桨的主流材质是铜合金，表面和内部材质相同。表面材质可能会因局部焊补而与内部材质不同。表面通常需要打磨得光滑顺，否则桨旋转时会使水流形成漩涡，增加噪声和空泡腐蚀。

至于螺旋桨的价格，要根据其大小来确定。目前，单个螺旋桨的重量超过一百吨，这样的螺旋桨需要多少铜呢？加上生产难度、利润等因素，价格可能高达几百万。中大型螺旋桨成品的价格通常在几百万左右。

船用螺旋桨安全评估的关键点：疲劳强度方面，该如何测试？

文|宙说

编辑|宙说

螺旋桨的设计在造船工程中至关重要，但它的结构设计一般是相当简单。

通常的程序是通过根据泰勒假设计算作用的应力来验证叶片根部的截面厚度，泰勒的理论认为叶片是一个悬臂梁，完全固定在根部，受到静力、扭矩力和离心力。

因此需要较高的安全系数来考虑动态因素和不确定性，甚至船级社中关于评估最小要求截面厚度的规则分析公式也依赖于这种简化的评估。

作用在螺旋桨叶片上的力在它们围绕轴轴旋转时是可变的。因此在以往的工作中，提出了2-4a程序，并逐步改进，以评估疲劳现象对螺旋桨结构分析的影响。

评估使用螺旋桨的数值结果能通过专有面板代码5，6作为输入结构分析通过商业有限元软件，使用准确稳定的方法。

评估一个安全系数，以估计螺旋桨疲劳强度的裕度。在开发上述疲劳强度评估时出现了一些困难，并做出了不同的假设。

其中一个主要的不确定性来源是材料的表征，特别是在疲劳强度方面，本文对实验结果进行了一些分析，但只有德国劳埃德和运输安全机构关于在冰中运行的螺旋桨的规则建议，在没有实验数据的情况下，螺旋桨青铜的S-N曲线。

有几个参数会影响疲劳强度，但即使已知它们的有害影响，也很难通过实验数据支持的解析公式来表示。

我们的目的是讨论铸青铜的疲劳强度表征，特别是镍-铝（Ni-Al）青铜和锰（Mn）青铜材料，这是目前最常用的两种螺旋桨材料，为了收集疲劳试验数据和建立数据库，我们进行了一个相当全面的文献调查。对收集到的数据进行分析就可以得到了。

螺旋桨制造中使用多种材料：青铜和不锈钢是最常见的，铸铁不再受欢迎，因为它的机械性能比使用的其他材料更差。

在20世纪60年代早期，最常见的材料是高强度的黄铜，而从80年代中期到现在，镍铝青铜器得到了更广泛的应用。不锈钢在20世纪60年代中期到70年代中期非常普遍，现在，它主要用于冰螺旋桨的制造。

我们这里主要关注锰（Mn）青铜和镍铝（Ni-Al）青铜的类别。

基于螺旋桨铜基合金力学特性的标准值为参考，由于这些材料没有一个明确定义的屈服点，应力-应变曲线通常以证明应力的0.15%或0.2%来表征。

虽然成分不同，但它们通常基于约60%的铜和约40%的锌控制拉伸性能和疲劳强度，0.5-3.0%的铝提高强度和耐腐蚀性，0.2-1.5%的锡（Sn）提高耐腐蚀性，0.7-1.2%的铁（Fe）生产晶粒细化和镍（Ni）和锰（Mn）一般有益，但没有相关影响。

锰青铜器可以很容易地熔化和铸造。它们可以在任何温度下弯曲或工作，另一方面它们的强度和抗腐蚀和侵蚀的能力比其他螺旋桨青铜器要低。

镍铝青铜一般含有9.0-9.5%的铝、镍和铁，占4%以上，才能获得高的耐腐蚀性、小锰和少铅（Pb），以保证材料的可焊性。铅百分比不超过0.03%，否则可焊性较低，它们的晶体结构不同于锰青铜的结构。

镍铝青铜在环境温度下是有韧性的，但在较高的温度下则不能，在800°C以上，这些合金变得相当具有可塑性，维修可以相对容易。

另一个需要考虑的方面是，螺旋桨叶片是通过铸造制造的；因此，材料的力学特性受到制造缺陷的显著影响。铸件金属不均匀；材料性能的差异是由于铸件的不同部分的冷却速率。

冷却速度越快，材料的晶体或晶粒尺寸就越小，材料的性能就越好。可以观察到不同截面厚度的根部和尖端区域以及部分内部和外部部分之间的差异，其特征是较大的截面厚度（尤其是对于大螺旋桨）。

