船舶轴系轴功率测试仪的研制_余永华

使用设备
柴油机转速 ( r /m in)
轴功率测试仪
1 500
水力测功器
1 500
相对误差 (% )
测量的柴油机功率 ( kW ) 25% 50% 75% 90% 100% 13. 45 27. 92 41. 43 51. 33 57. 48 13. 6 28. 1 40. 2 52. 4 58. 2 1. 10 0. 60 3. 00 2. 00 1. 20
理论, 从而再去指导实践; 还要努力学习教育学的
知识, 认真研究安全教育的方式、方法, 准备好教
材。
收稿日期: 2006 - 05
# 10#
速:
n= 60# f s (m - 1) /k ( r/m in) 。
( 9)
2. 3 柴油机功率测量
测得了某一工况下的船舶轴系的输出转矩 T tq
和转速 n, 可计算轴功率 P c ( kW ):
P c = T tq n / 9 550。
( 10)
3 测试仪试验验证
为了考核所研制的轴功率测试仪的准确性, 在 实验室对轴功率测试仪进行了试验考核。试验台架 由 4135Caf型柴油机、轴系和水力测功器组成。柴 油机的额定功率 56 kW, 标定转速 1 500 r /m in, 缸 径 135 mm, 行程 140 mm。
测试仪输出端。将电阻应变片以全桥方式粘贴在船
舶轴系上 ( R1 = R2 = R3 = R 4 = R ), 应变片粘贴方 式与电桥电路如图 3所示。选取 A、 C 作为激励输
入端, 再测量 B、 D端的电压输出。无外载荷作用
时电桥平衡, 输出端无电压输出。轴系受到外力作 用而产生扭矩 时, 相邻桥臂 的电阻应变片 一边受
第 19卷 第 6期 2006年 12月
中国修船
CH INA SH IPREPA IR
V o .l 19 N o. 6 D ec. 2006
技术交流
船舶轴系轴功率测试仪的研制
余永华, 朱继军, 杨建国
(武汉理工大学 能源与动力工程学院, 湖北 武汉 430063)
摘要: 文章介绍一种船舶轴系轴功率测试仪的原理和结构, 轴功率测试仪采用了遥测应变测 量技术, 可动态测量轴系的轴功率。试验验证表明, 轴功率测试仪的测量精度满足实船轴功率测 量的技术要求。
扭矩 ( N # m /V ); D 0 为轴外径尺寸 ( mm )。
可求得柴油机扭矩为:
T tq = $E # T FS。
( 8)
2. 2 柴油机转速测量
磁电式测速传感器将被测轴的转速变换为电脉
冲信号。设采集卡采样率为 f s, 采样点间时间间隔 $t= 1 /f s, 设在一 段时间 内, 记录 了 m 个 峰值信 号, 中间共 有 k 个采样点, 可得到船舶 轴系的转
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中国修船
第 19卷
正比, 且有以下关系式:
TFS = K GF #
8
P# E # 000# (
(D
4 0
-
1+ T)
D
4 i
#
) G XM T
#
D
,
0
( 7)
式中: E 为弹性模量 ( 206. 8 GP a); GXMT为应变仪
增益; K GF为应变片灵敏系数; T为泊松比; T FS为电压
( 1) 电阻应变片 工作原理。常 见的应变片为 电阻式敏感元件, 当被测构件受到外力作用发生变
形时, 用粘结剂贴于构件上的电阻应变片亦产生变 形, 从而引起电阻应变片电阻值的变化。
R=
Q
l S
,
( 1)
两边取自然对数且微分有:
dR R
=
dQQ+
dl l
+
dSS,
( 2)
公式 ( 2) 简化后得:
$R R
( 3) 轴功率测试仪适用于对 各种输出轴的平 均转速, 输出扭矩以及有效功率进行测量。
参考文献
[ 1] 侯 国 屏, 王 昆. L abv iew7. 1 编 程 与 虚 拟 仪 器 设 计
[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
[ 2] 张如一, 沈观林. 应变电测与传感器 [M ]. 北京: 清
华大学出 版社, 1999.
