一種船舶軸功率測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一種船舶軸功率測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著船舶工業(yè)的快速發(fā)展，船舶速度、轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能是評(píng)價(jià)船舶及其他相關(guān)行業(yè)質(zhì)量和效率的重要指標(biāo)。在新船出廠或船體改造交付船東時(shí),船舶軸系軸功率是主要的測(cè)量參數(shù),也是衡量船機(jī)槳匹配的重要參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于測(cè)量船舶軸系軸功率的儀器,基本上是使用頻率應(yīng)變式的鋼弦測(cè)功儀,其缺點(diǎn)是體積較大、安裝繁瑣、測(cè)量易受到環(huán)境因素的影響。因此研制操作方便、性能可靠、滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量精度要求的便攜式軸功率測(cè)試儀已成為重要的研究課題。本文介紹的船舶軸系軸功率測(cè)試儀采用了遙測(cè)應(yīng)變技術(shù)測(cè)量軸的扭矩,在VB環(huán)境下利用串口通訊協(xié)議開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件,可測(cè)量船舶軸系扭矩、轉(zhuǎn)速和軸功率,測(cè)量精度滿足工程測(cè)量要求。同時(shí)上位機(jī)和采集系統(tǒng)之間通過網(wǎng)線連接,可靈活調(diào)整測(cè)量地點(diǎn),改善測(cè)量人員的工作環(huán)境。1測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成和測(cè)量原理1.1轉(zhuǎn)速測(cè)量船舶軸系軸功率測(cè)量系統(tǒng)的硬件由電阻式應(yīng)變片、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩測(cè)量?jī)x、轉(zhuǎn)速表、串口服務(wù)器和便攜式電腦組成。固定在被測(cè)軸上的應(yīng)變片以全橋方式與扭矩遙測(cè)儀的發(fā)射端相連,將軸的扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)傳送給扭矩遙測(cè)儀的發(fā)射端,發(fā)射裝置以特定頻率的無線電波方式向外發(fā)送信號(hào),扭矩儀接收端在一定的距離內(nèi)接收無線電波信號(hào),并將其還原為相應(yīng)的電信號(hào)經(jīng)RS232通訊端口輸出。轉(zhuǎn)速測(cè)量方面采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和智能測(cè)速儀測(cè)量船舶軸系的平均轉(zhuǎn)速并通過RS485通訊端口輸出。扭矩儀的RS232端口和轉(zhuǎn)速表的RS485端口連接至串口服務(wù)器,利用TCP/IP協(xié)議通過網(wǎng)線傳輸至便攜式筆記本電腦。1.2測(cè)量原理和實(shí)現(xiàn)1.2.1軸系誤差測(cè)量原理和實(shí)現(xiàn)1導(dǎo)電阻應(yīng)變片靈敏度分析本測(cè)量系統(tǒng)所采用的應(yīng)變片為電阻式應(yīng)變片,當(dāng)被測(cè)軸系運(yùn)行時(shí)表面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,用粘結(jié)劑貼于軸系表面的電阻應(yīng)變片亦產(chǎn)生變形,從而引起電阻應(yīng)變片阻值的變化。R=ρlS(1)R=ρlS(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)且微分有:dRR=dρρ+dll+dSS(2)dRR=dρρ+dll+dSS(2)公式(2)簡(jiǎn)化后得到:ΔRR=(1+2μ)Δll=Kε(3)ΔRR=(1+2μ)Δll=Κε(3)式中:R為導(dǎo)體電阻值;ρ為導(dǎo)體電阻率;l為導(dǎo)體長(zhǎng)度;S為導(dǎo)體截面積;μ為金屬材料泊松比;K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)(K=1+2μ);ε為應(yīng)變(ε=Δl/l)。2fmt1-e-3.2-3將電阻應(yīng)變片以全橋方式粘貼在船舶軸系上(R1=R2=R3=R4=R),應(yīng)變片粘貼方式與電橋電路如圖1所示。選取A、C作為激勵(lì)輸入端,再測(cè)量B、D端的電壓輸出。無外載荷作用時(shí)電橋平衡,輸出端無電壓輸出。軸系受到外力作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時(shí),相鄰橋臂的電阻應(yīng)變片一邊受拉,另一邊受壓。受拉伸的電阻應(yīng)變片阻值增大,受壓縮的電阻應(yīng)變片阻值減小,致使電橋失去平衡,此時(shí)測(cè)量輸出端有電壓輸出。ΔE=U4[ΔR1R1?ΔR2R2+ΔR3R3?ΔR4R4](4)ΔE=U4[ΔR1R1-ΔR2R2+ΔR3R3-ΔR4R4](4)公式(3)代入(4)簡(jiǎn)化后得到:ΔE=UK4[ε1?ε2+ε3?ε4](5)ΔE=UΚ4[ε1-ε2+ε3-ε4](5)對(duì)于此時(shí)全橋應(yīng)變有:ΔE=UKε(6)扭矩遙測(cè)儀主要由發(fā)射端與接收機(jī)組成。發(fā)射端直接綁定在被測(cè)軸上,隨工作軸一同旋轉(zhuǎn),測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)FM調(diào)制器發(fā)射,接收端接收并再調(diào)制模擬信號(hào)輸出。發(fā)射端可在6m范圍內(nèi)傳遞測(cè)試軸所受的扭矩。接收端接收發(fā)射端傳輸?shù)男盘?hào)并放大輸出電壓信號(hào),電壓信號(hào)與測(cè)試軸的扭矩成正比,且有以下關(guān)系式:TFS=4VFSπE(D4o?D4i)1600VEXCGFN(1+υ)GXMTDo(7)ΤFS=4VFSπE(Do4-Di4)1600VEXCGFΝ(1+υ)GXΜΤDo(7)式中:TFS為滿量程扭矩;VFS為滿量程電壓;E為彈性模量,E=206.8×103MPa;Do為被測(cè)軸系的外徑尺寸,mm;Di為被測(cè)軸系的內(nèi)徑尺寸,mm;VEXC為電橋的激勵(lì)電壓,V;GF為應(yīng)變片的應(yīng)變因子;N為電橋橋臂數(shù);υ為被測(cè)軸系材料的泊松比;GXMT為扭矩儀發(fā)射機(jī)增益?？