龐勝利，李日財，付世偉，郭茹俠

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安　710121；2.西安郵電大學 電子工程學院，西安　710121；3.長安大學 信息工程學院，西安　710061)

?

船舶軸系雙通道軸功率與扭振應力測量分析軟件研發(fā)

龐勝利1，李日財1，付世偉2，郭茹俠3

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安710121；2.西安郵電大學 電子工程學院，西安710121；3.長安大學 信息工程學院，西安710061)

摘要：為了實現(xiàn)船舶雙推進軸系軸功率及扭振應力的動態(tài)測量，開發(fā)設計了軸功率與扭振應力測量分析軟件，描述了軸功率及扭振應力測量的基本原理及所需設備，測量軟件通過對船舶推進軸系的扭矩和轉速的實時采集和計算轉換，實時計算出軸功率及扭振應力，并且能夠實時顯示和存儲扭矩，轉速，軸功率即扭振應力；同時根據(jù)測量圈數(shù)對扭振應力進行頻域分析，通過數(shù)據(jù)回放功能能夠選擇指定測量文件進行回放觀察；最后，實船測試表明，該系統(tǒng)測試精確度高，軸功率與扭振應力分析結果顯示直觀，滿足了船舶雙推進軸系軸功率與扭振應力分析的設計要求。

關鍵詞：船舶軸系；軸功率；扭振應力

0引言

軸功率是船用柴油機及其動力裝置最重要的性能參數(shù)之一，可通過間接測量軸系的輸出扭矩和轉速得到[1]。在新船出場交付或在船舶動力裝置修理后，都需要進行實船測試并測定其有效功率。此外，在船舶運行過程檢測機組工況及故障診斷時，也要進行軸功率測量。

本文基于Delphi，利用其面向對象易于開發(fā)、第三方控件成熟眾多可完成各類界面美化設計等特點，進行軸系雙通道軸功率與扭振應力測量分析軟件系統(tǒng)的開發(fā)，通過對船舶推進軸系的扭矩、轉速的實時采集和分析處理，實現(xiàn)了軸功率與扭振應力的實時測量分析。不僅能夠實時顯示和存儲測量數(shù)據(jù)文件，還能夠通過數(shù)據(jù)回放功能選擇指定測量文件進行顯示分析。

1測試計算原理

扭矩是船舶軸功率測試中的關鍵，通過扭矩和轉速可求得軸功率與扭振應力，船舶上經(jīng)常采用傳遞法來測量扭矩。傳遞法是指根據(jù)彈性軸在收到轉矩作用時產(chǎn)生的變形、應力或應變與轉矩的關系來測量扭矩的方法[2]。傳遞法根據(jù)測量的參數(shù)不同，可分為扭轉角型，應力型和應變型。目前，扭轉角型和應變型這兩種扭矩測試方法被廣泛應用于船舶軸功率測量中。扭轉角法是通過直接或間接測得扭轉角θ，即扭振幅度，然后根據(jù)扭振計算出扭矩值。這種方法測量實現(xiàn)簡單，但由于測量和計算中都存在精度問題，最后計算得到的軸功率與扭振應力結果誤差較大。本文采用的是應變型測量方法，通過沿給定軸±45°方向上分別黏貼4片應變片[3-5]，將其組成惠斯頓電橋，通過Torque Trak 10 K(TT10 K)將應變量轉換成電壓值輸出后計算扭矩。應變片黏貼方式如圖1所示。

圖1　應變片黏貼方式

軸系雙通道軸功率與扭振應力測量分析系統(tǒng)扭矩測量利用TT10K扭矩遙測和應變計實現(xiàn)，轉速測量采用磁阻傳感器實現(xiàn)。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2軸系雙通道軸功率與扭振應力測量分析系統(tǒng)結構框圖

1.1扭矩測量原理

測量發(fā)動機軸的扭矩采用電阻應變片法，把應變片貼到發(fā)動機軸上(如圖1貼法)，原理是發(fā)動機軸系轉動中，貼在軸系上的電阻應變片會隨著軸的變動發(fā)生形變，這樣電阻應變片阻值就會改變，阻值的變化會帶來電壓值的變化，利用放大器把微弱的電壓變化值放大后，通過AD轉換之后，通過USB或網(wǎng)口發(fā)送給軸系雙通道軸功率與扭振應力測量分析軟件進行扭矩計算。把就可以求得軸的扭矩[6]。AD采集頻率將隨著磁阻傳感器送來的的轉標信號產(chǎn)生不同的變化，以確保采集的精確性。

