機(jī)械泵船舶發(fā)動(dòng)機(jī)路譜采集方案的研究

0 引言

船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)分市場(chǎng)越來越多，不同區(qū)域不同行業(yè)的運(yùn)行工況也不盡相同，如：運(yùn)輸船運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定單一，而拖網(wǎng)漁船拖網(wǎng)工況以及收放網(wǎng)工況都很復(fù)雜，所以在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)，就需要根據(jù)各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)船用發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)做對(duì)應(yīng)的開發(fā)，從而能開發(fā)出更能讓客戶滿意的發(fā)動(dòng)機(jī)；另外通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以分析判斷船機(jī)槳匹配的合理性，進(jìn)而為客戶提供合理的匹配方案，給客戶推薦發(fā)動(dòng)機(jī)使用最省油的使用方案，降低用戶的使用成本和運(yùn)營(yíng)成本；第三，目前海外漁船、運(yùn)輸船市場(chǎng)排放要求較低，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線是機(jī)械泵燃油系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。機(jī)械泵船用發(fā)動(dòng)機(jī)的路譜采集方法主要有：1、通過采集艉軸的應(yīng)變來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩；2、通過專用儀表采集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速參數(shù)再通過理論反推發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。這兩個(gè)方法由于船艙安裝空間、不同船舶領(lǐng)域等原因，優(yōu)劣勢(shì)不盡相同，通過本文的研究，為不同細(xì)分市場(chǎng)船舶路譜采集，提供對(duì)應(yīng)的解決方案。

1 船用發(fā)動(dòng)機(jī)路譜采集方法介紹

1.1 采集方法一：通過采集螺旋槳艉軸的應(yīng)變來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率；

1.1.1 測(cè)試?yán)碚摻榻B

船舶軸系轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在負(fù)載的作用下軸系會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的物理現(xiàn)象，軸系狀態(tài)主要包括軸系的扭矩和軸功率等信息。軸功率是船舶主機(jī)及其動(dòng)力裝置最重要的性能參數(shù)

。船舶動(dòng)力機(jī)械的軸功率與扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積成正比，故常采用間接測(cè)量方法。通過間接測(cè)量軸的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，再得到軸系的功率

。計(jì)算公式如下：

隨著創(chuàng)建活動(dòng)的進(jìn)一步深入，西江這條經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)飄帶，正在逐漸成為一條“安全、暢通、文明、綠色”的彩練，在新時(shí)代南粵改革開放的滾滾春潮中歡快地起舞 。

式中：

—軸功率，kW；

—軸系的輸出扭矩,N·m；

—輸出的軸轉(zhuǎn)速，r/min。

1.1.5 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

由材料力學(xué)知，當(dāng)軸受扭矩作用時(shí)，軸表面有最大剪應(yīng)力

。軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45°和135°的方向上有最大正應(yīng)力

1和

2，其值為|

1|=|

2|=

。相應(yīng)的變形為

1和

2，在材料彈性極限內(nèi)，剪切應(yīng)變

與剪切應(yīng)力剪應(yīng)力

成線性關(guān)系。但由于剪切應(yīng)變是角應(yīng)變，無法通過應(yīng)變片直接測(cè)量，所以常常通過測(cè)量軸線與偏離軸線夾角為45°和135°方向上的兩個(gè)應(yīng)變值之差來確定剪切應(yīng)變。從工作原理來看，只要沿被測(cè)軸偏角為45°和135°方向上布置一對(duì)應(yīng)變片，如圖1，并接入到應(yīng)變儀的半橋工作電路中，無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)采集的應(yīng)變量就是剪切應(yīng)變值，由該剪切應(yīng)變值可換算得到被測(cè)扭矩值。具體推理過程如下：