在公开文献中已经发现了几篇论文，介绍了对青铜材料进行的实验活动，更多的数据已经收集，最常见的材料，不是关于锰青铜。

关于最常用的螺旋桨材料的性能，叶片制造的一般信息已经在卡尔顿10和梅恩的典型缺陷被发现。

在工作中已经提出了一些测试结果，但由于缺乏关于测试方法、测量的物理量（例如应力范围或应力振幅）和所分析材料的化学成分的信息，下面我们不考虑和检查这些数据。

在高级定制中，我们对铸造Ni-Al和Mn-Ni-Al青铜器的力学性能、腐蚀行为、焊接和铸造特性进行了大量的调查。

关于疲劳强度，验证和确认文献中参考曲线，确实是相同的，腐蚀疲劳试验的数据发现锰青铜的报告。

文献中很多结果也没有被分析，因为位移控制试验是在相当高的负载下进行的，然后发现了解释材料塑性的关系，为疲劳试验结果引入了另一个不确定性来源。

收集的数据都涉及低于108的周期，而代表螺旋桨叶片的周期数至少为109，即使是大于108的周期，测试结果非常具有挑战性。

作用平均应力是影响疲劳强度的最重要的参数之一，对于锰青铜，非零平均应力下的腐蚀试验数据不仅在DNV13的报告中发现，而且在Denoh和Webb中也发现。

Ni-Al青铜，在DNV13的测试结果在文献报告中被发现。文献中发现的不同关系被应用于从不同来源收集的数据。

从文献中收集了数据，最终提出了史密斯关系来解释平均压力效应。

相同的修正建议Norhamoetal强度评估螺旋桨操作在冰，而不是在DNV规则所需的最小叶片部分厚度，修正是对应的古德曼图，在此基础上的数据DNV报告。

另一个影响疲劳强度的参数是截面厚度。通过分析100个镍铝砂铸造螺旋桨的情况，研究了截面厚度和粒度对力学性能和疲劳强度的影响。

已知文献中，显示了从150到400mm的切片厚度中切割出的21个标本的数据。

在DNV倾斜螺旋桨规则中，提出了一种关系，根据实验数据，它将疲劳强度与截面厚度联系起来，在Norhamo中对在冰中工作的螺旋桨提出的评估中也使用了相同的公式。

在DNV报告中，提出了一个不被任何测试数据支持的例子，以强调组件的形状对疲劳强度的影响；矩形截面试样可能会弱30%而不是圆形部分。

根据DNV的评论，螺旋桨叶片，具有翼型形状的，可以认为类似于圆形试样。Tokuda和普雷格也对这个特殊的问题进行了分析，其中对Ni-Al青铜的大试件（例如矩形切片试件125×50mm)进行了腐蚀疲劳试验的结果。

即使在港口安全局的规则中，也会考虑到样本部分的影响，其中建议减少S-N曲线，以考虑到这种有害影响，并考虑数据的分散。

经验推导关系，它将疲劳强度与螺旋桨的重量联系起来，另一个重要的方面是考虑到材料中缺陷的存在及其有害影响。

有一种在高循环疲劳状态下的Ni-Al青铜材料的概率双尺度方法。通过一种间接的方法考虑了微缺陷的存在；缺陷的形状不必被知道和考虑，并将理论结果与对全尺寸螺旋桨叶片进行试验的实验结果进行了比较。

Czyryca报道了不同应力比下NiAl青铜疲劳裂纹扩展性能的研究，旨在研究螺旋桨表面的允许扩展缺陷。在相同的工作中，镍铝青铜疲劳阈值应力强度因子范围收集不同的来源，裂纹扩展测试也进行了Mn青铜。

随着频率的降低而降低，但这一趋势没有被第二组数据证实，对应的应力振幅为100MPa，平均应力为100MPa（R=0），其中频率的影响似乎不相关。

本文给出了对螺旋桨叶片不同半径（0.3和0.7R）和不同频率下的试样进行腐蚀疲劳试验的结果。

测试频率的影响不明显，测试频率可能确实会影响试样的疲劳强度，但很难在其他样品中区分其影响，例如环境的影响，这确实在不同技术的腐蚀性疲劳测试中重现。

即使对锰青铜进行试验，试验频率也应该对疲劳强度没有影响。试验频率的影响是一个相关参数，特别是在腐蚀环境中进行的疲劳试验。

我们在DNV报告中分析了关于Mn青铜、和关于镍铝青铜的频率影响。得出了在恒定振幅和应力比下的两次腐蚀疲劳试验的结果。根据第一组数据，对应的应力振幅为40MPa，平均应力为200MPa（R=0.7）。

收集到的结果基本上证实了德国劳埃德船级社和运输安全局提出的有关Ni-Al青铜材料的参考S-N曲线。锰青铜的参考S-N曲线没有得到证实，因为收集的数据位于参考线以上，回归表明斜率等于3.6，而不是预期值4.5。

我们对收集的实验结果进行了分析，突出了影响疲劳强度的主要参数。其中平均应力校正似乎是在疲劳评估中需要考虑的最相关的因素。

我们对文献中广泛应用的修正进行了比较，以找到最适合所分析的两种螺旋桨青铜的修正。索德伯格提出的公式对平均应力的影响良好，即锰青铜材料低于130MPa，尼阿尔青铜材料低于180MPa，阈值对应于抗拉强度的30%和普通螺旋桨的可接受值。

几个参考文献中提出的平均应力修正，提供了与实验结果一致的结果，特别是对于高循环疲劳部分，即大约108的循环。

采用疲劳损伤累积方法，考虑到均匀光滑的叶片几何形状，以及存在铸造缺陷的困难，裂纹扩展方法很少使用。

测试频率的影响也可能是相关的，因为疲劳测试是在腐蚀环境中进行的，DNV报告分析了流动频率。

对残余应力的存在进行了一般性的讨论，但没有发现在真实螺旋桨叶片上测量的数据，尽管很明显，残余应力可能在很大程度上影响其疲劳强度。

影响疲劳强度的第二个研究参数是截面厚度：DNV在其螺旋桨倾斜规则中提出的公式似乎正确地评估了厚度增加的不利影响。

其他因素也已分析，铸件尺寸的影响或测试频率的影响，考虑到螺旋桨腐蚀环境，这是至关重要的。

这些参数确实影响螺旋桨材料的疲劳强度，但在疲劳评估中建立分析关系并不容易，因此这两个方面被确定为未来的研究项目。

最后我们提出的实验数据收集构成了一个螺旋桨青铜的疲劳强度数据库，可以通过一些具体的测试来集成，以完成具体方面的知识，现在已经建立了一个相当好的入门基础。

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