船舶轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析软件研发

庞胜利，李日财，付世伟，郭茹侠

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安　710121；2.西安邮电大学 电子工程学院，西安　710121；3.长安大学 信息工程学院，西安　710061)



船舶轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析软件研发

庞胜利1，李日财1，付世伟2，郭茹侠3

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安710121；2.西安邮电大学 电子工程学院，西安710121；3.长安大学 信息工程学院，西安710061)

摘要：为了实现船舶双推进轴系轴功率及扭振应力的动态测量，开发设计了轴功率与扭振应力测量分析软件，描述了轴功率及扭振应力测量的基本原理及所需设备，测量软件通过对船舶推进轴系的扭矩和转速的实时采集和计算转换，实时计算出轴功率及扭振应力，并且能够实时显示和存储扭矩，转速，轴功率即扭振应力；同时根据测量圈数对扭振应力进行频域分析，通过数据回放功能能够选择指定测量文件进行回放观察；最后，实船测试表明，该系统测试精确度高，轴功率与扭振应力分析结果显示直观，满足了船舶双推进轴系轴功率与扭振应力分析的设计要求。

关键词：船舶轴系；轴功率；扭振应力

0引言

轴功率是船用柴油机及其动力装置最重要的性能参数之一，可通过间接测量轴系的输出扭矩和转速得到[1]。在新船出场交付或在船舶动力装置修理后，都需要进行实船测试并测定其有效功率。此外，在船舶运行过程检测机组工况及故障诊断时，也要进行轴功率测量。

本文基于Delphi，利用其面向对象易于开发、第三方控件成熟众多可完成各类界面美化设计等特点，进行轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析软件系统的开发，通过对船舶推进轴系的扭矩、转速的实时采集和分析处理，实现了轴功率与扭振应力的实时测量分析。不仅能够实时显示和存储测量数据文件，还能够通过数据回放功能选择指定测量文件进行显示分析。

1测试计算原理

扭矩是船舶轴功率测试中的关键，通过扭矩和转速可求得轴功率与扭振应力，船舶上经常采用传递法来测量扭矩。传递法是指根据弹性轴在收到转矩作用时产生的变形、应力或应变与转矩的关系来测量扭矩的方法[2]。传递法根据测量的参数不同，可分为扭转角型，应力型和应变型。目前，扭转角型和应变型这两种扭矩测试方法被广泛应用于船舶轴功率测量中。扭转角法是通过直接或间接测得扭转角θ，即扭振幅度，然后根据扭振计算出扭矩值。这种方法测量实现简单，但由于测量和计算中都存在精度问题，最后计算得到的轴功率与扭振应力结果误差较大。本文采用的是应变型测量方法，通过沿给定轴±45°方向上分别黏贴4片应变片[3-5]，将其组成惠斯顿电桥，通过Torque Trak 10 K(TT10 K)将应变量转换成电压值输出后计算扭矩。应变片黏贴方式如图1所示。

图1　应变片黏贴方式

轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析系统扭矩测量利用TT10K扭矩遥测和应变计实现，转速测量采用磁阻传感器实现。系统结构如图2所示。

图2轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析系统结构框图

1.1扭矩测量原理

测量发动机轴的扭矩采用电阻应变片法，把应变片贴到发动机轴上(如图1贴法)，原理是发动机轴系转动中，贴在轴系上的电阻应变片会随着轴的变动发生形变，这样电阻应变片阻值就会改变，阻值的变化会带来电压值的变化，利用放大器把微弱的电压变化值放大后，通过AD转换之后，通过USB或网口发送给轴系双通道轴功率与扭振应力测量分析软件进行扭矩计算。把就可以求得轴的扭矩[6]。AD采集频率将随着磁阻传感器送来的的转标信号产生不同的变化，以确保采集的精确性。

电压值与被测轴的扭矩成正比，满足如下计算公式[7]：

(1)

式中，Vout为扭矩遥测系统接收机调理后的输出电压(V)；MFS为满量程扭矩(N·m)；VFS为满量程电压(V)；E 为轴材料的弹性模量(N·mm2)；di为轴内径(mm)；d0为轴外径(mm)；VEXC为电桥励磁电压(V)；kGF为应变片灵敏系数；N 为电桥桥臂数；u为轴材料的泊松比；GXMT为扭矩遥测系统发射装置的放大倍数。

本系统采用的是16位AD进行电压采样，则要某点的采集值为N，则该点的电压值为：Vout=N/216×10，再将计算得到的电压带入(2)式中计算即可。

1.2转速测量原理

转速测量采用测频法，即通过测量正对飞轮安装的磁阻传感器产生的脉冲信号个数来确定转速。磁阻传感器正对飞轮安装，轴运行时，飞轮没转过一个齿轮即产生一个脉冲，输出到接口控制器通过计数器进行计数，轴的转速可根据下式计算[8]：

n=60N/Mt

(2)

