船舶軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件研發(fā)

龐勝利，李日財(cái)，付世偉，郭茹俠

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安　710121；2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安　710121；3.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安　710061)

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船舶軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件研發(fā)

龐勝利1，李日財(cái)1，付世偉2，郭茹俠3

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安710121；2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安710121；3.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安710061)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)船舶雙推進(jìn)軸系軸功率及扭振應(yīng)力的動(dòng)態(tài)測(cè)量，開發(fā)設(shè)計(jì)了軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件，描述了軸功率及扭振應(yīng)力測(cè)量的基本原理及所需設(shè)備，測(cè)量軟件通過(guò)對(duì)船舶推進(jìn)軸系的扭矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集和計(jì)算轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)計(jì)算出軸功率及扭振應(yīng)力，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)扭矩，轉(zhuǎn)速，軸功率即扭振應(yīng)力；同時(shí)根據(jù)測(cè)量圈數(shù)對(duì)扭振應(yīng)力進(jìn)行頻域分析，通過(guò)數(shù)據(jù)回放功能能夠選擇指定測(cè)量文件進(jìn)行回放觀察；最后，實(shí)船測(cè)試表明，該系統(tǒng)測(cè)試精確度高，軸功率與扭振應(yīng)力分析結(jié)果顯示直觀，滿足了船舶雙推進(jìn)軸系軸功率與扭振應(yīng)力分析的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：船舶軸系；軸功率；扭振應(yīng)力

0引言

軸功率是船用柴油機(jī)及其動(dòng)力裝置最重要的性能參數(shù)之一，可通過(guò)間接測(cè)量軸系的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速得到[1]。在新船出場(chǎng)交付或在船舶動(dòng)力裝置修理后，都需要進(jìn)行實(shí)船測(cè)試并測(cè)定其有效功率。此外，在船舶運(yùn)行過(guò)程檢測(cè)機(jī)組工況及故障診斷時(shí)，也要進(jìn)行軸功率測(cè)量。

本文基于Delphi，利用其面向?qū)ο笠子陂_發(fā)、第三方控件成熟眾多可完成各類界面美化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，進(jìn)行軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件系統(tǒng)的開發(fā)，通過(guò)對(duì)船舶推進(jìn)軸系的扭矩、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集和分析處理，實(shí)現(xiàn)了軸功率與扭振應(yīng)力的實(shí)時(shí)測(cè)量分析。不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)文件，還能夠通過(guò)數(shù)據(jù)回放功能選擇指定測(cè)量文件進(jìn)行顯示分析。

1測(cè)試計(jì)算原理

扭矩是船舶軸功率測(cè)試中的關(guān)鍵，通過(guò)扭矩和轉(zhuǎn)速可求得軸功率與扭振應(yīng)力，船舶上經(jīng)常采用傳遞法來(lái)測(cè)量扭矩。傳遞法是指根據(jù)彈性軸在收到轉(zhuǎn)矩作用時(shí)產(chǎn)生的變形、應(yīng)力或應(yīng)變與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系來(lái)測(cè)量扭矩的方法[2]。傳遞法根據(jù)測(cè)量的參數(shù)不同，可分為扭轉(zhuǎn)角型，應(yīng)力型和應(yīng)變型。目前，扭轉(zhuǎn)角型和應(yīng)變型這兩種扭矩測(cè)試方法被廣泛應(yīng)用于船舶軸功率測(cè)量中。扭轉(zhuǎn)角法是通過(guò)直接或間接測(cè)得扭轉(zhuǎn)角θ，即扭振幅度，然后根據(jù)扭振計(jì)算出扭矩值。這種方法測(cè)量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于測(cè)量和計(jì)算中都存在精度問(wèn)題，最后計(jì)算得到的軸功率與扭振應(yīng)力結(jié)果誤差較大。本文采用的是應(yīng)變型測(cè)量方法，通過(guò)沿給定軸±45°方向上分別黏貼4片應(yīng)變片[3-5]，將其組成惠斯頓電橋，通過(guò)Torque Trak 10 K(TT10 K)將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電壓值輸出后計(jì)算扭矩。應(yīng)變片黏貼方式如圖1所示。

圖1　應(yīng)變片黏貼方式

軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析系統(tǒng)扭矩測(cè)量利用TT10K扭矩遙測(cè)和應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量采用磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1扭矩測(cè)量原理

