机械泵船舶发动机路谱采集方案的研究

0 引言

船舶柴油发动机的细分市场越来越多，不同区域不同行业的运行工况也不尽相同，如：运输船运行工况相对稳定单一，而拖网渔船拖网工况以及收放网工况都很复杂，所以在船舶发动机开发时，就需要根据各个细分市场船用发动机的运行数据做对应的开发，从而能开发出更能让客户满意的发动机；另外通过采集发动机运行数据，可以分析判断船机桨匹配的合理性，进而为客户提供合理的匹配方案，给客户推荐发动机使用最省油的使用方案，降低用户的使用成本和运营成本；第三，目前海外渔船、运输船市场排放要求较低，大多数发动机的技术路线是机械泵燃油系统发动机。机械泵船用发动机的路谱采集方法主要有：1、通过采集艉轴的应变来分析发动机的扭矩；2、通过专用仪表采集发动机排气温度和进气压力、转速参数再通过理论反推发动机扭矩。这两个方法由于船舱安装空间、不同船舶领域等原因，优劣势不尽相同，通过本文的研究，为不同细分市场船舶路谱采集，提供对应的解决方案。

1 船用发动机路谱采集方法介绍

1.1 采集方法一：通过采集螺旋桨艉轴的应变来分析发动机的扭矩和功率；

1.1.1 测试理论介绍

船舶轴系转动过程中在负载的作用下轴系会发生扭转的物理现象，轴系状态主要包括轴系的扭矩和轴功率等信息。轴功率是船舶主机及其动力装置最重要的性能参数

。船舶动力机械的轴功率与扭矩和转速的乘积成正比，故常采用间接测量方法。通过间接测量轴的输出扭矩和转速，再得到轴系的功率

。计算公式如下：

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式中：

—轴功率，kW；

—轴系的输出扭矩,N·m；

—输出的轴转速，r/min。

1.1.5 方案的优缺点

由材料力学知，当轴受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力

。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45°和135°的方向上有最大正应力

1和

2，其值为|

1|=|

2|=

。相应的变形为

1和

2，在材料弹性极限内，剪切应变

与剪切应力剪应力

成线性关系。但由于剪切应变是角应变，无法通过应变片直接测量，所以常常通过测量轴线与偏离轴线夹角为45°和135°方向上的两个应变值之差来确定剪切应变。从工作原理来看，只要沿被测轴偏角为45°和135°方向上布置一对应变片，如图1，并接入到应变仪的半桥工作电路中，无线扭矩传感器节点采集的应变量就是剪切应变值，由该剪切应变值可换算得到被测扭矩值。具体推理过程如下：

若测得沿轴线45°方向的应变ε1，则相应的剪应力为

式中：

-材料的弹性模量；

-材料的泊松比；于是，轴的扭矩计算公式为：

式中：

-材料的抗扭模量；

-材料的弹性模量；

-材料的泊松比；

1-测得的应变量。

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测试前，首先采用应变模拟仪对无线扭矩节点进行校准，确保设备正常，保证测试扭矩准确。其次，设备的现场安装调试，包括船舶的艉轴表面打磨处理、测点定位、应变片粘贴、设备连接固定、软件设置、采集测试等一系列工作。所有设备安装后如图4所示。

根据采集到的艉轴扭矩和转速，再根据齿轮箱的速比和机械效率，就可以计算出船舶发动机的扭矩和转速，再将发动机扭矩和转速拟合到发动机特性曲线中，可以分析出发动机的常用工况区域，以及船机桨匹配的轻重、常用工况是否运行在发动机经济区等，从而给出合理的船机桨匹配建议以及为后续发动机开发提供实际工况数据。如图5是某型号发动机的运行工况和发动机特性曲线的拟合分析图。另外还可以根据采集的发动机进气压力、排气温度用来判断分析发动机故障原因，当发动机出现冒黑烟等故障时可快速查明原因并解决。

对于空心圆轴，材料的抗扭模量为：

式中：

—圆轴的外径；

—圆轴的内径(对于实心轴，

=0)。

利用采集到的发动机转速、排气温度、进气压力等数据，然后用matlab分析软件和脚本对数据进行处理和分析，从而得到相应的发动机路谱，如图6是采用某型号发动机进气压力和转速分析的发动机路谱。

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此方案特点：优势：1、数据源于轴应变，精度高；2、瞬态工况测试更精确。劣势：1、由于需要专用设备测量轴应变，而目前由于设备可选的局限性，设备的采购价格较高；2、由于设备需要额外安装在测试船舶尾轴上，设备安装空间要求较高。

应变片构造如图2，应变片是将机械尺寸的微小变化(应变)转变为电信号的传感器。按照应变片布置方式分为：半桥片和全桥片。半桥片带有两个测量栅丝，彼此呈 90°排列。典型应用包括扭转应变测量和剪切梁的剪切应力测试；全桥片带有四个测量栅丝，彼此呈 90° 排列。典型应用包括拉压双向应力，扭转应力和剪切梁的剪切应力测试。

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无线扭矩传感器节点结构如图3，无线扭矩传感器节点是将应变片采集到的应变储存并通过无线网关传输到电脑的一种模块，目前无线扭矩传感器节点有很多种，图3是其中一种，包括线路连接端子、磁铁转速信号感应区域、指示灯。

其它设备还包括：无线网关，主要作用为和无线扭矩传感器节点通讯并传输数据；强磁铁，主要作用为和无线扭矩传感器节点形成磁铁感应信号从而记录艉轴的转速；干电池用来给无线扭矩传感器节点供电等设备。

