轴承高度的修正量确定方法.pdf

本发明的轴承高度修正量确定方法，具有根据位于规定位置的轴承的实测轴承载荷和实测曲轴偏差，采用转移矩阵法求得至少发动机中的各轴承的高度的轴承高度计算步骤，根据轴承高度计算步骤中求得的轴承高度，求得至少作用在发动机中的各轴承上的计算轴承载荷的轴承载荷计算步骤，求得使发动机中的各轴承的轴承高度位于基准平面上时作用在各轴承上的基准轴承载荷的基准轴承载荷计算步骤，求得上述各轴承中的作为计算轴承载荷与基准轴承载荷之差的载荷差的载荷差计算步骤，和把由载荷差计算步骤求得的载荷差与设定范围进行比较的修正量确定步骤，而且对于超过了设定范围的轴承，求得使载荷差在允许值内的轴承高度的修正范围。

1.  一种轴承高度修正量确定方法，是用来确定与被动轴系连接着的发动机中的至少曲轴的轴承高度的修正量的方法，其特征在于，具有轴承高度计算步骤、轴承载荷计算步骤、基准轴承载荷计算步骤、载荷差计算步骤和修正量确定步骤，
所述轴承高度计算步骤，根据位于规定位置的轴承的实测轴承载荷和实测曲轴偏差，采用转移矩阵法求得至少发动机中的各轴承的高度，
所述轴承载荷计算步骤，根据所述轴承高度计算步骤中求得的轴承高度，求得至少作用在发动机中的各轴承上的计算轴承载荷，
所述基准轴承载荷计算步骤，求得使所述发动机中的各轴承的轴承高度位于基准平面上时作用在各轴承上的基准轴承载荷，
所述载荷差计算步骤，求得上述各轴承中的作为计算轴承载荷与基准轴承载荷之差的载荷差，
所述修正量确定步骤，把由所述载荷差计算步骤求得的载荷差与设定范围进行比较，而且对于超过了设定范围的轴承，求得使载荷差在允许值内的轴承高度的修正范围。

2.  如权利要求1所述的轴承高度修正量确定方法，其特征在于，设定范围，相对于发动机中的轴承的载荷的平均值，为-40～+40％。

3.  如权利要求1所述的轴承高度修正量确定方法，其特征在于，允许值，相对于发动机中的轴承的载荷的平均值，处于-20～+20％的范围。

轴承高度的修正量确定方法
技术领域
本发明涉及例如设置在船体上的发动机中的曲轴的轴承高度的修正量确定方法。
背景技术
在船体上安装作为主发动机的发动机(エンジン)以及螺旋桨轴的场合，必须正确对合发动机的曲轴、中间轴以及螺旋桨轴构成的驱动轴系的轴心位置，即必须正确进行轴系校准。
为了正确进行所述轴系校准，本发明发明人等提出了采用转移矩阵法(伝達マトリツクス法)进行驱动轴系的位置检测的方法(参照日本特开2003-19997号公报)。
以下简单说明该位置检测方法。
首先，将曲轴模块化，而且，先临时确定各个轴承位置。然后，求出曲轴的船头侧轴承的状态量(变位量以及作用力)，使用基于发动机的各部分数据已知的节间转移矩阵、节点转移矩阵、作为船头侧的边界条件的边界矩阵、以及船尾侧的边界矩阵求出向船尾侧进行转移时作为未知数的船头侧轴承的状态量，并用该结果求出曲轴偏差(クランクデフレクシヨン)，然后把该值与实际测量值比较求出误差(评价值)。然后，反复进行把假定的各个轴承位置随机进行改变，通过与上述相同的计算，求出其轴承位置条件下的曲轴偏差的计算值与实际测量值的误差这样的作业，求得该误差变小(即评价变高)时的轴承位置条件。由此，正确推定安装位置。
发明内容
按照上述的驱动轴系的位置检测方法，可以正确推定现在的轴承的安装位置，但是，从它们推定的轴承高度，实际上修正为怎样的高度则成为下一个课题。
本发明的目的是，例如不限于现役航船、新造船，提供一种轴承高度的修正量确定方法。
为了解决上述课题，本发明第一方面为一种轴承高度修正量确定方法，是用来确定与被动轴系连接着的发动机中的至少曲轴的轴承高度的修正量的方法，其具有轴承高度计算步骤、轴承载荷计算步骤、基准轴承载荷计算步骤、载荷差计算步骤和修正量确定步骤，
