基于LabVIEW平臺的軸功率測試系統的開發和應用

徐賽軍 黃偉庭

摘 要：本文闡述了基于LabVIEW平臺的軸功率測試系統的開發與應用，簡述了軸功率測試系統的主要功能和技術指標、組成、測量原理。并通過臺架與水力測功器對比測試，驗證了測試系統的準確性和可靠性，對判斷柴油機的性能及故障分析具有重要的意義。

關鍵詞：軸功率；LabVIEW；應變片

中圖分類號：U664.2 文獻標識碼：A

Abstract： This paper describes the development and application of the axial power test system based on LabVIEW platform. The main function and technical index， composition and measuring principle of shaft power test system are introduced. By comparing test with hydraulic dynamometer， the accuracy and reliability of the test system are verified， which is of great significance to judge the performance and fault analysis of diesel engine.

Key words： Shaft power； LabVIEW； Strain gauge

1 前言

在柴油機試驗臺架上通過水力測功器能夠方便地測量柴油機的功率，但在實船上由于受到條件的限制測量柴油機功率往往十分困難。但是柴油機功率的測量又必不可少，比如在柴油機大修后需測定其有效功率，驗證船舶船、機、槳的匹配情況也需要測量柴油機功率。軸功率是通過對扭矩與轉速的測量計算得出。我司從美國購買了一套扭矩應變遙測系統，并利用NI Labview軟件開發平臺成功開發了軸功率測試系統。

2 軸功率測試系統軟件開發

2.1 測試系統的元器件及技術參數

見表1。

2.2 測試系統的測量原理

柴油機功率輸出軸截面上兩個最大主應力與軸線成45°和135°夾角，主應力可通過將電阻應變片固定在被測功率輸出軸的表面上，當功率輸出軸受到扭轉變形時，電阻應變片的電阻值發生相應的變化。通過電阻變化測量裝置，可測定出電阻應變片電阻值的變化，換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電信號（電壓或電流），通過公式轉換成為應力大小。

柴油機的功率輸出是有一定周期性的，因此功率輸出軸所受的應力也是有一定周期性的。根據應力的變化頻率，通過一定的分析轉換即可得出柴油機的相應轉速。

對于柴油機功率輸出軸，只要測得其扭矩T與轉速n，就可很容易根據下列公式計算得到功率Ne：

2.3 測試系統的組成和功能

測量系統組成包括轉速和扭矩數據測量與采集系統、數據處理與儲存系統兩大部分（見圖1）。

（1）轉速和扭矩數據測量與采集系統

轉速和扭矩數據測量與采集系統采用BINSFELD公司的TT10K應變遙測系統和維斯通電橋式應變片組成，TT10K應變遙測系統主要由TX10K發射器、RX10K接收機、BH10K電池盒、接收機天線、RM10K遙控單元等組成。

TX10K-S發射器為應變片提供激勵電壓，并將應變片的電阻變化信號轉變為電信號并放大轉變成模擬信號發射出去。

RX10K接收機通過接收機天線單元將接收到的信號轉變成電信號后轉換后放大顯示出來和傳輸到計算機中。

因為最大主應力與軸線成45°和135°夾角，采用維斯通電橋式應變片（各電阻的夾角為45°）可提高測量的精確度。

（2）數據處理與儲存系統

通過計算機中的測試軟件對上述采集數據信號進行轉換與計算，并進行儲存。測量系統的軟件部分由LabVIEW軟件編寫。LabVIEW 是一種用圖表代替文本進行創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了程序的執行順序，它用圖標表示函數，用連線表示數據流向。LabVIEW 提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。

系統測試界面直接顯示轉速、扭矩及功率，并可對上述數據進行存盤，存盤的數據還可以用Excel形式導出。系統還有數據更新、有誤及保存的提示，也可以直接讀出整個測試過程平均扭矩及相應轉速的變化曲線圖。

2.4 測試系統與水力測功器的測試結果對比

見表2。

軸功率測試系統在我司柴油機實驗臺架上進行測試，測試過程正常，測量結果與水力測功器顯示數據偏差<+1%。表2為本測試系統結果與水力測功器測試結果的對比。

2.5 測試系統與其它測量方法對比

見表3。

與其它軸功率測量方法對比，軸功率測試系統具有安裝方便、無需另外加工輔助工裝、精確度高、扭矩與轉速完全同步、自動溫度補償等優點。

3 軸功率測試系統在實船測試上的應用

某挖泥船柴油機（額定轉速為525 r/min）裝船后帶泵運行時發現柴油機排溫過高，轉速加至480 r/min時就出現柴油機頂油門現象，無法開至額定轉速。為此，利用軸功率測試系統對柴油機進行了軸功率測試，實測功率比標定功率偏高約+14%（見圖2），所配泥泵的扭矩過大，至使柴油機工作于外特性區，無法開至額定轉速。針對測量結果，用戶對泥泵進行修改后，柴油機的運行情況良好。

4 結束語

本套軸功率測試系統的儀器尺寸小、重量輕、安裝方便、測量精度高，可以在各種比較復雜或惡劣的環境中進行測量；測得的信號可以直接輸入電子計算機進行數據處理。因此整套系統具有較高的準確性、實用性和經濟性。

參考文獻

[1] 魯景正主編.船用柴油機設計手冊（第七分冊）[M].國防工業出版社.1982.

[2] 徐灝主編.機械設計手冊（第一卷）[M].機械工業出版社， 1998.