朱明駿

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小型水下航行體動力系統(tǒng)測試技術(shù)應(yīng)用研究

朱明駿

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 65000）

本文結(jié)合小型水下航行體動力電池組和推進(jìn)電機(jī)組測試的要求，對小型水下航行體電動力系統(tǒng)的測試技術(shù)進(jìn)行了探討。通過對電動力系統(tǒng)測試的技術(shù)，進(jìn)而發(fā)展至與其他各系統(tǒng)仿真設(shè)備間的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)在陸上進(jìn)行小型水下航行體全產(chǎn)品測試，進(jìn)而對故障的準(zhǔn)確診斷，保證產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證的充分性和有效性。

電動力系統(tǒng)推進(jìn)電機(jī)組動力電池組測試技術(shù)

0 引言

小型水下航行體的電動力系統(tǒng)包括動力電池組和推進(jìn)電機(jī)(含電機(jī)控制器)(以下簡稱推進(jìn)電機(jī)組)，是航行體的重要組成部分。推進(jìn)電機(jī)組作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的功能組件，而動力電池組提供能源，其性能直接影響到小型水下航行體的航程和航速。由于航行體本身的體積、重量以及資源的限制，很難直接測量航行體在水下實(shí)際航行時(shí)系統(tǒng)的全部技術(shù)參數(shù)，只能得到部分技術(shù)參數(shù)。在航行體調(diào)試時(shí)，一般在陸上進(jìn)行，動力系統(tǒng)不具備額定工況工作條件，參與全系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)是在空載或低載狀態(tài)下進(jìn)行，電磁兼容性等差別較大，不能反映運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)。因此，對電動力系統(tǒng)進(jìn)行全工況測試，同時(shí)讓系統(tǒng)參加航行體全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成為必需解決的問題。

針對電動力系統(tǒng)的特點(diǎn)及測試要求，應(yīng)先分別對推進(jìn)電機(jī)組、動力電池組測試，而后進(jìn)行推進(jìn)電機(jī)組和動力電池組聯(lián)合測試，最后進(jìn)行電動力系統(tǒng)測試。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在陸上進(jìn)行小型水下航行體全產(chǎn)品測試。

1 推進(jìn)電機(jī)組的測試

小型水下航行體推進(jìn)電機(jī)組的測試，主要是在功率試驗(yàn)臺上進(jìn)行功率試驗(yàn)。推進(jìn)電機(jī)功率試驗(yàn)臺由供電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。

1.1 推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載選擇

在電機(jī)測試中，負(fù)載及測功設(shè)備一般采用電渦流測功機(jī)，也可采用風(fēng)扇測功機(jī)、水力測功機(jī)、電力測功機(jī)、功率吸收盤等。

電渦流測功機(jī)是利用電渦流效應(yīng)吸收被試電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率，電渦流測功機(jī)的感應(yīng)盤在被被試電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁密隨感應(yīng)盤的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化，在測功機(jī)冷卻室表面及一定深度內(nèi)將產(chǎn)生渦流電勢，并產(chǎn)生渦流。該渦流所產(chǎn)生的磁場與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生制動力矩。電渦流測功機(jī)具有低慣量、高精度、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，并且功率范圍也較寬，轉(zhuǎn)速較高，響應(yīng)速度較快，是目前動力機(jī)械測試主要使用的測功機(jī)之一。針對新型推進(jìn)電機(jī)為中小型電機(jī)且功率變化范圍大的特點(diǎn)，一般選擇電渦流測功機(jī)作為電機(jī)測試負(fù)載。

電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)主要由電渦流測功機(jī)、安裝底座組成。如圖1。

圖1 　負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　推進(jìn)電機(jī)測控系統(tǒng)配置

小型水下航行體推進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不僅電樞與磁系統(tǒng)相對旋轉(zhuǎn)，而且電樞與磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與功率可以相互轉(zhuǎn)換，因此在配置測試系統(tǒng)時(shí)采用對電渦流測功機(jī)分別控制的方式。電機(jī)測控系統(tǒng)包括測控微機(jī)、測控軟件、傳感器、測控執(zhí)行部件以及電渦流測功機(jī)控制器等。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2。

圖2 電機(jī)測控系統(tǒng)構(gòu)成框圖

如圖2，被試電機(jī)內(nèi)外軸和負(fù)載的連接采用直接連接方式，而不通過其他的傳動系傳遞以減少傳動損耗。這樣保證了被測電機(jī)在低功率段測試的準(zhǔn)確性。