[ 3] 张敬 国. 轮 机工 程测 试技 术 [M ]. 武汉 : 华中 理工
大学出版 社, 1999.
收稿日期: 2006 - 06
( 上接第 7页 )
4 实行修船企业安全教育系统化、规范化 应注意的问题
4. 1 要处理好系统教育与 / 三级 0安全教育及 / 四 不放过 0教育的关系 / 三级 0 安全教育及 / 四不放过 0 教育是系统
按柴油机的负荷特性进行试验, 柴油机转速为 1 500 r/m in, 分别使用水力测功器与轴功率测试仪
同时 测 量 柴油 机 的轴 功 率。 测量 柴 油 机负 载 在
25% , 50% , 75% , 90% 和 100% 5 种工况 下的输 出轴功率, 试验结果如表 1所示。
表 1 水力测功器与轴功率测试仪测量结果的比较
试验结果表明: 船舶轴系轴功率测量仪与水力
测功器测试结果的相对误差在 5% 以内, 满足轴功
率测量精度的技术要求。
4 结论
( 1) 基于 L abv iew 的全角虚拟仪器具有设计开 发直观简单、硬件支持结构开发、分析方法功能强 等特点, 是智能测量仪器的发展趋势。
( 2) 研制的轴功率测试仪 设计合理, 具有精 度高、使用简便等特点, 可用于实船在复杂工况下 动态测量轴系的轴功率, 具备较高的实用价值。
测试仪的软件主要由数据采集、信号处理、数 据管理和报表生成等 4个模块组成, 软件的流程如 图 2所示。
作者简介: 余永华 ( 1975-), 男, 江西九江人, 讲师, 博士, 主要从事柴油机状态监测与故障诊断方面的研究。
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余永华, 等: 船舶轴系轴功率测试仪的研制
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( 3) 数据管理模 块。采用了 SQL2000数据库 将测量结果进行管理。实现扭矩、转速和功率的存 储、数据查询的功能。
( 4) 报表生成模 块。报表生成 模块可将分析 结果、测试信息以及备注等相关内容直接生成工程 测试报告文件 ( wo rd或 htm l格式 )。
2 基本原理
2. 1 柴油机扭矩测量
图 1 功率测试仪的硬件连接框图
图 2 测试仪的软件流程图
( 1) 数据采集模块。确定测量参数设置 ( 如 采样频率、采样点数、触发方式 和触发电平等 ) , 它完成船舶轴系扭矩信号与转速信号的采集, 将转 速与扭矩的模拟信号转换为数字信号。
( 2) 信号处理模 块。分析处理 扭矩和转速信 号, 以提取特征信息和有效值, 通过一定的算法处 理计算船舶轴系的轴功率。
本文介绍的船舶轴系轴功率测试仪采用了遥测 应变 技术 测 量轴 的 扭 矩, 在 虚 拟 仪器 开 发 平台 L abv iew[ 1] 上开发了相应 的应用软件, 轴功率测试 仪具有测量船舶轴系扭矩、转速和轴功率的功能, 测量精度满足工程测量的精度要求。轴功率测试仪 还应用了数据库管理测量分析数据, 为船舶轴系轴 功率的测量与分析提供了技术手段。
=
( 1+ 2L)
$l l
=
K
E,
( 3)
式中: R 为导体电阻值; Q为 导体电阻率; l 为导
体长度; S 为导体 截面积; L为金属材料泊松 比; K 为应变片灵敏系数 (K = 1+ 2L); E为应变 ( E
=
$ l
l)
。
( 2) 电阻应变的全桥测量。采用全桥 电路将
测得的应变片阻值的变化转换为电压信号连接扭矩
1 测试仪组成
船舶轴系轴功率测试仪硬件由电阻式应变片、