所述轴承高度计算步骤，根据位于规定位置的轴承的实测轴承载荷和实测曲轴偏差，采用转移矩阵法求得至少发动机中的各轴承的高度，
所述轴承载荷计算步骤，根据所述轴承高度计算步骤中求得的轴承高度，求得至少作用在发动机中的各轴承上的计算轴承载荷，
所述基准轴承载荷计算步骤，求得使所述发动机中的各轴承的轴承高度位于基准平面上时作用在各轴承上的基准轴承载荷，
所述载荷差计算步骤，求得上述各轴承中、作为计算轴承载荷与基准轴承载荷之差的载荷差，
所述修正量确定步骤，把由所述载荷差计算步骤求得的载荷差与设定范围进行比较，而且对于超过了设定范围的轴承，求得使载荷差在允许值内的轴承高度的修正范围。
本发明第二方面为，在上述本发明第一方面的轴承高度修正量确定方法中，设定范围，相对于发动机中的轴承的载荷的平均值，为-40～+40％。
本发明第三方面为，在上述本发明第一方面的轴承高度修正量确定方法中，允许值，相对于发动机中的轴承的载荷的平均值，处于-20～+20％的范围。
按照上述修正量确定方法，根据实测曲轴偏差与规定的轴承中的实测轴承载荷，求得整个轴系的轴承高度，然后，根据该轴承高度通过计算至少求得配置在发动机中的轴承的轴承载荷，而且，求得该计算轴承载荷与位于基准平面上的即处于初期设定状态的基准轴承载荷的载荷差，当该载荷差超过预先设定的设定范围时，按照使该轴承高度变化时的载荷差处于预先设定的允许值内那样的范围，确定轴承高度的修正范围，因而，例如对于设置在船体上的发动机，不论是新造船还是现役航船，都可以正确并且迅速地确定轴承高度的修正量。
附图说明
图1是适用本发明的实施方式涉及的轴承高度修正量确定方法的船舶中的驱动轴系的简要构成图。
图2是表示用来说明上述修正量确定方法的轴承高度的图表。
图3是表示用来说明上述修正量确定方法的轴承载荷的图表。
图4是表示用来说明上述修正量确定方法的轴承的载荷差的图表。
图5是表示上述修正量确定方法中的轴承的修正范围的图表。
图6是表示上述修正量确定方法中的计算轴承载荷与修正后的轴承载荷的图表。
图7是上述驱动轴系的曲轴的一个曲轴行程处的模式正面图。
图8是表示上述曲轴的局部坐标系的模式侧面图。
图9是用来说明上述曲轴中的曲轴偏差的计算顺序的模式图。
具体实施方式
以下根据图1～图9说明本发明的优选实施方式涉及的轴承高度修正量确定方法。
本实施方式涉及的轴承，对支撑例如搭载在船舶中的船用柴油发动机(也称作主发动机)的曲轴的轴承加以说明。
首先，简要说明该发动机的构成。
如图1所示，该发动机例如具有7个活塞1，而且与活塞1连接着的曲轴2被8个(#1～#8)轴承3以及设置在船尾侧的发动机舱的壁部的#9轴承3支撑着。#1表示船头侧(Fore)的轴承，#8表示船尾侧(Aft)的轴承。当然，在曲轴2的相对于各个活塞1的位置，通过曲柄臂4设置曲柄销5，而且所述曲柄销5与活塞1分别通过连杆6连接着。
在上述曲轴2的后端部，配置着由中间轴7以及螺旋桨轴(也称作船尾管)8构成的推进轴系(为被动轴系的一例)，而且，设置着支撑中间轴7的#10轴承3以及支撑螺旋桨轴8的前后部的两个#11轴承3和#12轴承3。当然，中间轴7的前端部与曲轴2的后端部连接着。
以下，按步骤形式简要说明用于对上述各个轴承3、尤其是设置在发动机上的各个轴承3的高度即轴承高度进行修正的修正量确定方法，然后，更为详细地说明所述步骤形式所示的内容的一部分。
