船舶主推進裝置軸功率測試方法研究與分析

雷　浩， 袁　強， 金　曉， 徐步藕， 劉　楨

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

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船舶主推進裝置軸功率測試方法研究與分析

雷浩， 袁強， 金曉， 徐步藕， 劉楨

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

對目前較為常用的鋼弦式、應(yīng)變片式和光電式三種軸功率測量方法進行介紹并分析各自系統(tǒng)誤差影響因素，利用變異系數(shù)分析法對用以上三種方法測得的實船數(shù)據(jù)進行分析和比較，并結(jié)合三種儀器的安裝操作過程和應(yīng)用前景得出三種方法各自的優(yōu)缺點。

軸功率鋼弦應(yīng)變片光電式變異系數(shù)法

0　緒論

船舶軸功率的測量是通過測量柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，并輔以數(shù)值計算來實現(xiàn)的。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速測量技術(shù)已能滿足軸功率測量的精度要求，而對于扭矩的測量，雖然測試方法較多，但每種方法各有優(yōu)劣，其在整體性能上弱于轉(zhuǎn)速測量技術(shù)。目前國內(nèi)測量輸出軸扭矩較常用的方法是鋼弦法、應(yīng)變片法和光電法。近年來，許多學(xué)者對這三種方法進行了研究、比較。文獻[1]詳細地介紹了利用電阻應(yīng)變片測量軸功率的原理，并介紹了一套軸功率測試分析系統(tǒng)；文獻[2]系統(tǒng)地對應(yīng)變片式測功儀與鋼弦測功儀進行了誤差分析，并結(jié)合實船測試數(shù)據(jù)進行了比較；文獻[3]對光電式測功儀進行了詳細介紹，并與應(yīng)變片式測功儀進行了對比試驗。

上述文獻有的僅僅介紹了一種軸功率的測量方法，有的只是把常用方法中的兩種進行了分析比較，這樣無法在同一標準下對三種測量方法進行縱向比較。基于此，在對三種方法進行理論分析的基礎(chǔ)上，用所述的三種方法分別對同一艘船舶的三次試航進行了軸功率的測量。通過把測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果與安裝工藝和應(yīng)用前景相結(jié)合，對三種常用的測量方法進行了比較，得出了各自的優(yōu)劣勢，其結(jié)果對實船軸功率測量方法的選擇具有借鑒意義。

1　船舶軸功率測量方法研究

1.1鋼弦式測量原理

鋼弦式扭矩測量儀其工作原理如圖1所示。軸系扭轉(zhuǎn)變形時，能導(dǎo)致固定在中間軸上相距為L的兩個偶合環(huán)1、2上的鋼弦張力發(fā)生變化，這時鋼弦的固有頻率也會隨之變化。鋼弦傳感器能將對應(yīng)的固有頻率轉(zhuǎn)化成電信號，并輸出顯示。根據(jù)鋼弦固有頻率的平方與其所受的應(yīng)力成正比[2]，可以間接測出輸出軸所受扭矩的大小。

圖1　鋼弦式扭矩測量儀

扭矩表達式：

(1)

式中：fLo、fyo為未受扭矩時傳感器拉、壓弦的頻率，Hz；fL、fy為受扭矩時傳感器拉、壓弦頻率，Hz； KL、Ky為扭矩轉(zhuǎn)換常數(shù)。

轉(zhuǎn)速的測量一般采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，其工作原理是安裝在輸出軸上的齒盤在隨軸轉(zhuǎn)動時，會導(dǎo)致磁電式轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)線圈的磁通發(fā)生改變，磁通的變化將產(chǎn)生脈沖信號，這一脈沖信號被傳感器送入接收器后，可得出轉(zhuǎn)速的大小。轉(zhuǎn)速n可由轉(zhuǎn)標周期ΔT求得

(2)

利用已測取的扭矩和轉(zhuǎn)速值，計算某一工況下船舶的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，根據(jù)以下公式，即可求出軸功率。

(3)

1.2應(yīng)變片式測量原理

電阻應(yīng)變片測量扭矩的工作原理如圖2所示，以全橋方式連接的電阻應(yīng)變片粘貼在被測軸上，當軸轉(zhuǎn)動時，貼片部位的扭矩會使應(yīng)變片內(nèi)的金屬導(dǎo)體發(fā)生形變，從而導(dǎo)致電阻阻值發(fā)生變化。其電阻阻值的相對變化量與其應(yīng)變成比例關(guān)系。

