基于LabVIEW平臺的軸功率測試系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

徐賽軍 黃偉庭

摘 要：本文闡述了基于LabVIEW平臺的軸功率測試系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，簡述了軸功率測試系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)指標、組成、測量原理。并通過臺架與水力測功器對比測試，驗證了測試系統(tǒng)的準確性和可靠性，對判斷柴油機的性能及故障分析具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：軸功率；LabVIEW；應(yīng)變片

中圖分類號：U664.2 文獻標識碼：A

Abstract： This paper describes the development and application of the axial power test system based on LabVIEW platform. The main function and technical index， composition and measuring principle of shaft power test system are introduced. By comparing test with hydraulic dynamometer， the accuracy and reliability of the test system are verified， which is of great significance to judge the performance and fault analysis of diesel engine.

Key words： Shaft power； LabVIEW； Strain gauge

1 前言

在柴油機試驗臺架上通過水力測功器能夠方便地測量柴油機的功率，但在實船上由于受到條件的限制測量柴油機功率往往十分困難。但是柴油機功率的測量又必不可少，比如在柴油機大修后需測定其有效功率，驗證船舶船、機、槳的匹配情況也需要測量柴油機功率。軸功率是通過對扭矩與轉(zhuǎn)速的測量計算得出。我司從美國購買了一套扭矩應(yīng)變遙測系統(tǒng)，并利用NI Labview軟件開發(fā)平臺成功開發(fā)了軸功率測試系統(tǒng)。

2 軸功率測試系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 測試系統(tǒng)的元器件及技術(shù)參數(shù)

見表1。

2.2 測試系統(tǒng)的測量原理

柴油機功率輸出軸截面上兩個最大主應(yīng)力與軸線成45°和135°夾角，主應(yīng)力可通過將電阻應(yīng)變片固定在被測功率輸出軸的表面上，當功率輸出軸受到扭轉(zhuǎn)變形時，電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻變化測量裝置，可測定出電阻應(yīng)變片電阻值的變化，換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號（電壓或電流），通過公式轉(zhuǎn)換成為應(yīng)力大小。

柴油機的功率輸出是有一定周期性的，因此功率輸出軸所受的應(yīng)力也是有一定周期性的。根據(jù)應(yīng)力的變化頻率，通過一定的分析轉(zhuǎn)換即可得出柴油機的相應(yīng)轉(zhuǎn)速。

對于柴油機功率輸出軸，只要測得其扭矩T與轉(zhuǎn)速n，就可很容易根據(jù)下列公式計算得到功率Ne：

2.3 測試系統(tǒng)的組成和功能

測量系統(tǒng)組成包括轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與儲存系統(tǒng)兩大部分（見圖1）。

（1）轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)采用BINSFELD公司的TT10K應(yīng)變遙測系統(tǒng)和維斯通電橋式應(yīng)變片組成，TT10K應(yīng)變遙測系統(tǒng)主要由TX10K發(fā)射器、RX10K接收機、BH10K電池盒、接收機天線、RM10K遙控單元等組成。

TX10K-S發(fā)射器為應(yīng)變片提供激勵電壓，并將應(yīng)變片的電阻變化信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒎糯筠D(zhuǎn)變成模擬信號發(fā)射出去。

RX10K接收機通過接收機天線單元將接收到的信號轉(zhuǎn)變成電信號后轉(zhuǎn)換后放大顯示出來和傳輸?shù)接嬎銠C中。

因為最大主應(yīng)力與軸線成45°和135°夾角，采用維斯通電橋式應(yīng)變片（各電阻的夾角為45°）可提高測量的精確度。

（2）數(shù)據(jù)處理與儲存系統(tǒng)

通過計算機中的測試軟件對上述采集數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換與計算，并進行儲存。測量系統(tǒng)的軟件部分由LabVIEW軟件編寫。LabVIEW 是一種用圖表代替文本進行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序，它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。

系統(tǒng)測試界面直接顯示轉(zhuǎn)速、扭矩及功率，并可對上述數(shù)據(jù)進行存盤，存盤的數(shù)據(jù)還可以用Excel形式導出。系統(tǒng)還有數(shù)據(jù)更新、有誤及保存的提示，也可以直接讀出整個測試過程平均扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化曲線圖。

2.4 測試系統(tǒng)與水力測功器的測試結(jié)果對比

見表2。

軸功率測試系統(tǒng)在我司柴油機實驗臺架上進行測試，測試過程正常，測量結(jié)果與水力測功器顯示數(shù)據(jù)偏差<+1%。表2為本測試系統(tǒng)結(jié)果與水力測功器測試結(jié)果的對比。

2.5 測試系統(tǒng)與其它測量方法對比

見表3。

與其它軸功率測量方法對比，軸功率測試系統(tǒng)具有安裝方便、無需另外加工輔助工裝、精確度高、扭矩與轉(zhuǎn)速完全同步、自動溫度補償?shù)葍?yōu)點。

3 軸功率測試系統(tǒng)在實船測試上的應(yīng)用

某挖泥船柴油機（額定轉(zhuǎn)速為525 r/min）裝船后帶泵運行時發(fā)現(xiàn)柴油機排溫過高，轉(zhuǎn)速加至480 r/min時就出現(xiàn)柴油機頂油門現(xiàn)象，無法開至額定轉(zhuǎn)速。為此，利用軸功率測試系統(tǒng)對柴油機進行了軸功率測試，實測功率比標定功率偏高約+14%（見圖2），所配泥泵的扭矩過大，至使柴油機工作于外特性區(qū)，無法開至額定轉(zhuǎn)速。針對測量結(jié)果，用戶對泥泵進行修改后，柴油機的運行情況良好。

4 結(jié)束語

本套軸功率測試系統(tǒng)的儀器尺寸小、重量輕、安裝方便、測量精度高，可以在各種比較復雜或惡劣的環(huán)境中進行測量；測得的信號可以直接輸入電子計算機進行數(shù)據(jù)處理。因此整套系統(tǒng)具有較高的準確性、實用性和經(jīng)濟性。

參考文獻

[1] 魯景正主編.船用柴油機設(shè)計手冊（第七分冊）[M].國防工業(yè)出版社.1982.

[2] 徐灝主編.機械設(shè)計手冊（第一卷）[M].機械工業(yè)出版社， 1998.