磁电式转速传 感器、扭矩测 量仪、信号调 理设备 ( 含数据采集卡 ) 和便携电脑组成。电阻式应变片 采用了适于工业现场的日本进口防水型应变片, 固 定在被测轴上的应变片以全桥方式与扭矩遥测仪的 发射端相连, 将轴的扭矩信号转化为相应的电信号 传送给扭矩遥测仪的发射端, 由发射装置以特定频 率的无线电波方式向外发送, 扭矩仪接收端在一定 的距离内接收无线电波信号, 并将其转化为相应的 电信号以信号差分的输入 方式输入到信号 调理设 备。采用磁电式转速传感器测量船舶轴系的平均转 速, 采用自主开发的 PT I型 2通道信号调理器, 它 可采集轴系的转速和扭矩信号, 信号调理器具有体 积小、易 携带、安装使 用方便、抗 干扰能力 强和 USB 端口直接供电等特点, 每通道的采样率最高可 达到 20 K / s, 其采集模块为美国 N I公司便携式高 性能数据采集模块, 轴功率测试仪的硬件连接框图 如图 1所示。
教育的重要组成部分。 / 四不放过 0 教育, 必须同 时充分利用系统教育 的理论和知识, 分析事故原 因, 采取防止事故重复发生的措施。 4. 2 要处理好系统化、规范化与修船企业安全工作
特殊性的关系 修船企业不同于一般企业, 不同的修船企业、
不同的工作岗位也有不同的特殊情况, 这就要求使
修船企业安全 教育的规范性与 针对性相统一。同
关键词: 轴功率; 扭矩; 测试仪 中图分类号: TK 421 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8328 ( 2006) 06- 0008- 03
Ab stract: A princ iple and structure o fm easurem ent instrum ent form arine ax ia l system is introduced. Rem ote stra in m easurem ent techno logy is used in the instrum ent and the instantaneous pow er o f m arine pow er of the ax ia l system can be m easured. Its accuracy is verified in the experim entation.
时, 安全教育的系统化和规范化要服从于修船企业
安全生产这个大局, 在适应上动脑筋、下功夫, 努
ຫໍສະໝຸດ Baidu
力摸索、寻找最佳 / 结合点 0。
4. 3 修船企业安全教育系统化和规范化对安技干
部提出了更高的要求
安技干部要努力用安全科技知识充实自己, 做
到 / 给人一滴水, 我有一桶水 0; 同时要善于总结
经验, 把在实践中得出是行之有效的东西, 上升为
对于此时全桥应变有:
$E = UK E。
( 6)
扭矩遥测仪主要由发射端与接收机组成。发射
端直接绑定在被测轴上, 随工作轴一同旋转, 测量 得到的电压数据经 FM 调制器发射, 接收端接收并
再调制模拟信号输出。发射端可在 6 m 范围内传递
测试轴所受的扭矩。接收端接收发射端传输的信号
并放大输出电压信号, 电压信号与测试轴的扭矩成
拉, 而另一边受压。
图 3 应变片粘贴方式与电桥 电路
受拉伸的电阻应变片阻值增大, 受压缩的电阻
应变片阻值减小, 致使电桥失去平衡, 此时测量输
出端有电压输出。
$E =
U 4
$R R1
1
-
$R2 R2
+
$R3 R3
-
$R 4 R4
,
( 4)
$E
=
UK 4
E1 - E2 + E3 - E4 ,
( 5)
K ey w ord s: ax ial pow er; torque; m easurem ent instrum ent
船舶轴系轴功率是船舶柴油机及其动力装置最 重要的性能参数。在新船出厂或船体改造交付船东 时船舶轴系轴功率是主要的测量参数, 它也是监测 船舶柴油机及其动力装置工作状态的主要参数。目 前船舶轴系轴功率测量主要使用振 弦式功率测试 仪, 其测量原理是间接测量轴系的输出扭矩和转速 得到轴系的功率, 这种测试仪的体积较大, 安装繁 琐, 测量易受到环境因素的影响。因此研制操作方 便、性能可靠、满足动态测量精度要求的便携式船 舶轴系轴功率测试仪已成为重要的研究课题。