電壓值與被測軸的扭矩成正比，滿足如下計算公式[7]：

(1)

式中，Vout為扭矩遙測系統(tǒng)接收機調理后的輸出電壓(V)；MFS為滿量程扭矩(N·m)；VFS為滿量程電壓(V)；E 為軸材料的彈性模量(N·mm2)；di為軸內徑(mm)；d0為軸外徑(mm)；VEXC為電橋勵磁電壓(V)；kGF為應變片靈敏系數(shù)；N 為電橋橋臂數(shù)；u為軸材料的泊松比；GXMT為扭矩遙測系統(tǒng)發(fā)射裝置的放大倍數(shù)。

本系統(tǒng)采用的是16位AD進行電壓采樣，則要某點的采集值為N，則該點的電壓值為：Vout=N/216×10，再將計算得到的電壓帶入(2)式中計算即可。

1.2轉速測量原理

轉速測量采用測頻法，即通過測量正對飛輪安裝的磁阻傳感器產(chǎn)生的脈沖信號個數(shù)來確定轉速。磁阻傳感器正對飛輪安裝，軸運行時，飛輪沒轉過一個齒輪即產(chǎn)生一個脈沖，輸出到接口控制器通過計數(shù)器進行計數(shù)，軸的轉速可根據(jù)下式計算[8]：

n=60N/Mt

(2)

式中，n為被測軸轉速(r/min)；t為接口控制器計數(shù)時間，根據(jù)計數(shù)器工作頻率計算，本系統(tǒng)采用的計數(shù)器工作頻率為36M；N位時間t內計數(shù)器測定的脈沖數(shù)；M為飛輪齒數(shù)。

1.3軸功率計算

對以軸為輸出裝置的柴油機來說，軸功率Pe的計算公式如[7]：

Pe=(Me×n)/9550

(3)

式中，Me為軸的輸出扭矩(N*m)；n為軸的轉速(r/min)。因此，只要通過公式(1)、(2)計算出實時扭矩和實時轉速即可帶入(3)式中計算得到實時軸功率。

1.4扭振應力計算

扭振應力即在在扭矩作用下，軸表面微體中最大切應力。根據(jù)材料力學可知切應力大小τ計算公式為：

(4)

式中， Wp為軸的抗扭截面系數(shù), 僅與截面尺寸有關。Me為被測軸輸出扭矩。又根據(jù)材料力學有：

(5)

式中，Jp為極慣性矩，R為軸外半徑，將上兩式代入(5)中即可求得軸的抗扭截面系數(shù)Wp，再代入(4)中最終得扭振應力公式為：

(6)

這樣便可通過扭矩求得最終的扭振應力。

2軟件總體方案設計

2.1軟件功能設計

圖3所示為軟件總體功能架構圖。

圖3　軟件總體功能架構圖

下位機通信模塊主要功能是與下位機通過USB或網(wǎng)口進行通信，如告訴下位機進行哪種測量，測量的參數(shù)為多少，并接收下位機回送過來的測量數(shù)據(jù)；軸功率與扭振應力測量功能模塊則是完成軸功率與扭振應力測量功能，包括測量參數(shù)設置，數(shù)據(jù)回送幀解析等功能；數(shù)據(jù)轉換模塊主要功能為根據(jù)拉依達準則剔除接收到的測量數(shù)據(jù)中的異常值，然后進行轉換和計算，得到實時扭矩、實時轉速、實時軸功率以及實時扭振應力，并根據(jù)轉標信號對扭振應力進行頻域分析得到頻域的諧次振幅等數(shù)據(jù)；文件管理模塊的主要功能是將測量時的一些周邊數(shù)據(jù)如測量時間、測量地點、幾個通道以及重要的測量數(shù)據(jù)等存成測量文件以待后面的測量人員分析；數(shù)據(jù)顯示模塊則是根據(jù)保存的測量文件，將經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換和處理的數(shù)據(jù)繪成時域波形圖、頻域圖以及頻譜表等。