1.1.3 操作方法

对于实心圆轴，材料的抗扭模量为：

1.1.4 采集的船舶发动机数据分析

安徽作为全国农业大省，高度重视“美丽乡村”建设的推进，积极出台行动计划并付诸实践，已取得一定的成效。在乡村旅游中，外来游客的到来让当地政府更加重视“美丽乡村”建设，同时推行整改项目改善人居环境也可服务于乡村旅游。通过开展房屋修缮，道路清洁，基础设施建设等活动，提升乡村形象。

由此可见，轴功率的测量关键在于扭矩和转速的精准测量。轴系转速是反映旋转轴运动快慢的物理量，轴转速测量技术已经十分成熟，其测量是采用转速传感器测量系统来完成。扭矩测量大多数是采用应变型传感器和相位差式扭矩传感器

。应变片技术成熟，具有应用范围广、测量精度高、性能稳定等特点

。本文重点介绍应变片式测量船舶推进系统轴系扭矩的方法。

以各医养结合型养老服务机构为决策单元，记Ipq（p=1，2，3，4，5；q=1，2，…，29）为第q个养老服务机构在第p个投入指标上的得分，Opq（p=1，2；q=1，2，…，29）为第q个机构在第p个产出指标上的得分。在不改变变量本质含义的基础上，对因子分析结果进行无量纲化处理，以使所有因子数值均大于0。转化公式如下：

1.1.2 设备介绍

1.2 采集方法二：通过采集船舶发动机的进气压力、发动机转速推理发动机路谱

1.2.1 理论阐述

通过试验室发动机数据分析可知，在稳态工况下，柴油机的功率和进气压力成一定的正比例关系，也就是说对同一型号发动机，在已知试验室的扭矩、转速、进气压力等万有数据时，通过实际船舶运行时采集的进气压力和转速，可以反推出实际船舶运行的扭矩。

1.2.2 数据采集方法

通过一种能记录并存储数据的仪表，用转速传感器、排气温度传感器、进气压力传感器以及仪表和传感器的联接线束，采集发动机转速、排气温度、进气压力。

1.2.3 采集的数据分析

测得尾轴扭矩后，同时用转速传感器测得的艉轴转速，可以用功率、转速、扭矩之间的关系得出艉轴功率，再根据齿轮箱机械效率得出发动机输出功率，进而形成船用发动机在不同工况下的路谱。

1.2.4 方案准确性的验证

1）在调节座内腔装有弹簧，当光杆和盘根垫之间摩擦有了间隙的时候，弹簧自动顶紧，填充光杆和盘根垫之间的间隙，有效防止了盘根盒漏油现象。

对推理出发动机扭矩准确性验证，通过对某型号发动机用方案一和方案二同时采集，并得出的两种采集方案的路谱数据分析如图7，其中根据转速和进气压力推理所得扭矩值与应变片实测值误差在2%左右，误差较小，且趋势基本吻合，可以作为路谱分析的参考；

1.2.5 方案的优缺点

试验所采用钼精矿100 g，温度200 ℃，固液比1∶10，保温保压时间为300 min，搅拌转速500 r/min，考察氧气分压对制备样品元素含量及钼赋存状态的影响。

此方案特点：优势：1、操作简单，对船舱环境没有特殊要求。2、由于测量参数(转速、进气压力和排气温度)来自于发动机仪表，设备稳定性号，采集时间长；劣势：1、对于瞬态工况较多的船舶，发动机进气压力和排气温度相比扭矩的响应性不及时，误差较大，导致推理的扭矩误差较大；

2 应用情况

目前两种船舶运行数据采集方案都有应用，针对国内市场，采用应变片采集轴功率方法较为普遍；针对国外渔船市场，由于出海打渔周期长，仪表采集进气压力和发动机转速的方法应用的较多，分别在土耳其、阿联酋、孟加拉、越南、韩国都有应用。通过采集的数据，可了解和检验船体-主机-推进器三者之间匹配的优劣，同时也是对旧船舶、机、桨工作状态与故障诊断的重要依据。目前，推进系统运行数据的采集已成为各大船厂进行的项目之一，目前已经查明了多起因螺旋桨匹配造成的发动机故障，如：发动机转速无法达到额定转速的故障以及发动机冒黑烟等故障并予以解决。

当前非洲猪瘟疫情给我国生猪产业带来一定影响，生猪养殖大省的主要表现是育肥猪价格低、仔猪外调受限导致企业资金回款困难；猪肉消费方面则表现出生猪产能急剧萎缩。农业农村部生猪全产业链分析预警首席分析师、中国农业科学院农业信息研究所副研究员朱增勇通过调研，分析了非洲猪瘟疫情对我国生猪生产及猪肉消费的影响，并对生猪市场的后市进行了分析。

3 结论与展望

通过以上两种船舶发动机路谱采集方案的介绍，在进行船舶发动机工况数据采集时，就能根据船舶的运行情况以及船舱的环境情况非常明确地选择所对应的采集方案；具体来说，对于工况较稳定的或船舱环境无法安装轴应变采集设备的船舶，选用方案二更合适；对于瞬态工况较多且船舱空间较宽敞的船舶，选用方案一更合适。利用上述方案采集的船舶运行数据达到一定数量后，可以建立某一地区细分市场的船舶工况数据库，然后利用大数据信息以及智慧云平台，为以后的船舶清洁能源发展和航道或海域的健康管理提供数据支撑；同时可以根据数据库信息，形成船舶细分市场的行业匹配规范，指导用户合理规范地进行发动机选型，螺旋桨匹配，齿轮箱选型。另外，发动机厂家可以利用船舶运行数据库信息开发动力性更强、更省油的发动机，助力中国船舶动力的发展。

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