測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)軸的扭矩采用電阻應(yīng)變片法，把應(yīng)變片貼到發(fā)動(dòng)機(jī)軸上(如圖1貼法)，原理是發(fā)動(dòng)機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)中，貼在軸系上的電阻應(yīng)變片會(huì)隨著軸的變動(dòng)發(fā)生形變，這樣電阻應(yīng)變片阻值就會(huì)改變，阻值的變化會(huì)帶來(lái)電壓值的變化，利用放大器把微弱的電壓變化值放大后，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換之后，通過(guò)USB或網(wǎng)口發(fā)送給軸系雙通道軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件進(jìn)行扭矩計(jì)算。把就可以求得軸的扭矩[6]。AD采集頻率將隨著磁阻傳感器送來(lái)的的轉(zhuǎn)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生不同的變化，以確保采集的精確性。

電壓值與被測(cè)軸的扭矩成正比，滿足如下計(jì)算公式[7]：

(1)

式中，Vout為扭矩遙測(cè)系統(tǒng)接收機(jī)調(diào)理后的輸出電壓(V)；MFS為滿量程扭矩(N·m)；VFS為滿量程電壓(V)；E 為軸材料的彈性模量(N·mm2)；di為軸內(nèi)徑(mm)；d0為軸外徑(mm)；VEXC為電橋勵(lì)磁電壓(V)；kGF為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；N 為電橋橋臂數(shù)；u為軸材料的泊松比；GXMT為扭矩遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)射裝置的放大倍數(shù)。

本系統(tǒng)采用的是16位AD進(jìn)行電壓采樣，則要某點(diǎn)的采集值為N，則該點(diǎn)的電壓值為：Vout=N/216×10，再將計(jì)算得到的電壓帶入(2)式中計(jì)算即可。

1.2轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

轉(zhuǎn)速測(cè)量采用測(cè)頻法，即通過(guò)測(cè)量正對(duì)飛輪安裝的磁阻傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。磁阻傳感器正對(duì)飛輪安裝，軸運(yùn)行時(shí)，飛輪沒(méi)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒輪即產(chǎn)生一個(gè)脈沖，輸出到接口控制器通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，軸的轉(zhuǎn)速可根據(jù)下式計(jì)算[8]：

n=60N/Mt

(2)

式中，n為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(r/min)；t為接口控制器計(jì)數(shù)時(shí)間，根據(jù)計(jì)數(shù)器工作頻率計(jì)算，本系統(tǒng)采用的計(jì)數(shù)器工作頻率為36M；N位時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)器測(cè)定的脈沖數(shù)；M為飛輪齒數(shù)。

1.3軸功率計(jì)算

對(duì)以軸為輸出裝置的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，軸功率Pe的計(jì)算公式如[7]：

Pe=(Me×n)/9550

(3)

式中，Me為軸的輸出扭矩(N*m)；n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。因此，只要通過(guò)公式(1)、(2)計(jì)算出實(shí)時(shí)扭矩和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速即可帶入(3)式中計(jì)算得到實(shí)時(shí)軸功率。

1.4扭振應(yīng)力計(jì)算

扭振應(yīng)力即在在扭矩作用下，軸表面微體中最大切應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)可知切應(yīng)力大小τ計(jì)算公式為：

(4)

式中， Wp為軸的抗扭截面系數(shù), 僅與截面尺寸有關(guān)。Me為被測(cè)軸輸出扭矩。又根據(jù)材料力學(xué)有：

(5)

式中，Jp為極慣性矩，R為軸外半徑，將上兩式代入(5)中即可求得軸的抗扭截面系數(shù)Wp，再代入(4)中最終得扭振應(yīng)力公式為：

(6)

這樣便可通過(guò)扭矩求得最終的扭振應(yīng)力。

2軟件總體方案設(shè)計(jì)

2.1軟件功能設(shè)計(jì)

圖3所示為軟件總體功能架構(gòu)圖。

圖3　軟件總體功能架構(gòu)圖

下位機(jī)通信模塊主要功能是與下位機(jī)通過(guò)USB或網(wǎng)口進(jìn)行通信，如告訴下位機(jī)進(jìn)行哪種測(cè)量，測(cè)量的參數(shù)為多少，并接收下位機(jī)回送過(guò)來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)；軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量功能模塊則是完成軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量功能，包括測(cè)量參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)回送幀解析等功能；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要功能為根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除接收到的測(cè)量數(shù)據(jù)中的異常值，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，得到實(shí)時(shí)扭矩、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)軸功率以及實(shí)時(shí)扭振應(yīng)力，并根據(jù)轉(zhuǎn)標(biāo)信號(hào)對(duì)扭振應(yīng)力進(jìn)行頻域分析得到頻域的諧次振幅等數(shù)據(jù)；文件管理模塊的主要功能是將測(cè)量時(shí)的一些周邊數(shù)據(jù)如測(cè)量時(shí)間、測(cè)量地點(diǎn)、幾個(gè)通道以及重要的測(cè)量數(shù)據(jù)等存成測(cè)量文件以待后面的測(cè)量人員分析；數(shù)據(jù)顯示模塊則是根據(jù)保存的測(cè)量文件，將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理的數(shù)據(jù)繪成時(shí)域波形圖、頻域圖以及頻譜表等。