式中，n为被测轴转速(r/min)；t为接口控制器计数时间，根据计数器工作频率计算，本系统采用的计数器工作频率为36M；N位时间t内计数器测定的脉冲数；M为飞轮齿数。

1.3轴功率计算

对以轴为输出装置的柴油机来说，轴功率Pe的计算公式如[7]：

Pe=(Me×n)/9550

(3)

式中，Me为轴的输出扭矩(N*m)；n为轴的转速(r/min)。因此，只要通过公式(1)、(2)计算出实时扭矩和实时转速即可带入(3)式中计算得到实时轴功率。

1.4扭振应力计算

扭振应力即在在扭矩作用下，轴表面微体中最大切应力。根据材料力学可知切应力大小τ计算公式为：

(4)

式中， Wp为轴的抗扭截面系数, 仅与截面尺寸有关。Me为被测轴输出扭矩。又根据材料力学有：

(5)

式中，Jp为极惯性矩，R为轴外半径，将上两式代入(5)中即可求得轴的抗扭截面系数Wp，再代入(4)中最终得扭振应力公式为：

(6)

这样便可通过扭矩求得最终的扭振应力。

2软件总体方案设计

2.1软件功能设计

图3所示为软件总体功能架构图。

图3　软件总体功能架构图

下位机通信模块主要功能是与下位机通过USB或网口进行通信，如告诉下位机进行哪种测量，测量的参数为多少，并接收下位机回送过来的测量数据；轴功率与扭振应力测量功能模块则是完成轴功率与扭振应力测量功能，包括测量参数设置，数据回送帧解析等功能；数据转换模块主要功能为根据拉依达准则剔除接收到的测量数据中的异常值，然后进行转换和计算，得到实时扭矩、实时转速、实时轴功率以及实时扭振应力，并根据转标信号对扭振应力进行频域分析得到频域的谐次振幅等数据；文件管理模块的主要功能是将测量时的一些周边数据如测量时间、测量地点、几个通道以及重要的测量数据等存成测量文件以待后面的测量人员分析；数据显示模块则是根据保存的测量文件，将经过数据转换和处理的数据绘成时域波形图、频域图以及频谱表等。

2.2软件功能模块详细设计

2.2.1文件管理模块

软件的数据包括实时测量的数据和历史测量存储的数据。实时测量的数据主要为计算时需要的采集值以及一些参数设置，软件将接口控制器发送来的数据经过解析计算后实时写入文件中。文件新建采用拷贝事先建立好的temp.db数据库文件的方式建立数据库文件,并保存为*.PWM格式。数据库中包含有三张表：测量任务信息tb_Task；测量工况数据tb_Data；测量工况参数设置tb_Parameter。其中测量任务信息表中包含有本次任务的信息，如任务测试船名，测试人，测试开始信息，备注以及该任务包含工况总数等；测量工况数据表中包含有单次工况号，该工况点数、圈数，每点的实时采集值，转换计算后的实时扭矩、实时转速、实时轴功率、实时扭振应力值以及本工况中总的平均扭矩、平均轴功率和平均扭振应力值；测量工况参数设置表中则包含用于与测量数据对应参与计算的单次工况号以及计算原理中计算所需的参数如轴内径、轴外径、弹性模量等[8]。

2.2.2轴功率与扭振应力测量模块

轴功率与扭振应力测量中，需要扭矩值，而扭矩值可由TT10K输出的电压值计算得到。计算扭矩值，需要很多参数，即需要预先设置好测量参数，同时测量参数中包含有本次工况预期需要的测量时间设置或测量圈数设置。测量时，软件将接收到的转速数据，智能调整接收接数据的间隔，同时将测量数据经过转换计算后动态显示出来。

图4　轴功率与扭振应力测量的流程图

2.2.3通信模块设计

为完成与接口控制器高效稳定的数据交互通信，利用USB接口及网口开发通信模块。同时考虑到测量的实时性较高，故单独创建一通信线程用于与接口控制器通信，其中以太网通信采用阻塞方式。在通信线程中加上USB及网口接口支持，完成比通用串口更加高速有效的信息交互。同时将整个通信线程封装有USB接口端口号和超时设置，网口IP地址及端口号等设置信息、数据暂存的接收数据数组、发送命令数组存储空间以及用于发送、接收以及解析数据帧的函数及过程。