该修正量确定方法，具有轴承高度计算步骤、轴承载荷计算步骤、基准轴承载荷计算步骤、载荷差计算步骤和修正量确定步骤，所述轴承高度计算步骤，根据位于规定位置的轴承的实测轴承载荷和实测曲轴偏差，采用转移矩阵法求得至少发动机中的各轴承的高度，所述轴承载荷计算步骤，根据所述轴承高度计算步骤中求得的轴承高度，求得至少作用在发动机中的各轴承上的计算轴承载荷，所述基准轴承载荷计算步骤，求得使所述发动机中的各轴承的轴承高度位于基准平面上时作用在各轴承上的基准轴承载荷，所述载荷差计算步骤，求得上述各轴承中的作为计算轴承载荷与基准轴承载荷之差的载荷差，所述修正量确定步骤，把由所述载荷差计算步骤求得的载荷差与设定范围进行比较，而且对于超过了设定范围的轴承，求得使载荷差在允许值内的轴承高度的修正范围。
在上述轴承高度计算步骤中求得各个轴承3的高度。求出该轴承高度时，使用实测的曲轴偏差和同样通过实测得到的轴承载荷。但是，对于轴承载荷，可以进行实测的是，例如为#7～#10轴承。
对于用来求出该轴承高度的计算，采用转移矩阵法求出由曲轴2、中间轴7以及螺旋桨轴8构成的驱动轴系中的规定位置处的状态量(变位以及作用力)，其详细内容记载在上述日本特开2003-19997号公报中，以下进行简单说明。
该轴承高度计算方法是这样的方法，即，用临时安装高度求出驱动轴系整体的状态量，而且，由所述状态量通过计算求出曲轴偏差和由中间轴7以及螺旋桨轴8构成的推进轴系的轴承载荷，而且使用实测曲轴偏差和实测轴承载荷，对所求得的计算偏差值和计算轴承载荷值进行评价(即，把计算偏差值与计算轴承载荷值、实测曲轴偏差与实测轴承载荷带入预选准备的评价式中，求出评价值)，把该评价值处于预先设定的设定范围(也称作允许范围)的情况下的临时安装高度，推定为实际的轴承高度。
即，根据可以进行实测的曲轴偏差和轴承载荷，大致正确地求出驱动轴系的整体的轴承高度。对于该轴承高度，求出未设置曲轴的初期的轴承高度和设置了曲轴后的载荷均衡后的轴承高度。在后文中，针对日本特开2003-19997号公报中公开的转移矩阵法作稍详细的说明。
然后，根据轴承高度计算步骤中求得的轴承高度(由图2的实线A示出初期的轴承高度、由图2的实线B示出均衡后的轴承高度)通过计算求得轴承载荷。即，在轴承载荷计算步骤，通过把轴承高度的变位量(未设置曲轴的初期的轴承高度与设置了曲轴的载荷均衡后的轴承高度之差)乘以轴承部中的弹簧常数，求出轴承载荷。
而且，在基准轴承载荷计算步骤中，按照与上述相同的顺序，根据设置在水平面上的状态下的各个轴承高度(图2中的虚线C示出初期的轴承高度(高度为0)、由虚线D示出均衡后的轴承高度)的变位量，求出基准轴承载荷。
例如，把各个轴承3上的现在的计算轴承载荷与基准轴承载荷表示在图表中，就成为图3那样。图3中的实线E表示计算轴承载荷，虚线F表示基准轴承载荷。
然后，在载荷差计算步骤中，求出作为计算轴承载荷与基准轴承载荷之差的载荷差。把该载荷差进行图示，成为图4的实线G那样。
下面，在修正量确定步骤中，判断上述载荷差是否进入预定设定了的设定范围(也可以称作允许范围)内，当超出设定范围时，确定该轴承3应该进行修正。
该设定范围，例如相对于对发动机2中的轴承(气缸位于两侧的轴承，具体来说为#2～#7的轴承)3的轴承载荷的平均值，为-30％～+30％的范围。例如，在平均值为40ton的场合，设定范围为-12～+12ton的范围。上述设定范围，也可以是-40％～+40％，但优选为-30％～+30％的范围。从图4可知，超出上述允许范围的轴承3，即载荷差为-20ton的轴承3是#7的轴承。
而且，对于所述#7轴承3，以所述载荷差(-20ton)为起点(在此，当然，修正量为0)、用计算式(从轴承高度的变位由轴承支撑部的弹簧常数求出载荷的式子)求出修正量和载荷差时，成为图5的实线H那样。图5所示的图表的横轴示出修正量，而且横轴的最大刻度示出了可进行修正的范围。
而且，从所述图5，根据预先设定的载荷差的允许值求出修正范围。即，修正量得以被确定。