2.2軟件功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1文件管理模塊

軟件的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和歷史測(cè)量存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)主要為計(jì)算時(shí)需要的采集值以及一些參數(shù)設(shè)置，軟件將接口控制器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析計(jì)算后實(shí)時(shí)寫入文件中。文件新建采用拷貝事先建立好的temp.db數(shù)據(jù)庫(kù)文件的方式建立數(shù)據(jù)庫(kù)文件,并保存為*.PWM格式。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含有三張表：測(cè)量任務(wù)信息tb_Task；測(cè)量工況數(shù)據(jù)tb_Data；測(cè)量工況參數(shù)設(shè)置tb_Parameter。其中測(cè)量任務(wù)信息表中包含有本次任務(wù)的信息，如任務(wù)測(cè)試船名，測(cè)試人，測(cè)試開始信息，備注以及該任務(wù)包含工況總數(shù)等；測(cè)量工況數(shù)據(jù)表中包含有單次工況號(hào)，該工況點(diǎn)數(shù)、圈數(shù)，每點(diǎn)的實(shí)時(shí)采集值，轉(zhuǎn)換計(jì)算后的實(shí)時(shí)扭矩、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)軸功率、實(shí)時(shí)扭振應(yīng)力值以及本工況中總的平均扭矩、平均軸功率和平均扭振應(yīng)力值；測(cè)量工況參數(shù)設(shè)置表中則包含用于與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)參與計(jì)算的單次工況號(hào)以及計(jì)算原理中計(jì)算所需的參數(shù)如軸內(nèi)徑、軸外徑、彈性模量等[8]。

2.2.2軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量模塊

軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量中，需要扭矩值，而扭矩值可由TT10K輸出的電壓值計(jì)算得到。計(jì)算扭矩值，需要很多參數(shù)，即需要預(yù)先設(shè)置好測(cè)量參數(shù)，同時(shí)測(cè)量參數(shù)中包含有本次工況預(yù)期需要的測(cè)量時(shí)間設(shè)置或測(cè)量圈數(shù)設(shè)置。測(cè)量時(shí)，軟件將接收到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，智能調(diào)整接收接數(shù)據(jù)的間隔，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算后動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。

圖4　軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量的流程圖

2.2.3通信模塊設(shè)計(jì)

為完成與接口控制器高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互通信，利用USB接口及網(wǎng)口開發(fā)通信模塊。同時(shí)考慮到測(cè)量的實(shí)時(shí)性較高，故單獨(dú)創(chuàng)建一通信線程用于與接口控制器通信，其中以太網(wǎng)通信采用阻塞方式。在通信線程中加上USB及網(wǎng)口接口支持，完成比通用串口更加高速有效的信息交互。同時(shí)將整個(gè)通信線程封裝有USB接口端口號(hào)和超時(shí)設(shè)置，網(wǎng)口IP地址及端口號(hào)等設(shè)置信息、數(shù)據(jù)暫存的接收數(shù)據(jù)數(shù)組、發(fā)送命令數(shù)組存儲(chǔ)空間以及用于發(fā)送、接收以及解析數(shù)據(jù)幀的函數(shù)及過(guò)程。

2.2.4數(shù)據(jù)顯示模塊

軸功率、扭振應(yīng)力測(cè)量完畢后即進(jìn)行計(jì)算，即可得到軸功率、扭振應(yīng)力時(shí)域信號(hào)以及對(duì)扭振應(yīng)力根據(jù)圈數(shù)做FFT變換后的頻譜圖形、數(shù)據(jù)表(0.5-16諧次)[9]。

軸功率時(shí)域如圖5所示，這是采集原始數(shù)據(jù)顯示的軸功率圖，還存在一些野值需要剔除，扭振應(yīng)力時(shí)域如圖6所示，扭振應(yīng)力頻域分析如圖7所示。

