基于无线遥测的轴功率测试技术研究与应用

    于辉　龙军　吴伋

    

    

    

    摘? 要：舰船动力系统性能监测越来越受到军—厂—所等多级单位的重视，作为动力系统的重要参数，轴功率的实时监测和便携式测量尤为关键。针对我国现役舰船动力系统种类繁多、推进系统轴径尺寸和转速范围跨度大的特点，选取基于无线遥测的轴功率测试方法，并通过实验室台架模型进行验证，该方法可实现轴径在5 mm～1 000 mm、转速在30 r/min～30 000 r/min的机械设备和动力系统的轴功率测量，可有效支撑舰船动力性能监测和评估。

    关键词：无线遥测;轴功率;扭矩;转速

    中图分类号：U664.2? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    我国海军拥有包括驱逐舰、护卫舰、潜艇等多型舰船。轴功率作为贯穿设计—建造—服役—修理等全寿命周期内的重点关注参数，可以在舰船航行时监测动力系统的运行状态，通过轴功率的监测可以支撑舰船推进系统的性能评估，保证舰船具有良好的推进性能[1]。因此，能方便、快捷、精确地测量舰船轴功率就变得尤为重要，同时，能有效适配我国现役众多舰船的轴功率测试方法就更为关键[2]。

    轴功率的测量方法分为传递法和吸收法2种[3-4]。吸收法多应用于实验室测量，使用水力测功仪或电测功仪把轴系传递来的功率转化为热能或电能，以此来计算被测设备的轴功率。传递法应用范围较为广泛，可以适用于实验室、实船、运行中的机械设备等多种应用场景，通过测量轴系的扭转应变或者扭转角位移，进而求得轴系的轴功率。传递式轴功率测量方法根据安装的传感器类型的不同又分为相位差式和应变式测量方法[5]，相位差式轴功率测量方法包括钢弦式和激光式2种。应变式轴功率测量方法又包括应变片式和铁磁材料等测试方法。该文选用的测量方法是基于无线遥测的应变片式轴功率测量方法，其具有应用范围广、抗干扰能力强、测量精度高等优点，能有效适配我国现役舰船多转速、多轴径推进系统的轴功率测量。

    1 测试系统

    1.1 理论方法

    由材料力学可知，当轴受到扭矩作用时，轴的表面有最大剪应力τmax。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45°的方向上有最大正应力σ1和σ2，其值为|σ1|=|σ2|=τmax。相应的变形为ε1和ε2，当测得应变后，便可算出τmax。测量时应变片沿与轴线成45°的方向粘贴[6]。

    如果测得沿45°方向的应变ε1，则相应的剪应变为

    （1）

    式中：E—材料的弹性模量，μ—材料的泊松比。

    轴的扭矩计算公式为

    （2）

    式中：Wn—材料的抗扭模量，E—材料的弹性模量，μ—材料的泊松比，ε1—测得的应变量。

    对于实心圆轴来说，材料的抗扭模量为

    （3）

    对于空心圆轴来说，材料的抗扭模量为

    （4）

    式中：D—为圆轴的外径，d—圆轴的内径。

    轴功率计算公式为

    （5）

    式中：P为轴功率（kW），T为扭矩（N·m），n为转速（r/min）。

    1.2 测量系统

    试验数据的采集和处理由动态数据采集设备与相应的分析系统完成。船舶轴功率测量系统包括无线扭矩采集模块、无线扭矩电源模块、转速测量模块和光电转速传感器，采用Wi-Fi通信技术，可实时采集数据并无线传送给计算机，实时完成对旋转轴扭矩、轴功率的计算与分析，并实时存储和显示。

    2 轴功率测试

    2.1 测试对象

    为验证该文选取的轴功率测试系统的有效性，选取实验室台架模型作为验证对象，验证测试系统和测试人员的安装测量方法，图1为台架模型图。

    2.2 测试数据

    测试系统安装调试完成后，通过专用的测试分析软件对轴系模型的实时数据进行测量，获取原始数据时域图、转速、扭矩和轴功率数据，如图2所示。

    2.3 测试结果

    通过测量直接得到测点位置的扭矩和轴系的转速信号，试验初始信号不稳定，截取信号稳定后的数据进行分析。轴系空载运行，轴功率测试结果见表1。该次实验为空载运行状态测试，因此，扭矩测试结果基本不变，轴功率随转速的增加而增大。

    3 结语

    在船舶动力装置的主要指标中，轴功率测量的可靠性、便携性和精确度是其主要的设计要素。该文选用的无线遥测应变式轴功率测量仪具有较好的适应性，数据传输性能好、抗干扰能力强，能适应船舶、动力机械等多种复杂环境，可实现轴径在5 mm～1 000 mm、轉速在30 r/min～30 000 r/min的机械设备的轴功率测量。为验证该测量系统的有效性，选取实验室某轴系台架模型作为试验对象，测量多个工况的转速、扭矩和轴功率，测试结果稳定、可靠，满足多转速轴功率测量的需求。

    参考文献

    [1]林辉.船舶推进轴系扭振与轴功率测量[D].杭州：浙江大学，2016.

    [2]雷浩，袁强，金晓，等.船舶主推进装置轴功率测试方法研究与分析[J].造船技术，2016（4）：19-23.

    [3]余永华，朱继军，杨建国.船舶轴系轴功率测试仪的研制[J].中国修船，2006（6）：13-15.

    [4]李长武，成伟，蒋建林.新型轴功率测试方法的应用研究[J].计量技术，2018（6）：24-26.

    [5]马龙龙.应变式传动轴功率测试系统设计与研究[D].太原：中北大学，2011.

    [6]陈凯.船舶轴功率测量方法比较及误差分析[D].武汉：武汉理工大学，2010.