在此，允许值被设定为上述轴承载荷的平均值的-10～+10％的范围。即，在平均值为40ton的场合，为-4～+4ton的范围，而留出余量的话设定为-5～+5ton(-12.5～+12.5％)的范围。上述允许值也可以为-20～+20％的范围，但优选为-15～+15％，进一步优选为-10～+10％。
求出图5的图表所示关系的场合，首先，针对#7轴承3，以其载荷差(-20ton)为起点，通过计算，求出在包含允许值的可修正范围内对修正量的载荷差。
可修正范围被设为0.00～0.30mm。
所述可修正范围可以通过下述计算式求出。
(数1)

其中，i：轴承的序号、m：范围设定常数(例如，0～5的常数)
(1)式中的“m”，为“0”以及例如“1～5”的整数值，从m的每个值的解析结果得出表示修正量与载荷差的关系的直线H。m＝0表示不进行修正的场合。
而且，作为载荷差的允许值，如上所述，为-5～+5ton的范围，作为与其对应的修正范围，从图5可知，约为0.14～0.22mm的范围。
因此，只要在该范围确定修正量，就可以将#7轴承3的载荷差收纳在-20ton～±5ton的范围内。即，可以减小邻接的轴承彼此的载荷差，即缩小作用在轴承上的轴承载荷的变动，改善作用在轴承3上的载荷的平衡。进而，换言之，可以减小轴承上的摩擦力、减少机械损失。相应地，由图5的实线I表示#6轴承的载荷差、虚线J表示#8轴承的载荷差。可见，这些也大致处于允许值内。
由此，修正量确定步骤，可以由对载荷差超出设定范围的轴承进行检测的设定范围超过轴承检测步骤，和求出在所述检测步骤检测出的轴承的载荷差处于允许值内时的修正范围的修正范围确定步骤构成。
图6的虚线K示出计算轴承载荷、而且图6的实线L示出修正后的轴承载荷。从所述图6可知，修正后的轴承载荷的变动，即邻接的轴承彼此的载荷差的变动被抑制。
在此，对转移矩阵法进行说明。
所述转移矩阵法中，对曲轴整体的各部的变位(也称作状态量)进行计算时，使用在梁那样的直线部转移变位的节间转移方程式(其系数称作节间转移矩阵)，而且，使用在将梁的连续性截断的支点部(轴承部或轴向的变化点)转移变位的节点转移方程式(其系数称作节点转移矩阵)。
在以下的说明中，沿曲轴使用转移矩阵法，而以沿曲轴轴心(轴颈部轴心)的方向作为全局坐标系(用x、y、z表示，也称作绝对坐标系)，而且，以沿曲柄臂以及曲柄销的方向作为局部坐标系(用x’、t、r表示，也称作相对坐标系)。
图7中示出了一个曲柄行程的全局坐标轴的采取方法，图8中示出把作用在曲柄行程的力分解在局部坐标系中的状态。
在以下说明中，未特别提及的附图标记如下。
a：曲柄臂间的初期长度
A：截面积
D：曲柄臂间距离
Def：曲柄偏差
E：纵弹性系数
F：剪切力
G：剪切系数
I：截面惯性矩
J：截面二次极矩(二次極モ一メント)
k：轴承部处的弹簧常数
L：长度
M：弯曲力矩
T：扭矩
θ：曲柄转角
首先，如下述的式子所示，作出以船头侧轴承部中的状态量(变位以及作用力)B为未知数的方程式。在下述式子中，S为节间转移矩阵、P为节点转移矩阵、R为表示船头侧的边界条件的边界矩阵、R’为船尾侧的边界矩阵，分别为已知。
R′S_nsP_ns-1S_ns-1·····P₁S₁RB＝O
上式中的下标ns表示船头侧(Fore)与船尾侧(Aft)的轴端间的轴被其间的轴承部划分的轴的个数。
通过分解所述式子，求出船头侧的状态量B。所述状态量B为以下的说明所示的变位向量q以及力向量Q，以下，以这些状态量作为初期值，反复使用节间转移方程式以及节点转移方程式，求出曲轴整体的状态量。
即，作为全局坐标系中的状态量的变为向量q以及力向量Q，通过下式(1)和下式(2)示出。式中的向量用粗字表示。
(数2)
q＝[d_x d_y d_z φ_x φ_y φ_z]^T     (1)