若測(cè)得沿軸線45°方向的應(yīng)變?chǔ)?，則相應(yīng)的剪應(yīng)力為

式中：

-材料的彈性模量；

-材料的泊松比；于是，軸的扭矩計(jì)算公式為：

式中：

-材料的抗扭模量；

-材料的彈性模量；

-材料的泊松比；

1-測(cè)得的應(yīng)變量。

他汀類藥物治療參照中國(guó)成人血脂異常防治指南 (2016年修訂版)[2,5]推薦的方案，根據(jù)治療的效果分為L(zhǎng)DC-C<1.8 mmol/L和LDC-C<2.6 mmol/L進(jìn)行分析。

測(cè)試前，首先采用應(yīng)變模擬儀對(duì)無線扭矩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保設(shè)備正常，保證測(cè)試扭矩準(zhǔn)確。其次，設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，包括船舶的艉軸表面打磨處理、測(cè)點(diǎn)定位、應(yīng)變片粘貼、設(shè)備連接固定、軟件設(shè)置、采集測(cè)試等一系列工作。所有設(shè)備安裝后如圖4所示。

根據(jù)采集到的艉軸扭矩和轉(zhuǎn)速，再根據(jù)齒輪箱的速比和機(jī)械效率，就可以計(jì)算出船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，再將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速擬合到發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線中，可以分析出發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況區(qū)域，以及船機(jī)槳匹配的輕重、常用工況是否運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)等，從而給出合理的船機(jī)槳匹配建議以及為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)提供實(shí)際工況數(shù)據(jù)。如圖5是某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況和發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線的擬合分析圖。另外還可以根據(jù)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、排氣溫度用來判斷分析發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冒黑煙等故障時(shí)可快速查明原因并解決。

對(duì)于空心圓軸，材料的抗扭模量為：

式中：

—圓軸的外徑；

—圓軸的內(nèi)徑(對(duì)于實(shí)心軸，

=0)。

利用采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、進(jìn)氣壓力等數(shù)據(jù)，然后用matlab分析軟件和腳本對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而得到相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)路譜，如圖6是采用某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速分析的發(fā)動(dòng)機(jī)路譜。

人家是一天里萬花七試都考完，我們偏要分成兩天，第二天的主考官，還換成了一臉陰沉的司徒一一，考場(chǎng)還設(shè)在那鬼氣森森的水月宮。

此方案特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)：1、數(shù)據(jù)源于軸應(yīng)變，精度高；2、瞬態(tài)工況測(cè)試更精確。劣勢(shì)：1、由于需要專用設(shè)備測(cè)量軸應(yīng)變，而目前由于設(shè)備可選的局限性，設(shè)備的采購(gòu)價(jià)格較高；2、由于設(shè)備需要額外安裝在測(cè)試船舶尾軸上，設(shè)備安裝空間要求較高。

應(yīng)變片構(gòu)造如圖2，應(yīng)變片是將機(jī)械尺寸的微小變化(應(yīng)變)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器。按照應(yīng)變片布置方式分為：半橋片和全橋片。半橋片帶有兩個(gè)測(cè)量柵絲，彼此呈 90°排列。典型應(yīng)用包括扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測(cè)量和剪切梁的剪切應(yīng)力測(cè)試；全橋片帶有四個(gè)測(cè)量柵絲，彼此呈 90° 排列。典型應(yīng)用包括拉壓雙向應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪切梁的剪切應(yīng)力測(cè)試。

青海省地礦局是全國(guó)綠色勘查的踐行者和示范者，為青海及西部地區(qū)礦產(chǎn)資源勘查作出了重要貢獻(xiàn)。夏日哈木鎳礦項(xiàng)目的勘查發(fā)現(xiàn)是近年來有色金屬礦產(chǎn)領(lǐng)域地質(zhì)找礦的重大突破。

無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3，無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)是將應(yīng)變片采集到的應(yīng)變儲(chǔ)存并通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)诫娔X的一種模塊，目前無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)有很多種，圖3是其中一種，包括線路連接端子、磁鐵轉(zhuǎn)速信號(hào)感應(yīng)區(qū)域、指示燈。

