基于無線遙測的軸功率測試技術(shù)研究與應(yīng)用

于輝　龍軍　吳伋

摘? 要：艦船動力系統(tǒng)性能監(jiān)測越來越受到軍—廠—所等多級單位的重視，作為動力系統(tǒng)的重要參數(shù)，軸功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測和便攜式測量尤為關(guān)鍵。針對我國現(xiàn)役艦船動力系統(tǒng)種類繁多、推進(jìn)系統(tǒng)軸徑尺寸和轉(zhuǎn)速范圍跨度大的特點(diǎn)，選取基于無線遙測的軸功率測試方法，并通過實(shí)驗(yàn)室臺架模型進(jìn)行驗(yàn)證，該方法可實(shí)現(xiàn)軸徑在5 mm～1 000 mm、轉(zhuǎn)速在30 r/min～30 000 r/min的機(jī)械設(shè)備和動力系統(tǒng)的軸功率測量，可有效支撐艦船動力性能監(jiān)測和評估。

關(guān)鍵詞：無線遙測;軸功率;扭矩;轉(zhuǎn)速

中圖分類號：U664.2? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國海軍擁有包括驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、潛艇等多型艦船。軸功率作為貫穿設(shè)計(jì)—建造—服役—修理等全壽命周期內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)，可以在艦船航行時(shí)監(jiān)測動力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過軸功率的監(jiān)測可以支撐艦船推進(jìn)系統(tǒng)的性能評估，保證艦船具有良好的推進(jìn)性能[1]。因此，能方便、快捷、精確地測量艦船軸功率就變得尤為重要，同時(shí)，能有效適配我國現(xiàn)役眾多艦船的軸功率測試方法就更為關(guān)鍵[2]。

軸功率的測量方法分為傳遞法和吸收法2種[3-4]。吸收法多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室測量，使用水力測功儀或電測功儀把軸系傳遞來的功率轉(zhuǎn)化為熱能或電能，以此來計(jì)算被測設(shè)備的軸功率。傳遞法應(yīng)用范圍較為廣泛，可以適用于實(shí)驗(yàn)室、實(shí)船、運(yùn)行中的機(jī)械設(shè)備等多種應(yīng)用場景，通過測量軸系的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變或者扭轉(zhuǎn)角位移，進(jìn)而求得軸系的軸功率。傳遞式軸功率測量方法根據(jù)安裝的傳感器類型的不同又分為相位差式和應(yīng)變式測量方法[5]，相位差式軸功率測量方法包括鋼弦式和激光式2種。應(yīng)變式軸功率測量方法又包括應(yīng)變片式和鐵磁材料等測試方法。該文選用的測量方法是基于無線遙測的應(yīng)變片式軸功率測量方法，其具有應(yīng)用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能有效適配我國現(xiàn)役艦船多轉(zhuǎn)速、多軸徑推進(jìn)系統(tǒng)的軸功率測量。

1 測試系統(tǒng)

1.1 理論方法

由材料力學(xué)可知，當(dāng)軸受到扭矩作用時(shí)，軸的表面有最大剪應(yīng)力τmax。軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45°的方向上有最大正應(yīng)力σ1和σ2，其值為|σ1|=|σ2|=τmax。相應(yīng)的變形為ε1和ε2，當(dāng)測得應(yīng)變后，便可算出τmax。測量時(shí)應(yīng)變片沿與軸線成45°的方向粘貼[6]。

如果測得沿45°方向的應(yīng)變ε1，則相應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?/p>

（1）

式中：E—材料的彈性模量，μ—材料的泊松比。

軸的扭矩計(jì)算公式為

（2）

式中：Wn—材料的抗扭模量，E—材料的彈性模量，μ—材料的泊松比，ε1—測得的應(yīng)變量。

對于實(shí)心圓軸來說，材料的抗扭模量為

（3）

對于空心圓軸來說，材料的抗扭模量為

（4）

式中：D—為圓軸的外徑，d—圓軸的內(nèi)徑。

軸功率計(jì)算公式為

（5）

式中：P為軸功率（kW），T為扭矩（N·m），n為轉(zhuǎn)速（r/min）。

1.2 測量系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理由動態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與相應(yīng)的分析系統(tǒng)完成。船舶軸功率測量系統(tǒng)包括無線扭矩采集模塊、無線扭矩電源模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊和光電轉(zhuǎn)速傳感器，采用Wi-Fi通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并無線傳送給計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)完成對旋轉(zhuǎn)軸扭矩、軸功率的計(jì)算與分析，并實(shí)時(shí)存儲和顯示。

2 軸功率測試

2.1 測試對象

為驗(yàn)證該文選取的軸功率測試系統(tǒng)的有效性，選取實(shí)驗(yàn)室臺架模型作為驗(yàn)證對象，驗(yàn)證測試系統(tǒng)和測試人員的安裝測量方法，圖1為臺架模型圖。

2.2 測試數(shù)據(jù)

測試系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，通過專用的測試分析軟件對軸系模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，獲取原始數(shù)據(jù)時(shí)域圖、轉(zhuǎn)速、扭矩和軸功率數(shù)據(jù)，如圖2所示。

2.3 測試結(jié)果

通過測量直接得到測點(diǎn)位置的扭矩和軸系的轉(zhuǎn)速信號，試驗(yàn)初始信號不穩(wěn)定，截取信號穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。軸系空載運(yùn)行，軸功率測試結(jié)果見表1。該次實(shí)驗(yàn)為空載運(yùn)行狀態(tài)測試，因此，扭矩測試結(jié)果基本不變，軸功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。

3 結(jié)語

在船舶動力裝置的主要指標(biāo)中，軸功率測量的可靠性、便攜性和精確度是其主要的設(shè)計(jì)要素。該文選用的無線遙測應(yīng)變式軸功率測量儀具有較好的適應(yīng)性，數(shù)據(jù)傳輸性能好、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)船舶、動力機(jī)械等多種復(fù)雜環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)軸徑在5 mm～1 000 mm、轉(zhuǎn)速在30 r/min～30 000 r/min的機(jī)械設(shè)備的軸功率測量。為驗(yàn)證該測量系統(tǒng)的有效性，選取實(shí)驗(yàn)室某軸系臺架模型作為試驗(yàn)對象，測量多個(gè)工況的轉(zhuǎn)速、扭矩和軸功率，測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠，滿足多轉(zhuǎn)速軸功率測量的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]林輝.船舶推進(jìn)軸系扭振與軸功率測量[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[2]雷浩，袁強(qiáng)，金曉，等.船舶主推進(jìn)裝置軸功率測試方法研究與分析[J].造船技術(shù)，2016（4）：19-23.

[3]余永華，朱繼軍，楊建國.船舶軸系軸功率測試儀的研制[J].中國修船，2006（6）：13-15.

[4]李長武，成偉，蔣建林.新型軸功率測試方法的應(yīng)用研究[J].計(jì)量技術(shù)，2018（6）：24-26.

[5]馬龍龍.應(yīng)變式傳動軸功率測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].太原：中北大學(xué)，2011.

[6]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.