Q＝[T_x M_y M_z  F_x  F_y  F_z]^T     (2)
(1)式中，d_x、d_y、d_z表示变位、挠曲等，而且φ_x、φ_y、φ_z表示扭转角、挠曲角等，(2)式中，T_x、M_y、M_z表示扭矩、弯曲力矩等，而且F_x、F_y、F_z表示轴力、剪切力等。
另外，作为局部坐标系中的状态量的变为向量q’以及力向量Q’在下式(3)和下式(4)中示出。
(数3)
q′＝[d_x′d_t d_r φ_x′φ_t φ_r]^T      (3)
Q′＝[T_x′M_t M_r  F_x′ F_t  F_r]^T      (4)
同样，(3)式中，d_x’、d_t、d_r表示变位、挠曲等，而且φ_x’、φ_t、φ_r表示扭转角、挠曲角等，(4)式中，T_x′、M_t、M_r表示扭矩、弯曲力矩等，而且F_x’、F_t、F_r表示轴力、剪切力等。
下面，说明转移矩阵法使用的节间转移方程式和节点转移方程式。从船头侧(fore侧，用F的尾标表示)求得船尾侧(aft侧，用A的尾标表示)的状态量的节间转移方程式，用下述(5)式表示。
(5)式中，i表示轴承序号(由轴承部划分的轴的序号)。
(数4)
qQ1iA=f1f2q0A0f1Q0A001iqQ1iF---(5)]]>
其中
f1=10000001000L0010-L0000100000010000001]]>
f2=000-LEA0000-L22EIz0L36EIz00L22EIy000L36EIy-LGJ000000-LEIy000-L22EIy00-LEIz0L22EIz0]]>
接着，把状态量从全局坐标系变换成局部坐标系的座标变换式(转移方程式)，用下式(6)表示。
(数5)
q′Q′1i=g1000g10001qQ1i---(6)]]>
其中
g1=1000000cosθ-sinθ0000sinθcosθ0000001000000cosθ-sinθ0000sinθcosθ]]>
另一方面，把状态量从局部坐标系变换成全局坐标系的座标变换式(转移方程式)，用下式(7)表示。
(数6)
qQ1i=g2000g20001q′Q′1i---(7)]]>
其中
g2=1000000cosθsinθ0000-sinθcosθ0000001000000cosθsinθ0000-sinθcosθ]]>
例如，从轴颈部向曲柄臂的座标变换式(转移方程式)，用下式(8)表示。
(数7)

其中
g3=00-100001000010000000000-1000010000100]]>
另外，从曲柄臂向轴颈部的坐标变换，也使用上式(8)。
另外，从曲柄销向曲柄臂的座标变换式(转移方程式)，用下式(9)表示，从曲柄臂向曲柄销的座标变换式，也使用下式(9)。
(数8)

其中
g4=001000010000-100000000001000010000-100]]>
各个轴承部3中的节点转移方程式，用下式(10)表示。
(数9)
qQ1i+1F=100h11h2001iqQ1iA---(10)]]>
其中
h1=0000000000000000000000000-ky000000-kz000]]>
h₂＝[0 0 0 0 k_yd_y0 k_zd_z0]^T
在上述h₂中的d_z0中代入临时安装高度数据(但是，d_y0固定不变)，而且在所述d_z0中输入由遗传算法(遺伝的アルゴリズム)生成的变更了的新的安装高度数据(但是，d的下标0(ゼロ)表示初期值)。
然后，说明曲轴偏差的计算顺序。在此，当d_x1、d_y1、d_z1为曲柄行程中的船头侧部分的变位量、d_x2、d_y2、d_z2为曲柄行程中的船尾侧部分的变位量，而且a为曲柄行程中的初期长度时，相互邻接的曲柄行程间的距离D用下式(11)表示(但是，d的下标1表示后述的图9的(Sb)位置，同样，下标2表示图9的(Sh)位置)。
