王永鼎,陈晨超
(1上海海洋大学工程学院,上海 201306;2上海海洋可再生能源工程技术研究中心,上海 201306)
渔业在中国农业经济的发展中占据了非常重要的部分,截至2019年末,中国现役渔船总数为73.12万艘,约全球总数的1/6[1]。随着海洋渔业资源的逐步衰退,捕捞成本不断增加,中国海洋捕捞业的竞争变得更加激烈,近年来新建渔船逐渐向大型化方向发展[2]。目前渔船存在“大机小标”的现象,即渔船主机的实际功率大于其铭牌上标定的额定功率[3],影响渔船的航行安全和管理。由于受现有技术不成熟的限制,验船师在现场无法使用简单有效的方法来鉴别渔船主机的实际功率,同时国内基层的渔船检验单位也缺乏可靠的设备来检测渔船主机的实际功率,对“大机小标”无法精确识别。对渔船主机功率在线监测进行研究,可以为相关单位收集渔船主机功率信息,管理渔船捕捞作业,优化船-机-桨匹配提供参考,有助于减少和避免作业中事故的发生,为渔船航行提供安全保障[4]。
对于大部分船舶,检测其主机功率最直接有效的方法仍是对其传动轴转速和扭矩进行测量。20世纪70年代开始,国外已有学者开展对船舶主机功率监测的研究。如美国麻省理工学院的光纤扭矩传感器[5],美国佛罗里达大学的红外线扭矩测量仪[6],陶太克公司(TOROD-UCTOR)的无接触式磁弹性扭矩仪,挪威KYMA公司的KPM-P型轴功率测量系统[7],德国马霍克公司的基于振弦式扭矩测量仪技术[8],日本小野测器公司的磁电式扭矩测量仪[9]以及日本福岗九州大学基于磁致伸缩效应研制的新型磁头扭矩传感器[10]等。目前对于船舶功率测量的方法不断改进,并向非接触式测量转变。
中国对船舶主机功率的研究起步较晚,但是发展较快,现已具备一定的规模。冷泠等[11]对柴油机子系统控制器进行研究,分析了基于智能控制算法的船舶推进柴油机应用中的优缺点。董俊威[12]设计了一种基于铁基非晶材料的逆磁致伸缩扭矩传感器,以实现船舶轴系扭矩的非接触实时测量。黄温赟等[13]对渔船船型参数和主机额定功率数据,通过神经网络算法,建立船型参数和主机额定功率之间的预测模型,并运用该模型对现有拖网渔船的主机额定功率进行估算。渔船的作业情况相较商船、客船、货船等大型船舶更为复杂,国内学者通过不断研究,对渔船的监测手段更为丰富,并将国外部分成熟的技术引进至渔船监测中,提高了渔船的自动化水平。
中国现有渔船数量众多,通过对监测系统的模块化设计可以更好地适应更多的渔船。模块化设计不仅可以标准化监测系统各个模块之间的通信,使各个模块在硬件选型上具备一定的互换性,还有利于监测系统的维护与更新,降低监测系统重新布置的成本。同时模块化设计对各个模块进行独立封装,增强各个模块在恶劣环境下正常工作的能力,降低渔船机舱恶劣的工作环境对监测系统工作寿命的影响。除此之外,通过模块化设计可以灵活布置各个模块的位置,充分利用机舱空间,解决渔船主机机舱空间不足的难题。对在线监测系统各个功能进行模块化设计,主要分为数据采集模块、数据传输模块以及数据处理模块,总体设计如图1所示。
图1 测量系统总体技术方案图Fig.1 Overall technical scheme of the measurement system
数据采集模块采用磁电式转速传感器以及应变式扭矩传感器,实现对渔船捕捞作业过程中的转速、扭矩信号的采集,并通过标准化的接口与数据传输模块相连;数据传输模块由信号发射机和信号接收机组成,信号发射机与数据采集模块相连,信号接收机与采集卡相连,主要实现采集信号的无线传输;数据处理模块采用数据采集卡以及计算机,通过LabView强大的虚拟仪器功能实现对采集信号的处理,最终完成对渔船主机功率的在线监测。
数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号进行采集并上传到上位机中的过程[14]。与商船、客船等大型船舶相比,渔船主机功率监测发展较为落后,目前已有的方案或多或少存在传感器安装困难、信号传输距离受限、测量精度低、实时性差以及持续测量时间短等问题,没有形成系统性的测量方案[15-17]。由于渔船作业过程中工况较为复杂,载重量随着作业过程逐步增加,需要一种简单有效,可以直接测量主机功率的方法。而通过测量主机的输出扭矩,再结合其转速,通过计算就可以较为直接地得到主机的实时功率。其公式[18]如下:
(1)
式中:P—轴功率,W;T—轴系的输出扭矩,N·m;n—轴系的转速,r/min。
由式(1)可知,轴功率与输出扭矩和输出轴转速的乘积成正比,因此理论上只要采集到渔船主机的扭矩和转速信号,便可以通过计算机或单片机等处理单元来计算得到功率值。
