动力装置轴系动态扭矩直接测试方法研究

Y( jω）
Ｈ（
j
ω）＝ F(
jω）
Ｈ（ｊ ω）称为频率响应函数或传递函数，是复数， 具有实部和虚部，分别表示其幅频特性｜ Ｈ （ｊω ）｜和 相频特性∠ Ｈ（ｊω）。
扭矩传感器在具体工作时，接入被测对象， 在校准时安装在校准装置中，构成耦合的多自由度 惯量 - 阻尼 - 弹簧系统。结合传递函数式的矩阵表 和单输入多输出（SIMO）法或多输入单输出（MISO） 法，可测定全部模态信息。结合信号分析和处 理，编制适当的计算机软件进行数据处理，修正 惯性项和刚度项模态，可以提高信噪比，得到可 靠的数据。
１ 前 言
随着现代造船工业和船舶科学技术的迅速发 展，对船舶机动性的要求越来越高，这就导致对 船舶动力系统的动态性能指标要求越来越高。其使 用工况复杂，需要频繁地进行倒车、正车、紧急 刹车、快速起动、突然加速或减速等非稳态运 行，动力装置需承受相当大的瞬时扭矩峰值，易 造成动力装置轴系的损伤，因此对瞬态扭矩需进行 实时监测。虽然目前部分船舶上已装备了扭矩测试 仪，解决了正常工作状态下的扭矩测量，但还不 能准确及时地反映动态扭矩峰值的大小。
Abstract : The measurement method on dynamic torque of power plant home and abroad is introduced. The principal and technology of this method are presented, which bring a new way for the measurement of dynamic torque on power plant. Keywords: dynamic torque; torque transducer; virtual measurement platform; digital signal analysis
２ 扭矩传感器的动态特性研究
传感器的动态特性最直接影响动态扭矩的测试 水平。从动力学知，一个系统、结构或器件在时 域的动态性能脉冲响应函数ｈ（ｔ）与其输入ｆ（ｔ）和输出
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柴 油 机
第 27 卷第 2 期
y(t)之间存在着如下的卷积关系：
将上式进行傅式变换，即转换成频域的简 单代数式：
Y( j ω）＝Ｈ（ j ω）·Ｆ（ j ω） 因此系统或器件的动态性能可通过对其施加 已知函数的激励力和测定其响应的比值来确定：
基于计算机系统的动态扭矩直接测试方法，是 研究轴系传递扭矩的动态波动，在轴系振动的控制 研究上是一种新型有效的方法，它对于研究轴系振 动的量级、轴内应力的大小、频率分布和轴系振 动控制目标是非常直观的。所以轴系动态扭矩的直 接测试完全可以用于轴系振动的测试分析和评估。
目前国内面临的情况是：由于动力装置系统的 复杂程度增加，导致了轴系测试本身的难以实现， 而系统复杂化后也使得计算误差加大，甚至对于一 些新的如冲击等瞬态过程问题连计算模型都没有研 究过，这都导致间接振幅测量法的不适用性。而 现实是，针对日益被关注的扭振问题，不论是船 厂、柴油机厂商还是船级社，都希望能够有更加 直接和准确的手段来对轴系振动的控制和分析进行 指导和验证。
Direct Measurement Method on Dynamic Torque of Power Plant
HU Bin, LIU Wei, JIANG Mingyong, WANG Weici, ZHOU Yan ( Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200011 )
收稿日期：２００４－１０－０ ９
计算和测量资料必须提出审批”，当扭转振动超 过规范值时，不允许出厂。在内燃机轴系的扭振 研究中，比较系统和成熟的方法是以离散模型为 特征的研究方法，它在船舶复杂轴系的计算中有 广泛的应用。但其计算结果的精度取决于模型参 数的精确性和计算方法，而且对自由振动的计算 精度要求要高于强迫振动。
2005 年3 月
胡宾等：动力装置轴系动态扭矩直接测试方法研究
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在相对静态扭矩信号中的微小动态信号，运用小信 号提取的技术（如小波分析等）来分离动态扭矩信 号，并结合 ＮＩ ＬＡＢＶＩＥＷ 的信号处理软件模块来进 行后处理和分析。
５ 结 论
由于现代造船工业和船舶科学技术的迅速发 展，船用主机技术含量的不断提高，无论在军用 或民用的各种舰船上都在不断出现各种新型动力装 置和复杂的传动轴系，这使得在这些场合需要用很 直接的测量方法来进行轴系动态扭转应力的现场测 试分析。
轴系在受到振动激励情况下会发生非常微小的 变形，一般直接测量是非常难以得到该信号的。
如钢弦传感器，由于钢弦受力变形时的变形量 △Ｌ与其自振频率平方的变化量△ｆ ２ 成正比，此时 轴扭矩的表达式可以写为：
M=KL △ fL2 － KY △ fY2
其 中 ，为 了 消 除 湿 度 、温 度 、外 力 、磁 场 等 对 传 感器的干扰，通常使用一对传感器，一拉一压，在 上式中：KL、KY 分别代表拉、压传感器的扭矩换 算常数。