其它設(shè)備還包括：無線網(wǎng)關(guān)，主要作用為和無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)通訊并傳輸數(shù)據(jù)；強(qiáng)磁鐵，主要作用為和無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)形成磁鐵感應(yīng)信號(hào)從而記錄艉軸的轉(zhuǎn)速；干電池用來給無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)供電等設(shè)備。

1.1.3 操作方法

對(duì)于實(shí)心圓軸，材料的抗扭模量為：

1.1.4 采集的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)分析

安徽作為全國(guó)農(nóng)業(yè)大省，高度重視“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的推進(jìn)，積極出臺(tái)行動(dòng)計(jì)劃并付諸實(shí)踐，已取得一定的成效。在鄉(xiāng)村旅游中，外來游客的到來讓當(dāng)?shù)卣又匾暋懊利愢l(xiāng)村”建設(shè)，同時(shí)推行整改項(xiàng)目改善人居環(huán)境也可服務(wù)于鄉(xiāng)村旅游。通過開展房屋修繕，道路清潔，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等活動(dòng)，提升鄉(xiāng)村形象。

由此可見，軸功率的測(cè)量關(guān)鍵在于扭矩和轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)測(cè)量。軸系轉(zhuǎn)速是反映旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，軸轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)已經(jīng)十分成熟，其測(cè)量是采用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量系統(tǒng)來完成。扭矩測(cè)量大多數(shù)是采用應(yīng)變型傳感器和相位差式扭矩傳感器

。應(yīng)變片技術(shù)成熟，具有應(yīng)用范圍廣、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)

。本文重點(diǎn)介紹應(yīng)變片式測(cè)量船舶推進(jìn)系統(tǒng)軸系扭矩的方法。

以各醫(yī)養(yǎng)結(jié)合型養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)為決策單元，記Ipq（p=1，2，3，4，5；q=1，2，…，29）為第q個(gè)養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)在第p個(gè)投入指標(biāo)上的得分，Opq（p=1，2；q=1，2，…，29）為第q個(gè)機(jī)構(gòu)在第p個(gè)產(chǎn)出指標(biāo)上的得分。在不改變變量本質(zhì)含義的基礎(chǔ)上，對(duì)因子分析結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理，以使所有因子數(shù)值均大于0。轉(zhuǎn)化公式如下：

1.1.2 設(shè)備介紹

1.2 采集方法二：通過采集船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速推理發(fā)動(dòng)機(jī)路譜

1.2.1 理論闡述

通過試驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)分析可知，在穩(wěn)態(tài)工況下，柴油機(jī)的功率和進(jìn)氣壓力成一定的正比例關(guān)系，也就是說對(duì)同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，在已知試驗(yàn)室的扭矩、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力等萬有數(shù)據(jù)時(shí)，通過實(shí)際船舶運(yùn)行時(shí)采集的進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速，可以反推出實(shí)際船舶運(yùn)行的扭矩。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集方法

通過一種能記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的儀表，用轉(zhuǎn)速傳感器、排氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器以及儀表和傳感器的聯(lián)接線束，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、進(jìn)氣壓力。

1.2.3 采集的數(shù)據(jù)分析

測(cè)得尾軸扭矩后，同時(shí)用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的艉軸轉(zhuǎn)速，可以用功率、轉(zhuǎn)速、扭矩之間的關(guān)系得出艉軸功率，再根據(jù)齒輪箱機(jī)械效率得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，進(jìn)而形成船用發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的路譜。

1.2.4 方案準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

1）在調(diào)節(jié)座內(nèi)腔裝有彈簧，當(dāng)光桿和盤根墊之間摩擦有了間隙的時(shí)候，彈簧自動(dòng)頂緊，填充光桿和盤根墊之間的間隙，有效防止了盤根盒漏油現(xiàn)象。

對(duì)推理出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩準(zhǔn)確性驗(yàn)證，通過對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用方案一和方案二同時(shí)采集，并得出的兩種采集方案的路譜數(shù)據(jù)分析如圖7，其中根據(jù)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力推理所得扭矩值與應(yīng)變片實(shí)測(cè)值誤差在2%左右，誤差較小，且趨勢(shì)基本吻合，可以作為路譜分析的參考；

