WHM6160MC756-5柴油機軸功率測試及節能優化

姜 彭，張 超，王攀峰

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

越南近岸地區漁業資源豐富，漁船市場潛力巨大，吸引了各大主機廠商前來競爭。不少品牌二手船機性價比高，在當地市場已占有相當大的份額，但也存在著可靠性差、油耗高、功率虛標等問題。此外，油價的攀升促使船東越來越傾向于選擇物美價廉的中國品牌主機來裝船，因而濰柴WHM6160MC756-5機型市場占有率近年來不斷攀升。本文通過對越南義安省匹配該機型的23 m拖網漁船進行軸功率及扭矩數據采集，分析該船機槳匹配情況，結合主機萬有特性提出了節油新思路，為WHM6160MC756-5機型更好地適應并占領義安市場提供了理論指導。

1 測試船信息

23 m拖網漁船為越南義安省拖網漁船，建造材質為木質，作業區域為近海，船齡2個月。其主要參數如下：總長23.2 m，型寬5.5 m，型深2.3 m，設計吃水1.64 m，設計航速7 kn。該船匹配1臺WHM6160MC756-5(功率556 kW，轉速1 500 r/min)柴油機，齒輪箱為前進J450，速比9，螺旋槳為直徑2.8 m的4葉銅合金槳。

2 測試設備概況

2.1 扭矩測試系統

本文采用的是DH5905扭矩測試設備，能夠無線傳輸采集數據，特別適合采集旋轉件的應力應變[1]。本設備包括D-Link路由器、應變片、無線扭矩采集模塊、電烙鐵套裝、電源模塊、光電轉速傳感器、轉速測量模塊等部件，其中：無線扭矩采集模塊將應變量采集后通過無線傳輸至路由器，其所測量的值會在電腦上實時顯示和存儲。該采集設備組成情況見圖1。

圖1 DH5905扭矩采集設備

2.2 設備的安裝及調試

測試設備安裝在該船的艉軸上。首先選出艉軸某端面，處理完油污和銹跡后，依次用粗砂紙與細砂紙呈45°交叉紋進行打磨，并用酒精擦拭打磨好的面。需要注意的是，打磨面盡量光滑，表面不許有坑洼；然后沿與軸線平行的方向粘貼應變片并用電烙鐵將應變片引線通過半橋接線方式與無線扭矩采集模塊進行焊接；最后安裝光電轉速傳感器。為了防止軸表面光反射對測量產生影響，需在貼反光條軸面位置處用黑色電工膠帶纏繞包裹。此外，為了電源模塊、扭矩采集模塊的固定和防水，需要將其用膠帶捆綁和覆蓋。安裝好的采集設備見圖2。

2.3 測試參數設置

模擬通道采樣頻率設為20 Hz，測試類型設為應變壓力，橋路方式設為方式4，橋壓設為3 V。轉速模塊每轉脈沖數設置為1，即艉軸每旋轉1周，觸發光電傳感器記錄1次，從而可以測量出當前軸轉速[2]。然后點擊平衡清零進行校準。輸入軸直徑0.123 5 m、彈性模量206 GPa、泊松比0.28，由此可以把采集的應變值轉換成相應的軸扭矩值[3]。

3 工況數據采集

3.1 運行工況記錄

本次實船扭矩采集總時長為864 min，共進行2次拖網作業，拖網時長為569 min，具體采集記錄明細如下：

前往漁區

17:14-18:28

放網

18:55-19:07

拖網

19:08-23:07

收放網

23:10-23:45

拖網

23:49-5:18

收網

5:31-6:27

返航

6:28-8:16

由于該設備每秒采集20個數據點，本文應用求取平均值的方法來計算每分鐘時刻下的主機轉速和扭矩，進而計算出功率并進行分析。

前往漁區：此工況占總時間的9%。主機常用轉速為995 r/min，平均輸出功率為157 kW，平均航速為7 kn。

放網工況：此工況占總時間的3%。為了保持航速和網具的投放速度相統一，脫合排頻繁，主機突加扭矩最大為968.6 N·m。

拖網工況：此工況占總時間的66%。柴油機工作穩定，轉速為900～1 000 r/min，扭矩為1 000～1 400 N·m，此時航速約為4 kn。

收網工況：此工況占總時間的10%，此工況柴油機處于怠速狀態。

返航工況：此工況占總時間的12%。主機轉速在936.9 r/min左右，扭矩為1 400～1 430 N·m，平均輸出功率為140 kW，平均航速為7 kn。

3.2 機槳匹配情況分析

根據采集的測試數據，前往漁區、返航和拖網工況主機轉速為900～1 000 r/min；在放網和收網工況下，主機常怠速或正倒車切換，主機的平均轉速約為550 r/min。此外，各工況功率分布點均在主機外特性線以下，故主機不會超負荷且工作環境良好；功率點均勻分布在主機推進特性線兩側，故所配槳較為合理。具體工況點的分布情況見圖3。

4 柴油機節能優化

4.1 采集數據的統計

將采集的工況數據進行整理，各轉速(r/min)-扭矩(N·m)段所占比例見表1。

收放網工況主機平均轉速為550 r/min，返航、拖網和部分前往漁區工況的主機平均轉速為950 r/min，前往漁區工況的主機平均轉速為1 050 r/min。其中，氣泡面積越大說明主機在此工況工作的時間越長。

4.2 節能優化方法

經加權平均，可以計算得出返航、拖網和前往漁區工況的平均油耗率約為200.03 g/kWh。由于這幾個工況占漁船作業時間的63.6%，故可以作為重點分析對象，改善此工況段的油耗率可以產生明顯的節油效果，即如果能調整WHM6160MC756-5柴油機的輸出特性，讓此工況段沿著等功率線向左上方移動，就會降低燃油消耗率。具體工況點與主機萬有特性曲線見圖4。

經計算，當等效工況點沿等功率曲線移動到平均轉速為800 r/min時，對應的加權平均油耗率為194.2 g/kWh。由于漁船返航、拖網和前往漁區工況的平均主機功率為145 kW，每航次運行總時間為715 min，且每噸燃油為1 190 L，故可以計算出每個航次大約節油11.93 L。

表1 轉速-扭矩段占比統計表 單位：%

5 結論

通過對采集的數據進行平均化處理，并結合主機萬有特性曲線，本文提出了在功率不變的情況下通過改變主機輸出轉速來降低燃油消耗率的方法。經估算，每個打魚周期(每天)可節油約11.93 L。

此外，由于本文采用求取平均值的方法來統計每分鐘采集的主機轉速和扭矩以及應用加權平均法來估算等效工況點的燃油消耗率，不能完全反映主機的真實工作狀態，因而分析結果會有些許偏差。若按此節油方法新開發的機型投放該市場后，可以繼續通過實船軸功率、扭矩采集來分析不同漁船的工作情況以及提出適應不同船型的節油方案。

圖4 主機萬有特性曲線和主要工況氣泡關系圖