船舶轴系轴功率测试仪的研制_余永华

第19卷 第6期2006年12月

中国修船

CHINASHIPREPAIR

Vo.l19No.6Dec.2006

技术交流

船舶轴系轴功率测试仪的研制

余永华,朱继军,杨建国

(武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430063)

摘要:文章介绍一种船舶轴系轴功率测试仪的原理和结构,轴功率测试仪采用了遥测应变测量技术,可动态测量轴系的轴功率。试验验证表明,轴功率测试仪的测量精度满足实船轴功率测量的技术要求。

关键词:轴功率;扭矩;测试仪

中图分类号:

TK421 文献标识码:A 文章编号:1001-8328(2006)06-0008-03

Abstract:Aprincipleandstructureofmeasurementinstrumentformarineaxialsystemisintroduced.Remotestrainmeasurementtechnologyisusedintheinstrumentandtheinstantaneouspowerofmarinepoweroftheaxialsystemcanbemeasured.Itsaccuracyisverifiedintheexperimentation.

Keywords:axialpower;

torque;measurementinstrument

磁电式转速传感器、扭矩测量仪、信号调理设备(含数据采集卡)和便携电脑组成。电阻式应变片

采用了适于工业现场的日本进口防水型应变片,固定在被测轴上的应变片以全桥方式与扭矩遥测仪的发射端相连,将轴的扭矩信号转化为相应的电信号传送给扭矩遥测仪的发射端,由发射装置以特定频率的无线电波方式向外发送,扭矩仪接收端在一定的距离内接收无线电波信号,并将其转化为相应的电信号以信号差分的输入方式输入到信号调理设备。采用磁电式转速传感器测量船舶轴系的平均转速,采用自主开发的PTI型2通道信号调理器,它可采集轴系的转速和扭矩信号,信号调理器具有体积小、易携带、安装使用方便、抗干扰能力强和USB端口直接供电等特点,每通道的采样率最高可达到20K/s,其采集模块为美国NI公司便携式高性能数据采集模块,轴功率测试仪的硬件连接框图如图1所示。

测试仪的软件主要由数据采集、信号处理、数据管理和报表生成等4个模块组成,软件的流程如图2所示。

船舶轴系轴功率是船舶柴油机及其动力装置最重要的性能参数。在新船出厂或船体改造交付船东时船舶轴系轴功率是主要的测量参数,它也是监测船舶柴油机及其动力装置工作状态的主要参数。目前船舶轴系轴功率测量主要使用振弦式功率测试仪,其测量原理是间接测量轴系的输出扭矩和转速得到轴系的功率,这种测试仪的体积较大,安装繁琐,测量易受到环境因素的影响。因此研制操作方便、性能可靠、满足动态测量精度要求的便携式船舶轴系轴功率测试仪已成为重要的研究课题。本文介绍的船舶轴系轴功率测试仪采用了遥测应变技术测量轴的扭矩,在虚拟仪器开发平台Labview上开发了相应的应用软件,轴功率测试仪具有测量船舶轴系扭矩、转速和轴功率的功能,测量精度满足工程测量的精度要求。轴功率测试仪还应用了数据库管理测量分析数据,为船舶轴系轴功率的测量与分析提供了技术手段。

[1]

1 测试仪组成

船舶轴系轴功率测试仪硬件由电阻式应变片、

作者简介:余永华(1975-),男,江西九江人,讲师,博士,主要从事柴油机状态监测与故障诊断方面的研究。

#

2006年第6期余永华,等:船舶轴系轴功率测试仪的研制第19卷

两边取自然对数且微分有:=++RlS公式(2)简化后得:=(1+2L)=KE,Rl

式中:R为导体电阻值;Q为导体电阻率;

(3)l为导(2)

体长度;S为导体截面积;L为金属材料泊松比;K为应变片灵敏系数(K=1+2L);E为应变(E

图1

功率测试仪的硬件连接框图

=

$l)。l

(2)电阻应变的全桥测量。采用全桥电路将

测得的应变片阻值的变化转换为电压信号连接扭矩测试仪输出端。将电阻应变片以全桥方式粘贴在船舶轴系上(R1=R2=R3=R4=R),应变片粘贴方式与电桥电路如图3所示。选取A、C作为激励输入端,再测量B、D端的电压输出。无外载荷作用时电桥平衡,输出端无电压输出。轴系受到外力作用而产生扭矩时,相邻桥臂的电阻应变片一边受

图2 测试仪的软件流程图

拉,

而另一边受压。

(1)数据采集模块。确定测量参数设置(如采样频率、采样点数、触发方式和触发电平等),它完成船舶轴系扭矩信号与转速信号的采集,将转速与扭矩的模拟信号转换为数字信号。

(2)信号处理模块。分析处理扭矩和转速信号,以提取特征信息和有效值,通过一定的算法处理计算船舶轴系的轴功率。

(3)数据管理模块。采用了SQL2000数据库将测量结果进行管理。实现扭矩、转速和功率的存储、数据查询的功能。

(4)报表生成模块。报表生成模块可将分析结果、测试信息以及备注等相关内容直接生成工程测试报告文件(word或html格式)。

图3 应变片粘贴方式与电桥电路

受拉伸的电阻应变片阻值增大,受压缩的电阻应变片阻值减小,致使电桥失去平衡,此时测量输出端有电压输出。

R1$R2$R3$R4U$

$E=,-+-4R1R2R3R4

UK

E1-E2+E3-E4,4

对于此时全桥应变有:$E=$E=UKE。

(4)(5)(6)