基于计算机虚拟技术的动力装置轴系动态扭矩 直接测试方法是一种全新的测试技术。在专业化的 Ｌ Ａ Ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 虚拟测试平台基础上，结合计算机、小 振幅信号提取技术和信号分析等技术来实现动力装
置轴系动态扭矩的信号分离和提取以及分析，对信 号进行频谱分析和相关分析，为动力装置的动态扭 矩测试方法提供一个新的途径。
我国在动态扭矩测量方面相对落后，中国国家 计量院准备开展该方面的研究，目前正在研究旋转 条件下加载与静态加载对扭矩仪测量的影响。我国 在 ２０ 世纪 ８０ 年代末 ９０ 年代初，对扭矩传感器的动 态数学模型作过理论上的分析和探讨，并建立二阶 系统的数学模型。
内燃机轴系的扭转振动是影响该动力装置安 全运行的重要因素之一。由于轴系在旋转过程中 受到各种载荷的激励，加上本身的材料属性的分 布差异，会使得动力装置轴系在运动过程中产生 持续的有规律的附加动态小变形，而最直观反映 出来就是轴系传递扭矩会产生往复的动态波动， 这其中，轴系扭转振动带来的扭转变形的影响最 为明显和直接。船用标准、国家标准和 Ｉ Ｓ Ｏ 标准 等规定：“凡功率大于 １ ５ ０ ｈ ｐ 的内燃机扭转振动
３ 动力装置轴系动态扭矩直接测试方 法
传统扭振测试的方法是非接触式转速传感器测 量。转速脉冲信号传输给扭振仪，得到振幅模拟 信号，通过分析仪分析得出的共振转速和振幅， 和理论计算书进行对比，用计算振型来推算各轴段 的扭振应力和扭矩，故此种测量是间接测量。
随着现代测试技术的飞速发展，各类新型的测 量传感器和新型的测试方法、测试手段等的不断涌 现，使轴系扭转应力的现场测量成为可能。应变 型扭振测试系统采用新型应变片加数字无线遥测的 技术，其特点：体积小，精度高，动态范围大， 量程配置灵活，安装时无需对轴体和机械进行改造 和拆卸，是机械量电测的强有力的工具；配合数 字无线遥测技术，使其在保证精度和频响的同时， 进一步提高了应用范围。
在轴系振动控制领域，关心的是轴系内的应力 和振动扭矩。理论上说，要求试验能够直接测试 出应力值。目前使用和研究比较多的控制分析方法 是比较间接的方法－振幅测试法，即通过测试振幅 来推算轴段内的应力情况。这是一种以计算模型为 依托的测试分析方法，其准确度和分析深度受到理 论计算模型的可靠程度的限制。相比较而言，轴 系的动态扭矩的直接测试，可以非常直观地反映轴 段内振动应力和振动扭矩的情况，具有可靠和准确 的特点。
参考文献
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第 27 卷（2005)第 2期
柴油机 Diesel Engine
Vol.27(2005)No.2
减振与降噪
动力装置轴系动态扭矩直接测试方法研究
胡 宾，刘 伟，蒋明涌，王慰慈，周 炎
（七一一研究所，上海 20 00 11 ）
摘 要：介绍了动力装置动态扭矩测试的国内外现状和动力装置轴系动态扭矩直接测试法的原理和技术途径。为 动力装置动态扭矩测试提供了一个新的思路和方法。 关键词：动态扭矩；扭矩传感器；虚拟测试平台；数字信号分析 中图分类号：U664.21 文献标识码：A 文章编号：1001 － 4357(2005)02 － 0031 － ０３
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频谱分析是对动态信号在频域内进行分析，分 析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲 线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数。 频谱分析中可得到幅值谱、相位谱、功率谱和各 种谱密度等。频谱分析过程较为复杂，它是以傅 立叶级数和傅立叶积分为基础的。
动力装置轴系动态扭矩直接测试的计算机平台的 组成是基于虚拟技术和计算机通讯技术。以计算机作 为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的智能 化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软 件化，使之与计算机融为一体，构成全新的测试仪 器系统。美国 ＮＩ 公司的数据采集卡和 ＬＡＢＶＩＥＷ 软 件作为通用测试开发平台，在信号处理方面的能力已 经为世人所公认。利用 ＮＩ 公司的信号采集和采样硬 件模块，应用 ＬＡＢＶＩＥＷ 建立 ３２ 位编译的程序，能 快速执行高速数据采集、试验和测量，并可确保动 态扭矩信号的采集精度。在完成采样后，对于耦合
这样一来，用钢弦式传感器可以将轴的微小变 形信号给予二次方的放大。由于扭矩的动态波动与 静扭矩（即稳定传递的扭矩值）相比较一般都非 常小，所以对于该信号的采样和分析要求比较高， 这样才能保证精度如下图所示。
4 基于源自文库拟测试平台的数据采集和分 析
波形分析是对动态信号波形在时间域里进行分 析，即对动态信号的幅值以时间为坐标的函数ｘ＝ｆ（ｔ）在 时间域 Ｔ 内进行分析。通常的测试记录都是一维的记 录，一个数轴代表时间，另一个数轴代表某种物理 量的幅值，它代表了动态信号的幅度和时间的关系。 通过分析，给出各种量的幅值关系，如幅值的大小、 幅值对时间的分布、起始时间和持续时间、时间滞 后、相位滞后、以及波形的畸变等。一般用通常的 测量标度，以简单而迅速的直观方式显示。
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