(4)

圖2　應(yīng)變片式扭矩測量儀

若選取圖2中的AC作為激勵輸入端(假設(shè)激勵電壓為U)，BD作為測量輸出端，當貼片部位存在扭矩時，金屬導(dǎo)體的電阻因形變發(fā)生變化，導(dǎo)致電橋失去平衡，此時測量輸出端會有輸出電壓。輸出電壓的表達式為

(5)

在被測軸表面粘貼與軸線成45°或135°的電阻應(yīng)變片，當應(yīng)變片內(nèi)的金屬導(dǎo)體在扭矩的作用下發(fā)生形變時，電阻應(yīng)變片將產(chǎn)生應(yīng)變信號，應(yīng)變信號通過電壓的形式輸出。此時可計算出輸出軸的扭矩為Ttq=ΔE·TFS。計算公式如下：

(6)

式中：TFS為滿量程扭矩；VFS為滿量程電壓；E為彈性模量，E=206.8×103MPa；Do為轉(zhuǎn)軸的外徑尺寸，mm；Di為轉(zhuǎn)軸的內(nèi)徑尺寸，mm；VEXC為激勵電壓，V；GF為應(yīng)變因子；N為電橋的橋臂數(shù)；v為軸系材料的泊松比；GXMT為扭矩測量儀的發(fā)射機增益。

轉(zhuǎn)速n的測量與鋼弦式測功儀測量轉(zhuǎn)速的方法一樣。利用已測取的扭矩和轉(zhuǎn)速值，計算某一工況下船舶的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，根據(jù)以下公式，即可求出軸功率。

(7)

1.3光電式測量原理

本文研究的光電式軸功率測量系統(tǒng)的工作原理是安裝在光電碼盤下方的兩個光電開關(guān)傳感器可以將遮光齒或通光孔產(chǎn)生的脈沖信號轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的電壓信號，根據(jù)兩路電壓信號的相位差Δθ與扭轉(zhuǎn)角θ成正比例關(guān)系可得出被測軸的扭轉(zhuǎn)角θ，從而求出被測軸的扭矩值。經(jīng)過簡化計算，可得扭矩：

(8)

式中: Z為光電碼盤的齒數(shù)；L為兩光電碼盤之間的距離， m；G為材料的剪切彈性模量， Pa。

光電式軸功率測量系統(tǒng)在測量轉(zhuǎn)速時不需要使用轉(zhuǎn)速傳感器。其工作原理是，光電碼盤隨軸轉(zhuǎn)動一圈時，光電傳感器接收的脈沖信號的數(shù)目是一定的。因此可以用一個定時器記錄下光電碼盤轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)時相應(yīng)的脈沖信號所對應(yīng)的時間，從而計算出轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)速計算公式如下：

(9)

式中：n為彈性軸的轉(zhuǎn)速，r/min；f為傳感器輸出信號的頻率，Hz；Z為光電碼盤的齒數(shù)。

利用已測取的扭矩和轉(zhuǎn)速值，計算某一工況下船舶的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，根據(jù)以下公式，即可求出軸功率。

(10)

2　系統(tǒng)誤差分析

影響上述三種軸功率測試方法精度的因素有很多，針對每種方法中對精度影響較強的因素進行分析，并提出減小誤差的方法，為保證實船測試數(shù)據(jù)的準確性提供了理論依據(jù)。

當鋼弦的初始應(yīng)力δ較大，而應(yīng)力變化量Δδ很小時，認為Δδ隨頻率變化近似成線性關(guān)系[2]。此時的相對非線性誤差為

(11)

當用兩根鋼弦組成差動形式后，其非線性誤差變?yōu)?/p>

(12)

比較上述兩式發(fā)現(xiàn)，把鋼弦組成差對形式后，系統(tǒng)誤差會減為原來的一半。

2.2應(yīng)變片式系統(tǒng)誤差分析

理論上應(yīng)變片粘貼時應(yīng)與輸出軸的軸線成45°或135°，而實際操作時，很難保證貼片角度的精確性。

若在被測軸上任一點處的三個不同方向上貼上應(yīng)變片，由材料力學(xué)的知識可知，其任一方向上的應(yīng)變值為

(13)

