一種船用推扭傳感器設(shè)計(jì)及研究

宋 磊，任再美，陳 林，孫江龍，程爾升

(1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 湖北 武漢 430074；2.船舶數(shù)據(jù)技術(shù)與支撐軟件湖北省工程研究中心 湖北 武漢 430074；3.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 200240)

0 引 言

螺旋槳作為船舶主要?jiǎng)恿碓?，其力學(xué)特性是船舶工程領(lǐng)域基本問題，螺旋槳效率可表示為其中V 為螺旋槳盤面處水流速度，T 和Q 分別為螺旋槳以轉(zhuǎn)速n 旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的推力和扭矩[1]，通過上式可看出作為一種動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，螺旋槳有效功部分以推力T 為度量，總消耗功部分以扭矩Q 為度量。

螺旋槳性能的研究在于測量其旋轉(zhuǎn)扭矩Q 和推力T，常用設(shè)備為敞水箱（圖1），敞水箱具有良好導(dǎo)流作用，也用于裝載測量用的電機(jī)、儀器等設(shè)備，避免其浸水損壞。試驗(yàn)時(shí)將螺旋槳置于敞水箱前端，通過連接軸穿過箱體與箱內(nèi)傳感器（自航儀）相連，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳通過連接軸將推力和扭矩傳遞到自航儀上，自航儀與電腦連接完成數(shù)據(jù)的采集與傳遞。為了保證連接軸穿過箱體處不出現(xiàn)漏水情況，一般在箱體穿孔處涂有一定黃油，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)此處會(huì)產(chǎn)生一定摩擦扭矩（零扭矩），處理方式為在試驗(yàn)前先僅帶動(dòng)連接軸旋轉(zhuǎn)測量零扭矩大小，對所有試驗(yàn)結(jié)果扣除此零扭矩后進(jìn)行處理[2]。這種處理方法對螺旋槳軸系安裝要求非常高，既不能出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水情況，又不能使得零扭矩過大而造成測量數(shù)據(jù)誤差過大。

圖1 敞水箱示意圖Fig.1 Open water tank

目前對軸系扭矩和載荷直接測量方法較多，一般方法對測量空間、測量環(huán)境等方面有許多限制，小軸系尤其是模型尺度軸系的推力扭矩測量仍然有很多問題值得進(jìn)一步研究[3]。郭國虎等[4]設(shè)計(jì)一種船用推力扭矩測量裝置，該裝置單獨(dú)設(shè)定推力變形區(qū)和扭矩變形區(qū)，在推力變形區(qū)釋放扭矩變形以避免扭矩干擾，在扭矩變形區(qū)釋放推力變形以避免推力干擾，以此避免推力和扭矩干擾的變形。喬愛民等[5]研究了基于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的載荷檢測方法，通過灰色關(guān)聯(lián)校正環(huán)節(jié)有效抑制了傳感器載荷輸出的波動(dòng)性，在滿量程范圍內(nèi)，采用MLSR 方法的回歸誤差小于0.3%。習(xí)進(jìn)錄等[6]設(shè)計(jì)一種壓力扭矩測量裝置，將測量軸段分為外軸和軸，通過分別粘貼應(yīng)變片測量的方式避免了推力和扭矩的干擾。李慶勇等[7]設(shè)計(jì)光纖傳感器和轉(zhuǎn)速的軟硬件檢測系統(tǒng)并計(jì)算扭矩檢測結(jié)果。利用變扭矩和加速過程驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的信號采集模塊，波長和轉(zhuǎn)速識(shí)別精度分別為0.01 mm 和1 r/min。

1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器（見圖2 和圖3）通過直接測量軸系變形來測量推力和扭矩，包含推力測量部件和扭矩測量部件2 部分。其中推力測量部件為一方塊形，傳感器受到推力時(shí)方塊測量部件產(chǎn)生變形。扭矩測量部件為軸上一貫穿圓孔及2 個(gè)半圓貫穿孔組成的薄片，傳感器受到扭矩時(shí)該薄片產(chǎn)生變形。通過在推力測量部件和扭矩測量部件表面粘貼的應(yīng)變片可測量變形大小，得出推力或扭矩大小[8]。

圖2 傳感器主視圖Fig.2 Front view of the the sensor

圖3 傳感器側(cè)視圖Fig.3 Side view of the sensor

推力測量部件左右兩側(cè)分別呈角對稱分布5 塊筋片，筋片由軸上前后貫穿槽孔組成，筋片組最邊緣與主軸有一縫隙，傳感器主軸受到推力作用時(shí)，筋片作用相當(dāng)于彈簧，推力作用下筋片變形微小，力傳遞到推力測量方塊上，引起方塊變形[9]。扭矩測量部分由于為兩圓弧面構(gòu)成的薄片，在受到推力時(shí)并未產(chǎn)生周向變形。當(dāng)傳感器主軸受到扭矩作用時(shí)，由于筋片存在，中間推力測量方塊將不承受扭矩作用，未產(chǎn)生變形，扭矩測量部件由于加載扭矩將會(huì)產(chǎn)生周向線性變形。

上述傳感器通過筋片設(shè)計(jì)巧妙避免推力和扭矩相互干擾問題，其結(jié)構(gòu)簡單，直接將測量部件設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)主軸上，為螺旋槳性能研究提供了更便捷的方法和更高的測量精度。

2 數(shù)值研究

為了探究傳感器推力和扭矩測量部件變形線性度，并分析推力和扭矩干擾特性，在Ansys Workbench中對模型進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、應(yīng)力應(yīng)變分析。對模型加載不同大小推力，監(jiān)測推力測量部件變形分析其線性度；對模型加載不同大小扭矩，監(jiān)測扭矩測量部件變形分析其線性度；同時(shí)加載推力和扭矩，監(jiān)測推力測量部件和扭矩測量部件變形，與單獨(dú)加載推力和單獨(dú)加載扭矩工況對比，分析推力和扭矩相互間干擾情況。計(jì)算工況如表1 所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions

在Engineering Data 中添加材料為304 不銹鋼，將模型導(dǎo)入Geometry（幾何）中并將材料設(shè)置為304 不銹鋼。采用Workbench 自帶的自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目為3 萬。約束模型左側(cè)6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，將其設(shè)為Fixed 固定端[10]，分別在右端施加力、扭矩，計(jì)算傳感器在力、扭矩及力和扭矩聯(lián)合作用下推力測量部件和扭矩測量部件變形[11]。

圖4 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Computing grid

以推力為橫坐標(biāo)，分別繪制僅加載“力”和同時(shí)加載“力和扭矩”下推力測量部件變形，如圖5 所示。對比2 條曲線可知，推力測量部件在受到推力時(shí)線性度較好，同時(shí)在受到扭矩時(shí)推力線性度變化微小，可說明扭矩對推力測量部件干擾微小。

圖5 推力測量點(diǎn)變形Fig.5 Deformation of thrust measurement point

以扭矩為橫坐標(biāo)，分別繪制僅加載“力矩”和同時(shí)加載“力和扭矩”下扭矩測量部件變形，如圖6 所示。對比2 條曲線可知，扭矩測量部件在受到扭矩時(shí)線性度較好，在同時(shí)受到推力時(shí)扭矩線性度變化微小，可說明推力對扭矩測量部件干擾微小。

圖6 扭矩測量點(diǎn)變形Fig.6 Deformation of torque measurement point

上述計(jì)算工況推力測量部件變形云圖如圖7～圖10 所示。對比僅加載“力”和同時(shí)加載“力和扭矩”工況，可以看出扭矩被筋片變形所分擔(dān)，并未使中間的推力測量部件產(chǎn)生軸向變形，與傳感器設(shè)計(jì)思路相符[12]。

上述計(jì)算工況扭矩測量部件變形云圖如圖11～圖14 所示。對比僅加載“扭矩”和同時(shí)加載“扭矩和力”工況，可以看出推力的作用并未使扭矩測量部件產(chǎn)生周向變形，與傳感器設(shè)計(jì)思路相符。

圖7 35 kg 工況推力測量部件軸向變形Fig.7 Axial deformation of thrust measurement component under 35kg working condition

圖8 35 kg+75 kg·cm 工況推力測量部件軸向變形Fig.8 Axial deformation of thrust measurement component under 35kg+75kg·cm working condition

圖9 100 kg 工況推力測量部件軸向變形Fig.9 Axial deformation of thrust measurement component under 100kg working condition

圖10 100 kg +200 kg·cm 工況推力測量部件軸向變形Fig.10 Axial deformation of thrust measurement component under 100kg +200kg·cm working condition

圖11 75 kg·cm 工況扭矩測量部件變形Fig.11 Deformation of torque measuring part under 75kg·cm working condition

圖12 75 kg·cm+35 kg 工況扭矩測量部件變形Fig.12 Deformation of torque measuring parts under 75kg·cm+35kg working condition

圖13 200 kg·cm 工況扭矩測量部件變形Fig.13 Deformation of torque measuring parts under 200kg·cm working condition

圖14 200 kg·cm+100 kg 工況扭矩測量部件變形Fig.14 Deformation of torque measuring parts under 200kg·cm+100 kg working condition

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述設(shè)計(jì)思路使用Q235 鋼加工傳感器主體并淬火，在推力測量部件和扭矩測量部件處分別粘貼全橋應(yīng)變片，并通過軸內(nèi)開孔將接線引出，傳感器實(shí)物如圖15 所示。

圖15 傳感器實(shí)物Fig.15 The sensor

傳感器主要用于螺旋槳敞水試驗(yàn)，為了滿足敞水試驗(yàn)需求制作標(biāo)定臺(tái)架（見圖16）。標(biāo)定臺(tái)架主要包括加載托盤、傳感器及支撐臺(tái)架。其中加載托盤分為力加載托盤和扭矩加載托盤，直接在力托盤上加砝碼可標(biāo)定力特性，在扭矩托盤上對稱加載相同重量砝碼可標(biāo)定扭矩特性，同時(shí)對力和扭矩加載可研究其相互影響。傳感器置于軸系前端部分，其中線路等在流線型柱體里面布置，最終傳遞出來用于采集，流線型柱體內(nèi)部同時(shí)布置軸系傳動(dòng)裝置，用于帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖16 傳感器標(biāo)定臺(tái)架Fig.16 Sensor calibration bench

本次標(biāo)定為靜態(tài)標(biāo)定，用于標(biāo)定傳感器的線性度及回零特性，推力和扭矩標(biāo)定曲線如圖17 和圖18 所示，可以看出，該傳感器靜態(tài)線性度較好，回零特性較好，與數(shù)值仿真結(jié)論吻合。

圖17 力標(biāo)定曲線Fig.17 Force calibration curve

圖18 扭矩標(biāo)定曲線Fig.18 Torque calibration curve

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種船用推力扭矩傳感器，分析其測量原理，重點(diǎn)闡述如何避免推力和扭矩相互干擾。運(yùn)用有限元分析的方法對傳感器加載力和扭矩，分析其變形得出其干擾小的特性。制作傳感器實(shí)物并粘貼應(yīng)變片，在標(biāo)定臺(tái)架上進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，結(jié)果較好，與數(shù)值分析結(jié)論吻合。