汕蟮貌裼蜋C(jī)扭矩為Ttq=ΔE·TFS。1.2.2轉(zhuǎn)速r/min磁電式測(cè)速傳感器將被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速變換為電脈沖信號(hào)傳至智能轉(zhuǎn)速表。低轉(zhuǎn)速時(shí),智能轉(zhuǎn)速表測(cè)量傳感器相鄰兩個(gè)脈沖之間的間隔時(shí)間Δt,通過公式:n=60/Δt計(jì)算得到轉(zhuǎn)速(r/min)。高轉(zhuǎn)速時(shí),智能轉(zhuǎn)速表測(cè)量傳感器單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)出的脈沖數(shù)量N,通過公式:n=60×N計(jì)算得到轉(zhuǎn)速(r/min)。上位機(jī)通過RS485端口與轉(zhuǎn)速表進(jìn)行通訊。1.2.3轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n測(cè)得了某一工況下的船舶軸系的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq和轉(zhuǎn)速n?？捎?jì)算軸功率P(kW)。P=Ttq×n9550(8)Ρ=Τtq×n9550(8)2軟件應(yīng)用的關(guān)鍵2.1信號(hào)的采集和處理2.1.1波特率和單精度扭矩儀器的信號(hào)輸出形式包括電壓輸出和com口輸出,本系統(tǒng)采用com口輸出數(shù)據(jù)作為采集的數(shù)據(jù)。TT10K通訊端口為RS232,采用DB9的數(shù)據(jù)線,其2號(hào)針腳為數(shù)據(jù)線,5號(hào)針腳為地線。通訊協(xié)議:波特率115200,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校核。其數(shù)據(jù)包格式為:①開始字節(jié),ASCII碼的“SOH”(十六進(jìn)制的01);②數(shù)據(jù)低4位字節(jié);③數(shù)據(jù)高4位字節(jié);④停止字節(jié),ASCII碼的“CR”(十六進(jìn)制的0D)。數(shù)據(jù)以16位單精度整數(shù)格式發(fā)送。發(fā)送頻率為2400sample/s,其輸出值和發(fā)射機(jī)接收的電壓之間的關(guān)系如下式:Dout=Vin×Asys×1000(9)式中:Dout為輸出的數(shù)字信號(hào)代表的電壓值,Vin為發(fā)射機(jī)輸入端電壓值,Asys為系統(tǒng)增益。2.1.2采用矩形儀和前向機(jī)之間的通信和程序軟件采用串口通訊控件對(duì)串口進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)讀取。程序?qū)崿F(xiàn)如圖2所示。2.2信號(hào)采集和處理SQY01T100-4智能測(cè)速儀的工作模式是查詢-響應(yīng)模式。2.2.1主機(jī)的響應(yīng)幀儀表通訊編碼:RS485,波特率9600,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校核。儀表通訊協(xié)議:Modbus。上位機(jī)從通訊編碼為1EH(30)的智能測(cè)速儀讀取測(cè)量數(shù)據(jù),發(fā)出的查詢幀格式如表1。查詢幀解讀:1E:測(cè)速儀的從地址;03:讀取發(fā)訊(功能代碼);00:數(shù)據(jù)首地址高字節(jié);00:數(shù)據(jù)首地址低字節(jié);00:數(shù)據(jù)長(zhǎng)度高字節(jié);05:數(shù)據(jù)長(zhǎng)度低字節(jié);CRC16lo:CRC校驗(yàn)碼低字節(jié);CRC16hi:CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)。通訊編碼為1EH(30)的智能測(cè)速儀向主機(jī)發(fā)出的響應(yīng)幀,見表2。響應(yīng)幀解讀:1E:測(cè)速儀的從地址;03:讀取響應(yīng)(功能代碼);05:字節(jié)數(shù)字;Dataf:表示符號(hào),Dataf=0,表示正,顯示空格“”;Dataf=FF,表示負(fù),顯示負(fù)“-”;Data0-Data2:低-高(三字節(jié));Datax:表示小數(shù)點(diǎn)位數(shù);CRC16lo:CRC校驗(yàn)碼低字節(jié);CRC16hi:CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)。2.2.2表與主機(jī)之間的通信和程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速表與上位機(jī)之間的通訊及程序?qū)崿F(xiàn),如圖3所示。3雙槳挖泥船及軸功率測(cè)試經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架的多次試驗(yàn)和不斷的完善后,為考核本測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,應(yīng)用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)改造螺旋槳后的某雙機(jī)雙槳挖泥船以及某巡邏艇的軸功率進(jìn)行了測(cè)量。經(jīng)過實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證本測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)船測(cè)試過程中,表現(xiàn)出了操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在應(yīng)變?cè)醇坝布O(shè)備工作正常的情況下能夠很好的完成測(cè)試任務(wù)。4基于合應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)的船舶軸系分析技術(shù)本文介紹的船舶軸系