2.2.4数据显示模块

轴功率、扭振应力测量完毕后即进行计算，即可得到轴功率、扭振应力时域信号以及对扭振应力根据圈数做FFT变换后的频谱图形、数据表(0.5-16谐次)[9]。

轴功率时域如图5所示，这是采集原始数据显示的轴功率图，还存在一些野值需要剔除，扭振应力时域如图6所示，扭振应力频域分析如图7所示。

图5　轴功率时域图

图6　扭振应力

图7　扭振应力频域图

2.2.5数据转换计算模块

根据最前面所述的测量原理，根据奈尔准则进行剔除图5中的野值。

奈尔检验的临界值见文献[10]。选定显著性水平α，由n查表确定临界值R(α,n)，可以得到P(r>R(α,n))=α

因此有如下的判别准则：若统计量

则认为对应的观测值xi为野值，应予剔除；否则为正常，保留数据。

粗大误差的剔除是一个反复的过程，当剔除了一个异常值后，应重新计算标准差，再进行验证。图5与图8对比可以看出有明显的改善，没有比较大的野值存在了。

图8　轴功率时域图处理之后

在软件得到接口控制器的测量采集值后，通过数据转换计算模块将采集值经过计算转换成每点的实时轴功率和实时扭振应力以及经过DFT变换后的各谐次扭振应力值，并通过文件管理模块保存成为对应工况的*.PWM文件，通过数据显示模块显示。

3实验结果与分析

应用本文研制的双轴系轴功率与扭振应力测量分析软件，在某船厂32Wt油轮上进行了轴功率测量，测量参数中额定功率为9 480 kW，额定转速127 r/min，推进轴直径420 mm。按照试航大纲要求，测量主机负载在50%，75%，90%和100%4种工况下额轴功率，测量结果如表1所示。

表1　码速率准确度和稳定度测

4结语

船舶轴功率与扭振应力测量是实船测试的一项重要环节，而轴功率与扭振应力测量分析软件也是轴功率与扭振应力分析系统中的重要组成部分。

本文设计的轴功率与扭振应力测量分析软件针对轴功率与扭振应力测量分析的精度问题，设计了测量参数设置环节，尽量保证对扭矩信号完成整周期采样。在实时采集数据的同时，根据测量数据换算出轴功率和扭振应力并根据整转数据完成扭振应力整周期FFT变换得到频谱图；同时将原始数据及参数信息，计算转换后的轴功率与扭振应力数据及扭振应力FFT变换数据保存写入文件中，便于进一步的调用和分析。同时对数据进行统计分析，剔除异常的测量数据。测量软件功能完善，界面友好，用户操作体验方便简单，通过实船测试，也验证了测量软件的精确性、可靠性和实用性，可在轴系测量及分析中得到广泛的应用。

参考文献：

[1] 俞汲, 胡琼, 徐杰. 基于LabVIEW的轴功率测量系统软件的设计[J]. 船舶工程,2010 (S2): 61-64.

[2] 甘少炜, 范世东, 周刚. 船舶柴油机轴功率测量系统的设计与实现[J]. 船海工程,2006 (01): 25-27.

[3]段然, 肖立峰. 材料拉伸试验中影响应变片测量精度的因素分析[J]. 机械设计,2013 (12): 76-80.

[4]张晚晴, 陈睿颖, 陈泽生,等. 应变片贴片位置对轮轨横向水平力测试精度的影响[J]. 城市轨道交通研究,2012 (03): 58-60+68.

[5]吕凡任, 邵红才, 金耀华, 等. 正压力对电阻应变片应变测量影响的试验研究[J]. 工业建筑,2012 (06): 98-101.

[6] 李震, 桂长林, 孙军. 内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状、讨论与展望[J]. 内燃机学报,2002 (05): 469-474.

[7]王磊. 船舶复杂推进轴系扭振机理及计算软件研究 [D]: 武汉理工大学; 2011.

[8] 仇学敏. 分析软件开发中数据库设计理论的实践[J]. 制造业自动化,2012 (15): 91-93.

[9]蔡鹏飞, 徐荣, 郭宜斌, 等. 含有皮带驱动附件的船舶柴油机轴系扭振分析[J]. 舰船科学技术,2015 (03): 77-80.

[10] 王中宇,刘智敏,夏新涛,等.测量误差与不确定度评定[M].北京:科学出版社,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

文章编号：1671-4598(2016)02-0300-04

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

中图分类号：TP311.52

文献标识码：A

作者简介：庞胜利(1980-)，男，河北邢台人，讲师，硕士，主要从事物联网技术方向的研究。

基金项目：西安邮电大学青年教师科研基金资助项目(ZL2010-01)。

收稿日期：2015-08-22；修回日期：2015-09-18。