目前国内外研究在转速的测量上大多采用非接触式测量,常用传感器种类包括光电式、磁电式、霍尔式和红外式等[19]。磁电式传感器是基于电磁感应原理进行工作,实现各种导磁材料的非接触转速测量,并转换为交变电压信号输出。其一般是由定子、转子和线圈等组成,性能稳定,可以较好地适应渔船主机恶劣的工作环境。本研究采用CZ300磁电式转速传感器,该传感器工作不需要供电,转速测量范围较大,工作温度满足船舱工况要求,内置了滤波电路可以直接输出近似正弦波的模拟信号。安装时只要对准主轴齿轮,将传感器固定在一定距离内即可进行测量,安装方式如图2。
图2 CZ300磁电式转速传感器安装示意图Fig.2 Installation diagram of CZ300 magnetoelectricspeed sensor
扭矩测量的精度会对功率大小的准确性产生很大的影响。扭矩测量的方法从原理上进行分类大致可以分为3种,即能量转换法、平衡力法和传递法[20]。能量转换法应用非常有限,计算扭矩时测量误差较大;平衡力法常用于实验室或厂商对返修船舶柴油机或新建船舶柴油机等进行性能检测;相比上述两种扭矩测量方法,通过传递法进行扭矩的测量灵活性更强,更适用于动态扭矩的测量,因此国内外广泛采用传递法进行船舶轴扭矩测量,主要包括磁弹式、应变片式、电容式、光纤式、光电式、钢弦式等[21]。本研究采用应变片式扭矩传感器进行扭矩测量,其应用广泛,性能稳定可靠且有较强的抗干扰能力,不仅使用寿命长、体积小、重量轻,而且成本相对较低,可以很好地适应渔船主机的工作环境。当传动轴在扭矩作用下,材料表面会发生变形,在与轴线成±45°的方向上产生最大的压应力和拉应力,并同时产生最大应变值。本研究采用分布式贴片法粘贴应变片,不仅可以避免传统贴片法在测量时应变片相互之间的影响,还可以消除传动轴工作时产生的弯矩对测量的影响。在与轴线成±45°的方向粘贴应变片,并沿轴每隔90°圆周分布,如图3所示。
图3 应变片粘贴示意图Fig.3 Schematic diagram of strain gauge bonding
为提高应变片在受到扭矩作用下的检测灵敏度以及消除弯矩、温度等其他干扰因素对测量精度的影响,根据电桥的和差特性,将4片相同的应变片组成全桥电路,对测量误差进行补偿并增加其测量灵敏度,同时消除膨胀系数不同产生的附加应变影响[22],如图4所示。
图4 测量电路原理图Fig.4 Schematic diagram of measuring circuit
为简化桥路设计,4片应变片的阻值相同,即R1=R2=R3=R4=R。当轴受到扭矩的作用时,应变片发生形变,其电阻的变化量为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4,此时电桥输出电压UBD与各桥臂电阻之间的关系[23]如下:
(2)
由于传感器采集的数据是连续变化的正弦波信号,不能直接进入计算机处理,必须经量化后成为数字信号才能被计算机接受[24],因此需要经过采集卡中的A/D转换器将传感器采集的信号转换为数字信号。由于对渔船主机实际运行时的状态进行采集,对容量和速度要求较高,本研究选用USB3106采集卡实现数据采集,该采集卡共有16个通道可对信号进行采集,采样频率最高可达500 KS/s,AD转换时间≤1.25 μs,存储温度范围广,可以更好地适应渔船的机舱环境。
数据传输模块主要实现对传感器采集信号的传输,通过信号发射机与接收机来进行远程传输。采用无线传输的方式,可以较好地适应渔船主机狭小的工作环境。本研究选择TT9000系列遥测系统,其体积小、坚固耐振、调整方便、抗干扰性强,可以在渔船捕捞作业过程中保持稳定的工作能力。信号发射机与信号接收机主要性能指标见表1。
表1 数据传输模块主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of data transmission module
本研究中信号的预处理包括滤波处理以及放大处理,避免信号在采集过程中受到各种噪声的干扰,提高信噪比[25]。滤波通常有硬件滤波和软件滤波两种实现方式[26]。本研究采用硬件滤波,相比软件滤波,对处理设备的要求更低,易于实现并且处理速度快[27]。采用一阶有源低通滤波电路进行滤波,降低高频噪声对信号的干扰,电路如图5a所示。采用三运放差分放大电路对应变片输出的电压信号进行放大,该电路可以提高共模抑制比,有较好的差分放大线性度,电路如图5b所示。
图5 预处理电路图Fig.5 Pretreatment circuit diagram