電機(jī)測控系統(tǒng)可以測量被試電機(jī)的輸入電壓、電流、內(nèi)外軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，根據(jù)實(shí)測量計(jì)算內(nèi)外軸各自的輸出功率、電機(jī)輸出功率、電機(jī)效率、內(nèi)外軸失衡力矩等主要參數(shù)。

電機(jī)測控系統(tǒng)還具有擴(kuò)展的空間以備通過網(wǎng)絡(luò)與航行體其他系統(tǒng)的仿真設(shè)備和檢測設(shè)備間的通訊，以期在陸上實(shí)現(xiàn)航行體的全產(chǎn)品檢測和仿真。

2　動力電池組的測試

對于動力電池組的測試，除按電池有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試外，還應(yīng)針對航行體的使用條件和要求進(jìn)行試驗(yàn)測試。主要包括對電池組的安全性和容量進(jìn)行測試。

小型水下航行體對動力電池組的安全性要求，主要考慮電池組在濫用和極端條件下的安全性。當(dāng)電池單體出現(xiàn)泄放，甚至燃燒時(shí)，不影響其他單體電池，這樣就能保證整組動力電池組以至于航行體的安全性。此外，作為水下使用的設(shè)備，還應(yīng)考慮電池組在水中浸泡等極端條件下的安全性。因此安全性試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)針對這些方面要求進(jìn)行測試。

對動力電池組的容量測試主要采用把動力電池組接入放電負(fù)載，按技術(shù)要求進(jìn)行恒流或恒功率放電。負(fù)載一般采用水電阻、電阻絲等方式，也可以采用大功率的電子負(fù)載、回饋負(fù)載等方式。

3　推進(jìn)電機(jī)組和動力電池組的聯(lián)合測試

由于推進(jìn)電機(jī)組、動力電池組單獨(dú)測試時(shí)，有一定的局限性。一是動力電池組容量測試時(shí)采用的負(fù)載與電機(jī)作為負(fù)載有差別，特別在電機(jī)啟動和停止時(shí)對動力電池組電路有一定沖擊作用；二是推進(jìn)電機(jī)組單獨(dú)測試使用發(fā)電機(jī)組或穩(wěn)壓電源供電，其輸出特性與動力電池組有差別。同時(shí)，動力電池組與推進(jìn)電機(jī)組匹配進(jìn)行功率試驗(yàn)，可進(jìn)一步驗(yàn)證兩者設(shè)計(jì)額定工作點(diǎn)的匹配協(xié)調(diào)性，保證動力系統(tǒng)的輸出功率和效率。因此，對推進(jìn)電機(jī)組、動力電池組分別測試后，應(yīng)按航行體動力系統(tǒng)的要求，將動力電池組與推進(jìn)電機(jī)組匹配，在陸上功率試驗(yàn)臺上聯(lián)合進(jìn)行全航程功率試驗(yàn)測試。隨著水下航行體向長航時(shí)發(fā)展，要保證連續(xù)不間斷試驗(yàn)，對功率試驗(yàn)臺的可靠性也提出了更高要求。

4　電動力系統(tǒng)的測試

推進(jìn)電機(jī)組在單獨(dú)測試及與動力電池組聯(lián)合測試時(shí)，采用的負(fù)載為測功機(jī)。測功機(jī)一般采用恒轉(zhuǎn)速或恒轉(zhuǎn)矩控制方式，模擬某個(gè)工作點(diǎn)的負(fù)載特性，很難模擬實(shí)際負(fù)載推進(jìn)器的負(fù)載特性曲線。在電機(jī)啟動、調(diào)速中，過渡過程無法進(jìn)行有效的考核驗(yàn)證。要解決這個(gè)問題，必須帶航行體推進(jìn)器實(shí)際負(fù)載進(jìn)行功率試驗(yàn)。同時(shí)，電動力系統(tǒng)額定工況相比空載或低載狀態(tài)下，與航行體其他系統(tǒng)的電磁兼容性影響差別較大，這也要求電動力系統(tǒng)在額定工況與其他系統(tǒng)匹配調(diào)試試驗(yàn)。由于條件限制，該項(xiàng)測試目前在業(yè)內(nèi)尚未形成較為成熟的試驗(yàn)測試方法。