式中：φ0為主應(yīng)變軸與x方向的夾角；β=φ+φ0為主應(yīng)變軸與主應(yīng)變片軸線的夾角。

農(nóng)村的教育體系比較落后，學(xué)校教育和家庭教育相對于城市里來說，也存在一定的差距，所以需要雙面提高要想使班級具有很強的凝聚力，教師善于建造平等和諧的班級，建立平等的師生關(guān)系。首先，必須尊重學(xué)生。尊重學(xué)生要以信任學(xué)生和理解學(xué)生為前提，將學(xué)生看作是一個平等的對象來看待。古人韓愈就有“弟子不必不如師，師不必賢于弟子，聞道有先后，術(shù)業(yè)有專攻，如是而已”的說法。其次，教師關(guān)心學(xué)生不應(yīng)表現(xiàn)在語言上，更重要的是要落實到行動上。從小事做起，從點滴做起，使學(xué)生無時無刻不感受到教師的關(guān)心與愛護。

實際操作時，由于質(zhì)檢員會有意地注意到這點，故貼片的角度偏差一般都較小。經(jīng)簡化后可得應(yīng)變誤差為

(14)

2.3光電非接觸式系統(tǒng)誤差分析

在研究光電式軸功率測量系統(tǒng)中，用來計量時間間隔T內(nèi)高頻脈沖個數(shù)N的儀器是FPGA內(nèi)部的計數(shù)器。其在計數(shù)過程中，因無法保證閘門開閉時間與被計數(shù)脈沖周期TA始終成整數(shù)倍，故計數(shù)結(jié)果會出現(xiàn)量化誤差[3]。計數(shù)器的計數(shù)原理表達式為

(15)

假設(shè)閘門開啟的時間在某個計數(shù)脈沖出現(xiàn)前Δt1的時間，閘門關(guān)閉時間在下一個計數(shù)脈沖出現(xiàn)前Δt2的時間，若計數(shù)器的計數(shù)誤差為ΔN，根據(jù)閘門開閉與脈沖的時間關(guān)系有

(16)

為減小計數(shù)器的計數(shù)誤差，文獻[3]提出了采用倍頻法來解決這一問題。當輸出時鐘的頻率提高到輸入時鐘頻率的四倍時，系統(tǒng)誤差可降低為原來的四分之一[3]。

3　實船測試及試驗數(shù)據(jù)分析

3.1測試條件

通過對某57 000 DWT散貨船3次船舶試航進行測量，每次試航都采用一種不同的軸功率測量方法，3次試航都測試同一艘船舶，在東海同片海域，且盡量相同的環(huán)境條件下進行測量。根據(jù)試航大綱的要求，對主機負載50%，75%，90%和 100%四種工況下的軸功率進行了測量。

3.2安裝工藝

試航前，先將中間軸的被測位置進行必要的清潔處理，然后用砂紙打磨至平整光滑。

第一次試航時，選用鋼弦式測功儀對中間軸功率進行測量。安裝鋼弦式測功儀時，先將兩個偶合環(huán)固定到被測位置上，然后安裝并調(diào)節(jié)鋼弦傳感器，最后安裝磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，并連接綁定好儀器的導(dǎo)線。根據(jù)本文對鋼弦測功儀的系統(tǒng)誤差分析，測量時鋼弦傳感器采用差動形式來降低系統(tǒng)誤差。

第二次試航時，采用某日本進口的應(yīng)變片對扭矩進行測量，轉(zhuǎn)速的測量仍采用第一次試航時的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。為了控制試驗的單一變量，測試時將轉(zhuǎn)速傳感器拆下后重新安裝。安裝應(yīng)變片時，先用丙酮對被測位置進行二次清理，然后用502膠水將應(yīng)變片粘貼至被測部位，最后連接綁定好各儀器的導(dǎo)線。貼片時已盡量保證0°方向的應(yīng)變片與主應(yīng)變方向重合。

第三次試航時，采用本文研究的光電式軸功率測量系統(tǒng)進行測量。安裝此系統(tǒng)時，先將兩個碼盤固定在被測位置，然后安裝并調(diào)節(jié)光電開關(guān)傳感器，最后連接綁定好各儀器的導(dǎo)線。根據(jù)本文對此系統(tǒng)的誤差分析，測量前已調(diào)節(jié)輸出時鐘的頻率為輸入時鐘頻率的四倍。

3.3試驗結(jié)果

本試驗中，對主機在4個負荷下進行采集，每個負荷下進行往返兩個試驗測量，每個試驗采集50個數(shù)據(jù)，并取平均值。由于采集的數(shù)據(jù)相對較多，故把采集到的軸功率平均值以折線圖的形式呈現(xiàn)出來，各負荷下主機軸功率，如圖4～圖7所示。