本研究采用计算机作为处理单元,使用LabView平台对监测系统的工作进行控制,并对信号进行计算,获取转速、扭矩以及功率的大小。信号在经过滤波电路后,需要在数据采集卡内进行A/D转换,再进入计算机处理。首先对信号进行零均值化处理,剔除外部影响带来的偏差,再对信号前后10%的数据进行删减,并采用拉依达准则,剔除粗大误差,取平均值得到测量结果[28]。转速信号采用零点法进行计算,从瞬时转速原始信号中求取瞬时转速,用插值的方法找到原始波形与零线的交点序列{p1、p2、…、pmax},第i个分度时的瞬时转速vi如下:
(3)
式中:vi—瞬时转速,r/min;fs—采样频率,Hz;pi+2、pi—波形与零线的交点序列。
扭矩值、应变值、电桥激励电压之间的关系[29]如下:
(4)
(5)
式中:T—扭矩,N·m;D—传动轴外径,m;G—传动轴剪切模量,MPa;μ—泊松比;ε—应变值;ΔE—电桥输出信号,mV;U—电桥激励电压,mV;K—应变片灵敏系数。
本研究选择潍柴WP10系列柴油机WP10C287-21型进行监测值与标定值的对比试验。WP10C287-21型柴油机的标定功率为211 kW,标定转速为2 100 r/min。选择BF350-3HA型扭矩测量专用应变片,其灵敏度为(2.08±0.10)%,阻值为(350±1.20)Ω,敏感栅的大小为(3.0×5.2)mm,基底尺寸为(8.8×6.8)mm。试验传动轴轴径为205 mm,材料为45#钢,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3。主要试验步骤如下:
首先对转速传感器进行安装与标定,将CZ300磁电传感器按照说明书要求,安装在相距测速齿轮一定距离处,在确认磁电传感器可以正常采集转速信号后,对磁电式转速传感器的安装间隙进一步调整,使输出信号的峰值在经过滤波放大后连续稳定在2.0 V左右。
其次对应变片以及遥测系统发射机进行粘贴与标定,选取4片相同的应变片,使用高精度万用表对应变片的阻值进行测量,确保其误差值在允许范围之内。接着对轴表面进行清洁,按±45°方向分别使用502号胶粘贴应变片并滚压其表面挤出多余的胶水和气泡,固定后在应变片引线附近贴上接线端子,同时在引线下面粘贴一层绝缘胶布,保证应变片与被测处之间绝缘且应变片没有被短路或断路。在应变片与遥测系统信号发射机连接后,将发射机粘贴固定在轴上,并对焊接端子处使用防护剂进行防潮、防湿处理。确认应变片与遥测系统正常工作后对其采集信号进行标定,控制柴油机在不同功率下进行工作,将测量值与标定值进行对比,保证测量误差在允许范围内。
最后对柴油机功率在线监测进行试验,将遥测系统接收机以及CZ300磁电转速传感器的输出端与数据采集卡相连,通过LabView软件对信号的采集进行控制。设置采样频率为5 KS/s并进行连续采样,通过柴油机性能测试平台控制系统对柴油机的油门和负荷进行控制,使柴油机在不同的工况下进行工作。
柴油机依次按照标定功率的25%、50%、75%、90%、100%、110%运行,在稳定运转5 min后进行各项参数的记录,每组数据测试5次取平均值,部分试验数据如表2所示。
表2 试验数据记录Tab.2 Experimental data recording
对表2内试验记录的数据进行分析,可以看出,在本次试验中,监测系统在试验测量对象WP10C287-21型柴油机各个标定工况下测量的实际功率与柴油机标定功率较为接近。在常用工况下,即50%~90%标定功率下的功率测量误差率均在1%以内,可以较为精确地实现对渔船主机功率的在线监测,符合预期目标。相比通过研究典型主机改装前后的标定功率、转速和规范对螺旋桨轴径要求的最小值之间的关系来对现存渔船进行判断是否可能存在“大机小标”现象[30],本研究所设计的渔船主机功率在线监测系统可以更为直接地实现对渔船主机功率的在线实时监测以及保存,解决目前较难回溯渔船主机功率最大值出现的时间点与位置的问题。
本研究针对渔船主机“大机小标”现象,对渔船主机功率监测系统进行研究,设计了一种新型渔船主机功率在线监测系统。该系统基于磁电式转速传感器、应变式扭矩传感器、无线遥测系统,以及LabView虚拟仪器对渔船主机进行功率监测,可以实现主机功率的实时监测、记录和回放。试验表明:本监测系统在试验测量对象WP10C287-21型柴油机常用工况下,即50%~90%标定功率下的功率测量误差率均在1%以内,可以较为精确地实现对渔船主机功率的在线监测,符合预期目标。
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