2.2軟件功能模塊詳細設計

2.2.1文件管理模塊

軟件的數(shù)據(jù)包括實時測量的數(shù)據(jù)和歷史測量存儲的數(shù)據(jù)。實時測量的數(shù)據(jù)主要為計算時需要的采集值以及一些參數(shù)設置，軟件將接口控制器發(fā)送來的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析計算后實時寫入文件中。文件新建采用拷貝事先建立好的temp.db數(shù)據(jù)庫文件的方式建立數(shù)據(jù)庫文件,并保存為*.PWM格式。數(shù)據(jù)庫中包含有三張表：測量任務信息tb_Task；測量工況數(shù)據(jù)tb_Data；測量工況參數(shù)設置tb_Parameter。其中測量任務信息表中包含有本次任務的信息，如任務測試船名，測試人，測試開始信息，備注以及該任務包含工況總數(shù)等；測量工況數(shù)據(jù)表中包含有單次工況號，該工況點數(shù)、圈數(shù)，每點的實時采集值，轉換計算后的實時扭矩、實時轉速、實時軸功率、實時扭振應力值以及本工況中總的平均扭矩、平均軸功率和平均扭振應力值；測量工況參數(shù)設置表中則包含用于與測量數(shù)據(jù)對應參與計算的單次工況號以及計算原理中計算所需的參數(shù)如軸內徑、軸外徑、彈性模量等[8]。

2.2.2軸功率與扭振應力測量模塊

軸功率與扭振應力測量中，需要扭矩值，而扭矩值可由TT10K輸出的電壓值計算得到。計算扭矩值，需要很多參數(shù)，即需要預先設置好測量參數(shù)，同時測量參數(shù)中包含有本次工況預期需要的測量時間設置或測量圈數(shù)設置。測量時，軟件將接收到的轉速數(shù)據(jù)，智能調整接收接數(shù)據(jù)的間隔，同時將測量數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換計算后動態(tài)顯示出來。

圖4　軸功率與扭振應力測量的流程圖

2.2.3通信模塊設計

為完成與接口控制器高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互通信，利用USB接口及網(wǎng)口開發(fā)通信模塊。同時考慮到測量的實時性較高，故單獨創(chuàng)建一通信線程用于與接口控制器通信，其中以太網(wǎng)通信采用阻塞方式。在通信線程中加上USB及網(wǎng)口接口支持，完成比通用串口更加高速有效的信息交互。同時將整個通信線程封裝有USB接口端口號和超時設置，網(wǎng)口IP地址及端口號等設置信息、數(shù)據(jù)暫存的接收數(shù)據(jù)數(shù)組、發(fā)送命令數(shù)組存儲空間以及用于發(fā)送、接收以及解析數(shù)據(jù)幀的函數(shù)及過程。

2.2.4數(shù)據(jù)顯示模塊

軸功率、扭振應力測量完畢后即進行計算，即可得到軸功率、扭振應力時域信號以及對扭振應力根據(jù)圈數(shù)做FFT變換后的頻譜圖形、數(shù)據(jù)表(0.5-16諧次)[9]。

軸功率時域如圖5所示，這是采集原始數(shù)據(jù)顯示的軸功率圖，還存在一些野值需要剔除，扭振應力時域如圖6所示，扭振應力頻域分析如圖7所示。

圖5　軸功率時域圖

圖6　扭振應力

圖7　扭振應力頻域圖

2.2.5數(shù)據(jù)轉換計算模塊

根據(jù)最前面所述的測量原理，根據(jù)奈爾準則進行剔除圖5中的野值。

奈爾檢驗的臨界值見文獻[10]。選定顯著性水平α，由n查表確定臨界值R(α,n)，可以得到P(r>R(α,n))=α

因此有如下的判別準則：若統(tǒng)計量

則認為對應的觀測值xi為野值，應予剔除；否則為正常，保留數(shù)據(jù)。

粗大誤差的剔除是一個反復的過程，當剔除了一個異常值后，應重新計算標準差，再進行驗證。圖5與圖8對比可以看出有明顯的改善，沒有比較大的野值存在了。

圖8　軸功率時域圖處理之后

在軟件得到接口控制器的測量采集值后，通過數(shù)據(jù)轉換計算模塊將采集值經(jīng)過計算轉換成每點的實時軸功率和實時扭振應力以及經(jīng)過DFT變換后的各諧次扭振應力值，并通過文件管理模塊保存成為對應工況的*.PWM文件，通過數(shù)據(jù)顯示模塊顯示。

3實驗結果與分析

應用本文研制的雙軸系軸功率與扭振應力測量分析軟件，在某船廠32Wt油輪上進行了軸功率測量，測量參數(shù)中額定功率為9 480 kW，額定轉速127 r/min，推進軸直徑420 mm。按照試航大綱要求，測量主機負載在50%，75%，90%和100%4種工況下額軸功率，測量結果如表1所示。