2 基本原理

2.1 柴油机扭矩测量

(1)电阻应变片工作原理。常见的应变片为电阻式敏感元件,当被测构件受到外力作用发生变形时,用粘结剂贴于构件上的电阻应变片亦产生变形,从而引起电阻应变片电阻值的变化。

R=S

(1)

扭矩遥测仪主要由发射端与接收机组成。发射端直接绑定在被测轴上,随工作轴一同旋转,测量得到的电压数据经FM调制器发射,接收端接收并再调制模拟信号输出。发射端可在6m范围内传递测试轴所受的扭矩。接收端接收发射端传输的信号并放大输出电压信号,电压信号与测试轴的扭矩成

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2006年第6期

中国修船

第19卷

正比,且有以下关系式:

TFS=

P#E#(D-D)

,

KGF#8000#(1+T)#GXMT#D0

40

4i

同时测量柴油机的轴功率。测量柴油机负载在

(7)

25%,50%,75%,90%和100%5种工况下的输出轴功率,试验结果如表1所示。

表1 水力测功器与轴功率测试仪测量结果的比较

使用设备轴功率测试仪水力测功器

柴油机转速(r/min)15001500

测量的柴油机功率(kW)25%13.61.10

50%28.10.60

75%40.23.00

90%52.42.00

100%58.21.20

13.4527.9241.4351.3357.48

式中:E为弹性模量(206.8GPa);GXMT为应变仪

增益;KGF为应变片灵敏系数;T为泊松比;TFS为电压扭矩(N#m/V);D0为轴外径尺寸(mm)。

可求得柴油机扭矩为:Ttq=$E#TFS。2.2 柴油机转速测量

磁电式测速传感器将被测轴的转速变换为电脉冲信号。设采集卡采样率为fs,采样点间时间间隔$t=1/fs,设在一段时间内,记录了m个峰值信号,中间共有k个采样点,可得到船舶轴系的转速:

n=60#fs(m-1)/k(r/min)。2.3 柴油机功率测量

和转速n,可计算轴功率Pc(kW):

Pc=Ttqn/9550。

(9)(8)

相对误差(%)

试验结果表明:船舶轴系轴功率测量仪与水力测功器测试结果的相对误差在5%以内,满足轴功率测量精度的技术要求。

4 结论

(1)基于Labview的全角虚拟仪器具有设计开发直观简单、硬件支持结构开发、分析方法功能强等特点,是智能测量仪器的发展趋势。

(2)研制的轴功率测试仪设计合理,具有精度高、使用简便等特点,可用于实船在复杂工况下动态测量轴系的轴功率,具备较高的实用价值。

(3)轴功率测试仪适用于对各种输出轴的平均转速,输出扭矩以及有效功率进行测量。

参考文献

[1]侯国屏,王昆.

Labview7.1编程与虚拟仪器设计

2005.

测得了某一工况下的船舶轴系的输出转矩Ttq

(10)

3 测试仪试验验证

为了考核所研制的轴功率测试仪的准确性,在实验室对轴功率测试仪进行了试验考核。试验台架由4135Caf型柴油机、轴系和水力测功器组成。柴油机的额定功率56kW,标定转速1500r/min,缸径135mm,行程140mm。

按柴油机的负荷特性进行试验,柴油机转速为1500r/min,分别使用水力测功器与轴功率测试仪(上接第7页)

[M].北京:清华大学出版社,华大学出版社,1999.

[2]张如一,沈观林.应变电测与传感器[M].北京:清[3]张敬国.轮机工程测试技术[M].武汉:华中理工

大学出版社,1999.

收稿日期:

2006-06

不同的工作岗位也有不同的特殊情况,这就要求使修船企业安全教育的规范性与针对性相统一。同时,安全教育的系统化和规范化要服从于修船企业安全生产这个大局,在适应上动脑筋、下功夫,努力摸索、寻找最佳/结合点0。

4.3 修船企业安全教育系统化和规范化对安技干

部提出了更高的要求

安技干部要努力用安全科技知识充实自己,做到/给人一滴水,我有一桶水0;同时要善于总结经验,把在实践中得出是行之有效的东西,上升为理论,从而再去指导实践;还要努力学习教育学的知识,认真研究安全教育的方式、方法,准备好教材。收稿日期:2006-05

4 实行修船企业安全教育系统化、规范化

应注意的问题

4.1 要处理好系统教育与/三级0安全教育及/四

不放过0教育的关系

/三级0安全教育及/四不放过0教育是系统教育的重要组成部分。/四不放过0教育,必须同时充分利用系统教育的理论和知识,分析事故原因,采取防止事故重复发生的措施。

4.2 要处理好系统化、规范化与修船企业安全工作

特殊性的关系

修船企业不同于一般企业,不同的修船企业、