1.2.5 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

試驗(yàn)所采用鉬精礦100 g，溫度200 ℃，固液比1∶10，保溫保壓時(shí)間為300 min，攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min，考察氧氣分壓對(duì)制備樣品元素含量及鉬賦存狀態(tài)的影響。

此方案特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)：1、操作簡(jiǎn)單，對(duì)船艙環(huán)境沒有特殊要求。2、由于測(cè)量參數(shù)(轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和排氣溫度)來自于發(fā)動(dòng)機(jī)儀表，設(shè)備穩(wěn)定性號(hào)，采集時(shí)間長(zhǎng)；劣勢(shì)：1、對(duì)于瞬態(tài)工況較多的船舶，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和排氣溫度相比扭矩的響應(yīng)性不及時(shí)，誤差較大，導(dǎo)致推理的扭矩誤差較大；

2 應(yīng)用情況

目前兩種船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)采集方案都有應(yīng)用，針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，采用應(yīng)變片采集軸功率方法較為普遍；針對(duì)國(guó)外漁船市場(chǎng)，由于出海打漁周期長(zhǎng)，儀表采集進(jìn)氣壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法應(yīng)用的較多，分別在土耳其、阿聯(lián)酋、孟加拉、越南、韓國(guó)都有應(yīng)用。通過采集的數(shù)據(jù)，可了解和檢驗(yàn)船體-主機(jī)-推進(jìn)器三者之間匹配的優(yōu)劣，同時(shí)也是對(duì)舊船舶、機(jī)、槳工作狀態(tài)與故障診斷的重要依據(jù)。目前，推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集已成為各大船廠進(jìn)行的項(xiàng)目之一，目前已經(jīng)查明了多起因螺旋槳匹配造成的發(fā)動(dòng)機(jī)故障，如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的故障以及發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙等故障并予以解決。

當(dāng)前非洲豬瘟疫情給我國(guó)生豬產(chǎn)業(yè)帶來一定影響，生豬養(yǎng)殖大省的主要表現(xiàn)是育肥豬價(jià)格低、仔豬外調(diào)受限導(dǎo)致企業(yè)資金回款困難；豬肉消費(fèi)方面則表現(xiàn)出生豬產(chǎn)能急劇萎縮。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生豬全產(chǎn)業(yè)鏈分析預(yù)警首席分析師、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所副研究員朱增勇通過調(diào)研，分析了非洲豬瘟疫情對(duì)我國(guó)生豬生產(chǎn)及豬肉消費(fèi)的影響，并對(duì)生豬市場(chǎng)的后市進(jìn)行了分析。

3 結(jié)論與展望

通過以上兩種船舶發(fā)動(dòng)機(jī)路譜采集方案的介紹，在進(jìn)行船舶發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)采集時(shí)，就能根據(jù)船舶的運(yùn)行情況以及船艙的環(huán)境情況非常明確地選擇所對(duì)應(yīng)的采集方案；具體來說，對(duì)于工況較穩(wěn)定的或船艙環(huán)境無法安裝軸應(yīng)變采集設(shè)備的船舶，選用方案二更合適；對(duì)于瞬態(tài)工況較多且船艙空間較寬敞的船舶，選用方案一更合適。利用上述方案采集的船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量后，可以建立某一地區(qū)細(xì)分市場(chǎng)的船舶工況數(shù)據(jù)庫，然后利用大數(shù)據(jù)信息以及智慧云平臺(tái)，為以后的船舶清潔能源發(fā)展和航道或海域的健康管理提供數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息，形成船舶細(xì)分市場(chǎng)的行業(yè)匹配規(guī)范，指導(dǎo)用戶合理規(guī)范地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)選型，螺旋槳匹配，齒輪箱選型。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家可以利用船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)庫信息開發(fā)動(dòng)力性更強(qiáng)、更省油的發(fā)動(dòng)機(jī)，助力中國(guó)船舶動(dòng)力的發(fā)展。

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