圖4　主機負荷50%工況下軸功率波動圖

圖5　主機負荷75%工況下軸功率波動圖

圖6　主機負荷90%工況下軸功率波動圖

圖7　主機負荷100%工況下軸功率波動圖

為了更好地比較三種方法的測試結(jié)果，我們用變異系數(shù)來分析測量數(shù)據(jù)。計算結(jié)果如表1所示。

3.4結(jié)果分析及討論

為了將三種常用的軸功率測量方法在統(tǒng)一標準下進行縱向比較，我們通過三次試航進行了對比試驗。從四種工況下的軸功率波動對比圖中可以看出三種測量方法所得數(shù)據(jù)點的波動情況，鋼弦法的測試數(shù)據(jù)波動最小。表1的計算結(jié)果表明，在四種工況下，應(yīng)變法測得數(shù)據(jù)的平均值最接近理論真值，其他兩種的偏差相對較大，但鋼弦法所得數(shù)據(jù)的變異系數(shù)最小，進一步證明了其測量結(jié)果最穩(wěn)定。應(yīng)變法所得數(shù)據(jù)的平均值比鋼弦法更接近理論值，個人認為這一結(jié)果與安裝工藝有關(guān)。鋼弦法的安裝工藝比應(yīng)變法復(fù)雜很多，難免會使機械誤差偏大，影響測量精度。

表1　船舶軸功率數(shù)據(jù)的均值、標準差、變異系數(shù)對比

4　結(jié)語

通過理論分析與實驗對比相結(jié)合，將目前國內(nèi)較常用的三種船舶軸功率測量方法進行了比較。分別從測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及精度、安裝工藝、應(yīng)用前景這三個角度，分析得出三種方法的優(yōu)缺點。

(1) 從測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及精度的角度來看，鋼弦法測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對其他兩種具有較明顯的優(yōu)勢，但其測量精度稍遜于光電法。

(2) 從安裝工藝的角度來講，應(yīng)變片法具有測量尺寸小，安裝方便的優(yōu)點；鋼弦法和光電法的測量儀器相對較大，安裝步驟也比較繁瑣。

(3) 從應(yīng)用前景的角度來看，光電法可以集合扭矩與轉(zhuǎn)速測量于一體，并且能實現(xiàn)“無接觸測量”，在提高其測量精度與穩(wěn)定性的前提下，其應(yīng)用前景更開闊。

本文的研究結(jié)果對船檢部門在選擇軸功率測量方法時具有參考意義，同時還論述了各種方法的優(yōu)劣缺點，為后一步的研究工作指明了方向。然而在本次試驗中，安裝工藝的機械誤差對測量結(jié)果的可靠性產(chǎn)生了一定的影響，下一步的研究中可以將如何降低安裝工藝導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差包括在內(nèi)。

[1]彭云霞,周瑞平,吳興星. 基于串口通訊的船舶軸功率測試分析系統(tǒng)開發(fā)研究 [J].中國修船,2010(4):32-34.

[2]陳凱. 船舶軸功率測量方法比較及誤差分析 [D].武漢：武漢理工大學(xué),2010.

[3]李利瑤. 船舶軸功率測量系統(tǒng)的誤差分析與應(yīng)用研究 [D]. 武漢：武漢理工大學(xué),2012.

Research and Analysis of Ship Shaft Power Measurement

LEI Hao, YUAN Qiang, JING Xiao, XU Bu-ou, LIU Zhen

(School of Maritime and Civil Engineering, Zhejiang Ocean University,Zhoushan Zhejiang 316022, China)

The commonly used measuring instruments of shaft power include vibrating-wire, strain gauge and photoelectric was introduced. And major factors which have influence on degree of accuracy were analyzed. Besides,experimental data measured by variation coefficient for three methods was analyzed and compared. The advantages and disadvantages of the three methods were obtained through the installation operation process and application prospect.

Shaft powerVibrating-wireStrain gaugePhotoelectricVariation coefficient

浙江省自然科學(xué)基金一般項目(LY16E090003)；浙江省教育廳項目(Y201121736)；舟山市科技局項目(2013C41011)；舟山市科技局項目(2015C41009)。

雷浩(1996-)，男，本科，專業(yè)為輪機工程。

U664

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