針對小型水下航行體的特點(diǎn)，可采用全產(chǎn)品試車水箱進(jìn)行測試。目前，全產(chǎn)品試車水箱對于低速小尺度航行體基本能滿足試驗(yàn)要求。但隨著航速增加，水箱中的水流附加阻力增大，導(dǎo)致動力系統(tǒng)增加額外輸出功率，使測試出現(xiàn)較大差異，甚至可能損傷動力系統(tǒng)。為此，應(yīng)考慮改進(jìn)全產(chǎn)品試車水箱。改進(jìn)后的全產(chǎn)品試車水箱由環(huán)形水箱、輔助電機(jī)及調(diào)速器、輔助螺旋槳、密封卡環(huán)以及支撐架組成，如圖3所示。

1-產(chǎn)品；2-支撐架及綁帶；3-密封連接法蘭；4-水箱；5-輔助螺旋槳；6-輔助電機(jī)；7-輔助電機(jī)變頻調(diào)速器

全產(chǎn)品試車水箱是一個(gè)密封的環(huán)形水箱，如圖4所示。水箱上的產(chǎn)品安裝孔直徑大于φ533mm，通過密封法蘭將水箱與產(chǎn)品密封 (密封法蘭與產(chǎn)品的接觸面、密封法蘭與水箱的接觸面均為橡膠密封圈)。試驗(yàn)時(shí)先將密封法蘭安裝到產(chǎn)品上，再把產(chǎn)品吊裝至水箱安裝孔，用螺栓把密封法蘭壓緊在水箱上后，用支撐架支撐住產(chǎn)品。此時(shí)可向水箱進(jìn)水進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，先起動輔助電機(jī)(件5)，然后起動推進(jìn)電機(jī)組。用流速計(jì)測量水箱中的水流速度。通過實(shí)航試驗(yàn)時(shí)測得的數(shù)據(jù)來修正水箱中水的流速與產(chǎn)品在實(shí)航中的實(shí)際航速的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)輔助電機(jī)(件5)是水箱中的水流速度滿足產(chǎn)品實(shí)航時(shí)的速度。此時(shí)的電機(jī)組的功率與電池組的放電電流就基本上與實(shí)際航行時(shí)一致，可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試。

圖4 　全產(chǎn)品試車水箱工作原理示意圖

利用試車水箱可以實(shí)現(xiàn)讓系統(tǒng)參與全產(chǎn)品的聯(lián)調(diào)，對產(chǎn)品故障進(jìn)行診斷。對于自航式水雷、誘餌這一類航行時(shí)間超長的產(chǎn)品來說，在陸上進(jìn)行產(chǎn)品的全航程試驗(yàn)是十分必要的。利用試車水箱還可以進(jìn)行產(chǎn)品全航程試驗(yàn)，這樣既降低了實(shí)航試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，也大大節(jié)約時(shí)間減少了成本。

4 結(jié)束語

在小型水下航行體重量、空間、資源受限的情況下，發(fā)展陸上測試技術(shù)無論對系統(tǒng)本身還是產(chǎn)品的其他系統(tǒng)都是十分必要的。隨技術(shù)水平的提高，對電動力系統(tǒng)分階段逐步開展測試，能有效的對產(chǎn)品進(jìn)行充分驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，電機(jī)測控系統(tǒng)與航行體其他系統(tǒng)的仿真設(shè)備和檢測設(shè)備有機(jī)融合，可實(shí)現(xiàn)在陸上對小型水下航行體的全產(chǎn)品檢測和仿真。隨著UUV、魚雷、自航水雷、誘餌等小型水下航行體向遠(yuǎn)航程、長航時(shí)發(fā)展，實(shí)航試驗(yàn)將越來越困難，在陸上進(jìn)行充分試驗(yàn)已成為趨勢，按此方法在陸上進(jìn)行試驗(yàn)測試可有效解決這一難題。

[1] 劉建國. 交流電力測功機(jī)及其控制系統(tǒng)研究.湖南大學(xué)碩士論文.

[2] 徐伯雄,竇玉琴. 電機(jī)測量.北京: 清華大學(xué)出版社

[3] 謝順依,劉小虎. 魚雷推進(jìn)電機(jī)斬波調(diào)速裝置研究．水中兵器論文集，2004（增刊）: 119-123.

[4] 戴維.林登,托馬斯B.雷迪著, 汪繼強(qiáng)等譯.電池手冊,原著第三版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社.

Electric Power System Testing Technologies of Small Underwater Vehicles

Zhu Mingjun

（Naval Representatives office in Kunming, Kunming 650000, China）

TM91

A

1003-4862（2013）12-0024-03

2013-05-09

朱明駿(1971-)，男，高級工程師。專業(yè)方向：水中兵器。