表1　碼速率準確度和穩(wěn)定度測

4結語

船舶軸功率與扭振應力測量是實船測試的一項重要環(huán)節(jié)，而軸功率與扭振應力測量分析軟件也是軸功率與扭振應力分析系統(tǒng)中的重要組成部分。

本文設計的軸功率與扭振應力測量分析軟件針對軸功率與扭振應力測量分析的精度問題，設計了測量參數(shù)設置環(huán)節(jié)，盡量保證對扭矩信號完成整周期采樣。在實時采集數(shù)據(jù)的同時，根據(jù)測量數(shù)據(jù)換算出軸功率和扭振應力并根據(jù)整轉數(shù)據(jù)完成扭振應力整周期FFT變換得到頻譜圖；同時將原始數(shù)據(jù)及參數(shù)信息，計算轉換后的軸功率與扭振應力數(shù)據(jù)及扭振應力FFT變換數(shù)據(jù)保存寫入文件中，便于進一步的調用和分析。同時對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，剔除異常的測量數(shù)據(jù)。測量軟件功能完善，界面友好，用戶操作體驗方便簡單，通過實船測試，也驗證了測量軟件的精確性、可靠性和實用性，可在軸系測量及分析中得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 俞汲, 胡瓊, 徐杰. 基于LabVIEW的軸功率測量系統(tǒng)軟件的設計[J]. 船舶工程,2010 (S2): 61-64.

[2] 甘少煒, 范世東, 周剛. 船舶柴油機軸功率測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 船海工程,2006 (01): 25-27.

[3]段然, 肖立峰. 材料拉伸試驗中影響應變片測量精度的因素分析[J]. 機械設計,2013 (12): 76-80.

[4]張晚晴, 陳睿穎, 陳澤生,等. 應變片貼片位置對輪軌橫向水平力測試精度的影響[J]. 城市軌道交通研究,2012 (03): 58-60+68.

[5]呂凡任, 邵紅才, 金耀華, 等. 正壓力對電阻應變片應變測量影響的試驗研究[J]. 工業(yè)建筑,2012 (06): 98-101.

[6] 李震, 桂長林, 孫軍. 內燃機曲軸軸系振動分析研究的現(xiàn)狀、討論與展望[J]. 內燃機學報,2002 (05): 469-474.

[7]王磊. 船舶復雜推進軸系扭振機理及計算軟件研究 [D]: 武漢理工大學; 2011.

[8] 仇學敏. 分析軟件開發(fā)中數(shù)據(jù)庫設計理論的實踐[J]. 制造業(yè)自動化,2012 (15): 91-93.

[9]蔡鵬飛, 徐榮, 郭宜斌, 等. 含有皮帶驅動附件的船舶柴油機軸系扭振分析[J]. 艦船科學技術,2015 (03): 77-80.

[10] 王中宇,劉智敏,夏新濤,等.測量誤差與不確定度評定[M].北京:科學出版社,2008.

Software Development on Ship Shafting Dual Channel Shaft Power and Stress Measurement of Torsional Vibration Analysis

Pang Shengli1,Li Ricai1,Fu Shiwei2, Guo Ruxia3

(1.Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an710121, China;2.School of Information Engineering,Chang’an University, Xi’an710064, China)

Abstract:In order to achieve the ship double shaft power propulsion shafting and dynamic measurement of torsional vibration stress, the shaft power and torsional vibration stress software on measurement and analysis was developed and designed. The basic principle of shaft power, the torsional vibration stress measurement and the required equipment was described. Through ship propulsion shafting of torque and rotational speed of real-time acquisition and conversion, measuring software was able to calculate the shaft power and the torsional vibration stress and display and storage of torque, rotating speed and shaft power and the torsional vibration stress in real time. At the same time, according to the measurement turns, torsional vibration stress was analyzed in the frequency domain. The data playback can select specified measured file with playback observation.Prototype test shows that the system test precision is high. Shaft power and torsional vibration stress analysis results are showed intuitively,which satisfy the design requirements on ship's double propulsion shafting shaft power and torsional vibration stress analysis.

Keywords:ship shafting; shaft power; torsional vibration stress

文章編號：1671-4598(2016)02-0300-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.083

中圖分類號：TP311.52

文獻標識碼：A

作者簡介：龐勝利(1980-)，男，河北邢臺人，講師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術方向的研究。

基金項目：西安郵電大學青年教師科研基金資助項目(ZL2010-01)。

收稿日期：2015-08-22；修回日期：2015-09-18。