圖5　軸功率時(shí)域圖

圖6　扭振應(yīng)力

圖7　扭振應(yīng)力頻域圖

2.2.5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算模塊

根據(jù)最前面所述的測(cè)量原理，根據(jù)奈爾準(zhǔn)則進(jìn)行剔除圖5中的野值。

奈爾檢驗(yàn)的臨界值見文獻(xiàn)[10]。選定顯著性水平α，由n查表確定臨界值R(α,n)，可以得到P(r>R(α,n))=α

因此有如下的判別準(zhǔn)則：若統(tǒng)計(jì)量

則認(rèn)為對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值xi為野值，應(yīng)予剔除；否則為正常，保留數(shù)據(jù)。

粗大誤差的剔除是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，當(dāng)剔除了一個(gè)異常值后，應(yīng)重新計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，再進(jìn)行驗(yàn)證。圖5與圖8對(duì)比可以看出有明顯的改善，沒(méi)有比較大的野值存在了。

圖8　軸功率時(shí)域圖處理之后

在軟件得到接口控制器的測(cè)量采集值后，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算模塊將采集值經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成每點(diǎn)的實(shí)時(shí)軸功率和實(shí)時(shí)扭振應(yīng)力以及經(jīng)過(guò)DFT變換后的各諧次扭振應(yīng)力值，并通過(guò)文件管理模塊保存成為對(duì)應(yīng)工況的*.PWM文件，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊顯示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

應(yīng)用本文研制的雙軸系軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件，在某船廠32Wt油輪上進(jìn)行了軸功率測(cè)量，測(cè)量參數(shù)中額定功率為9 480 kW，額定轉(zhuǎn)速127 r/min，推進(jìn)軸直徑420 mm。按照試航大綱要求，測(cè)量主機(jī)負(fù)載在50%，75%，90%和100%4種工況下額軸功率，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1　碼速率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度測(cè)

4結(jié)語(yǔ)

船舶軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量是實(shí)船測(cè)試的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，而軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件也是軸功率與扭振應(yīng)力分析系統(tǒng)中的重要組成部分。

本文設(shè)計(jì)的軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析軟件針對(duì)軸功率與扭振應(yīng)力測(cè)量分析的精度問(wèn)題，設(shè)計(jì)了測(cè)量參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，盡量保證對(duì)扭矩信號(hào)完成整周期采樣。在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)換算出軸功率和扭振應(yīng)力并根據(jù)整轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)完成扭振應(yīng)力整周期FFT變換得到頻譜圖；同時(shí)將原始數(shù)據(jù)及參數(shù)信息，計(jì)算轉(zhuǎn)換后的軸功率與扭振應(yīng)力數(shù)據(jù)及扭振應(yīng)力FFT變換數(shù)據(jù)保存寫入文件中，便于進(jìn)一步的調(diào)用和分析。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剔除異常的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量軟件功能完善，界面友好，用戶操作體驗(yàn)方便簡(jiǎn)單，通過(guò)實(shí)船測(cè)試，也驗(yàn)證了測(cè)量軟件的精確性、可靠性和實(shí)用性，可在軸系測(cè)量及分析中得到廣泛的應(yīng)用。

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Software Development on Ship Shafting Dual Channel Shaft Power and Stress Measurement of Torsional Vibration Analysis

Pang Shengli1,Li Ricai1,Fu Shiwei2, Guo Ruxia3

(1.Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an710121, China;2.School of Information Engineering,Chang’an University, Xi’an710064, China)

Abstract:In order to achieve the ship double shaft power propulsion shafting and dynamic measurement of torsional vibration stress, the shaft power and torsional vibration stress software on measurement and analysis was developed and designed. The basic principle of shaft power, the torsional vibration stress measurement and the required equipment was described. Through ship propulsion shafting of torque and rotational speed of real-time acquisition and conversion, measuring software was able to calculate the shaft power and the torsional vibration stress and display and storage of torque, rotating speed and shaft power and the torsional vibration stress in real time. At the same time, according to the measurement turns, torsional vibration stress was analyzed in the frequency domain. The data playback can select specified measured file with playback observation.Prototype test shows that the system test precision is high. Shaft power and torsional vibration stress analysis results are showed intuitively,which satisfy the design requirements on ship's double propulsion shafting shaft power and torsional vibration stress analysis.

Keywords:ship shafting; shaft power; torsional vibration stress

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0300-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.083

中圖分類號(hào)：TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：龐勝利(1980-)，男，河北邢臺(tái)人，講師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向的研究。

基金項(xiàng)目：西安郵電大學(xué)青年教師科研基金資助項(xiàng)目(ZL2010-01)。

收稿日期：2015-08-22；修回日期：2015-09-18。