(数10)
D=(a+dx2-dx1)2+(dy2-dy1)2+(dz2-dz1)2---(11)]]>
另外，当活塞的上止点(TDC、0度)处的距离为D₀、活塞的下止点(BDC、180度)处的距离为D₁₈₀时，曲轴偏差(Def)用下式(12)表示。
(数11)
Def＝D₀-D₁₈₀    (12)
在此，a的指令(オ一ダ)为10²mm，而且d_x、d_y、d_z的指令为10^-3mm，因此上式(11)可以变形为下式(13)。
(数12)
D-a=2a(dx2-dx1)D+a+(dx2-dx1)2+(dy2-dy1)2+(dz2-dz1)2D+a]]>
=dx2-dx1...(13)]]>
其中
D+a＝2a
(dx2-dx1)2+(dy2-dy1)2+(dz2-dz1)2D+a<<dx2-dx1]]>
因此，曲轴偏差可以用下式(14)求得。
(数13)
Def＝(d_x2-d_x1)₀-(d_x2-d_x1)₁₈₀    (14)
从(14)式可知，曲轴偏差几乎都依存于曲轴轴心方向的变形量。
在此，用图9说明基于上述计算式的曲轴偏差的具体计算顺序。在这里，着眼于一个曲柄行程，当作各部件的每一个的计算工序，按顺序进行说明。
a工序.(Sa)部的轴承部用(5)式的节间转移方程式。
b工序.(Sb)部的弯曲部，把a工序中的(5)式的左边代入(6)式的座标变换式的右边，把此时的(6)式的左边代入(8)式的座标变换式的右边(轴颈部)。
c工序.(Sc)部，把b工序中的(8)式的左边代入(5)式的右边。
d工序.(Sd)部，把c工序中的(5)式的左边代入(9)式的座标变换式的右边。
e工序.(Se)部，把d工序中的(9)式的左边代入(5)式的右边。
f工序.(Sf)部，把e工序中的(5)式的左边，当作(9)式的左边。
g工序.(Sg)部，把f工序中的(9)式的右边(q’Q’1)^T_曲柄臂代入(5)式。
h工序.(Sh)部，把g工序中的(5)式的左边当作(8)式的左边，把此时的(8)式的右边的(q’Q’1)^T_轴颈代入(7)式的座标变换式的右边。
i工序.(Si)部，把h工序中的(7)式的左边，代入(5)式的右边。而且，从某个曲柄行程-1向邻接的曲柄行程-2的(以在(Sj部)表示的支点作为边界)转移，使用(10)式的节点转移方程式，通过把i工序中的(5)式的左边代入(10)式的右边来进行。
这样，作为状态量的q和Q(Q＝0)，通过作为转移方程式的系数的各转移矩阵，从船头侧向船尾侧转移而求得各个变位。当然，在转移的过程中，Q也因(5)式和(10)式的f₁、f₂、h₁、h₂而产生变化。
如上所述，根据实测曲轴偏差与规定的轴承中的实测轴承载荷，求出轴系整体的轴承高度之后，根据所述轴承高度通过计算至少求出配置在发动机中的各个轴承的轴承载荷，而且，求出所述计算轴承载荷，与轴承高度处于基准平面(高度为0的水平面)上的场合的轴承上设置了曲轴等的初期设定状态(也称作比较基准状态)中的基准轴承载荷的载荷差，在所述载荷差超过预先设定的设定范围的场合，在使该轴承高度变化时的载荷差处于预先设定的允许值内的范围，确定轴承高度的修正范围，因而，例如对于设置在船体上的发动机，不论是新造船还是现役航船，都可以正确并且迅速地确定轴承高度的修正量。通常，作为轴承高度的修正方法，是针对求得的轴承高度超过允许范围情况，操作者根据经验确定修正量，而与这样的方法相比，可以正确并且迅速地确定轴承高度的修正量。
在上述实施方式中，作为被动轴系，对中间轴和螺旋桨轴构成的推进轴系的场合进行了说明，但是其它的轴系也可以，例如使泵等旋转的轴系也可以。