王永鼎，陳晨超

(1上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

漁業(yè)在中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占據(jù)了非常重要的部分，截至2019年末，中國現(xiàn)役漁船總數(shù)為73.12萬艘，約全球總數(shù)的1/6[1]。隨著海洋漁業(yè)資源的逐步衰退，捕撈成本不斷增加，中國海洋捕撈業(yè)的競爭變得更加激烈，近年來新建漁船逐漸向大型化方向發(fā)展[2]。目前漁船存在“大機(jī)小標(biāo)”的現(xiàn)象，即漁船主機(jī)的實際功率大于其銘牌上標(biāo)定的額定功率[3]，影響漁船的航行安全和管理。由于受現(xiàn)有技術(shù)不成熟的限制，驗船師在現(xiàn)場無法使用簡單有效的方法來鑒別漁船主機(jī)的實際功率，同時國內(nèi)基層的漁船檢驗單位也缺乏可靠的設(shè)備來檢測漁船主機(jī)的實際功率，對“大機(jī)小標(biāo)”無法精確識別。對漁船主機(jī)功率在線監(jiān)測進(jìn)行研究，可以為相關(guān)單位收集漁船主機(jī)功率信息，管理漁船捕撈作業(yè)，優(yōu)化船-機(jī)-槳匹配提供參考，有助于減少和避免作業(yè)中事故的發(fā)生，為漁船航行提供安全保障[4]。

對于大部分船舶，檢測其主機(jī)功率最直接有效的方法仍是對其傳動軸轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行測量。20世紀(jì)70年代開始，國外已有學(xué)者開展對船舶主機(jī)功率監(jiān)測的研究。如美國麻省理工學(xué)院的光纖扭矩傳感器[5]，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的紅外線扭矩測量儀[6]，陶太克公司(TOROD-UCTOR)的無接觸式磁彈性扭矩儀，挪威KYMA公司的KPM-P型軸功率測量系統(tǒng)[7]，德國馬霍克公司的基于振弦式扭矩測量儀技術(shù)[8]，日本小野測器公司的磁電式扭矩測量儀[9]以及日本福崗九州大學(xué)基于磁致伸縮效應(yīng)研制的新型磁頭扭矩傳感器[10]等。目前對于船舶功率測量的方法不斷改進(jìn)，并向非接觸式測量轉(zhuǎn)變。

中國對船舶主機(jī)功率的研究起步較晚，但是發(fā)展較快，現(xiàn)已具備一定的規(guī)模。冷泠等[11]對柴油機(jī)子系統(tǒng)控制器進(jìn)行研究，分析了基于智能控制算法的船舶推進(jìn)柴油機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)缺點。董俊威[12]設(shè)計了一種基于鐵基非晶材料的逆磁致伸縮扭矩傳感器，以實現(xiàn)船舶軸系扭矩的非接觸實時測量。黃溫赟等[13]對漁船船型參數(shù)和主機(jī)額定功率數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立船型參數(shù)和主機(jī)額定功率之間的預(yù)測模型，并運用該模型對現(xiàn)有拖網(wǎng)漁船的主機(jī)額定功率進(jìn)行估算。漁船的作業(yè)情況相較商船、客船、貨船等大型船舶更為復(fù)雜，國內(nèi)學(xué)者通過不斷研究，對漁船的監(jiān)測手段更為豐富，并將國外部分成熟的技術(shù)引進(jìn)至漁船監(jiān)測中，提高了漁船的自動化水平。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

中國現(xiàn)有漁船數(shù)量眾多，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以更好地適應(yīng)更多的漁船。模塊化設(shè)計不僅可以標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊之間的通信，使各個模塊在硬件選型上具備一定的互換性，還有利于監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)與更新，降低監(jiān)測系統(tǒng)重新布置的成本。同時模塊化設(shè)計對各個模塊進(jìn)行獨立封裝，增強各個模塊在惡劣環(huán)境下正常工作的能力，降低漁船機(jī)艙惡劣的工作環(huán)境對監(jiān)測系統(tǒng)工作壽命的影響。除此之外，通過模塊化設(shè)計可以靈活布置各個模塊的位置，充分利用機(jī)艙空間，解決漁船主機(jī)機(jī)艙空間不足的難題。對在線監(jiān)測系統(tǒng)各個功能進(jìn)行模塊化設(shè)計，主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)總體技術(shù)方案圖Fig.1 Overall technical scheme of the measurement system

數(shù)據(jù)采集模塊采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器以及應(yīng)變式扭矩傳感器，實現(xiàn)對漁船捕撈作業(yè)過程中的轉(zhuǎn)速、扭矩信號的采集，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連；數(shù)據(jù)傳輸模塊由信號發(fā)射機(jī)和信號接收機(jī)組成，信號發(fā)射機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊相連，信號接收機(jī)與采集卡相連，主要實現(xiàn)采集信號的無線傳輸；數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù)據(jù)采集卡以及計算機(jī)，通過LabView強大的虛擬儀器功能實現(xiàn)對采集信號的處理，最終完成對漁船主機(jī)功率的在線監(jiān)測。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

2.1 主機(jī)功率測量

數(shù)據(jù)采集是指對設(shè)備被測的模擬或數(shù)字信號進(jìn)行采集并上傳到上位機(jī)中的過程[14]。與商船、客船等大型船舶相比，漁船主機(jī)功率監(jiān)測發(fā)展較為落后，目前已有的方案或多或少存在傳感器安裝困難、信號傳輸距離受限、測量精度低、實時性差以及持續(xù)測量時間短等問題，沒有形成系統(tǒng)性的測量方案[15-17]。由于漁船作業(yè)過程中工況較為復(fù)雜，載重量隨著作業(yè)過程逐步增加，需要一種簡單有效，可以直接測量主機(jī)功率的方法。而通過測量主機(jī)的輸出扭矩，再結(jié)合其轉(zhuǎn)速，通過計算就可以較為直接地得到主機(jī)的實時功率。其公式[18]如下：

(1)

式中：P—軸功率，W；T—軸系的輸出扭矩，N·m；n—軸系的轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(1)可知，軸功率與輸出扭矩和輸出軸轉(zhuǎn)速的乘積成正比，因此理論上只要采集到漁船主機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速信號，便可以通過計算機(jī)或單片機(jī)等處理單元來計算得到功率值。

2.2 轉(zhuǎn)速測量設(shè)計

目前國內(nèi)外研究在轉(zhuǎn)速的測量上大多采用非接觸式測量，常用傳感器種類包括光電式、磁電式、霍爾式和紅外式等[19]。磁電式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作，實現(xiàn)各種導(dǎo)磁材料的非接觸轉(zhuǎn)速測量，并轉(zhuǎn)換為交變電壓信號輸出。其一般是由定子、轉(zhuǎn)子和線圈等組成，性能穩(wěn)定，可以較好地適應(yīng)漁船主機(jī)惡劣的工作環(huán)境。本研究采用CZ300磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器工作不需要供電，轉(zhuǎn)速測量范圍較大，工作溫度滿足船艙工況要求，內(nèi)置了濾波電路可以直接輸出近似正弦波的模擬信號。安裝時只要對準(zhǔn)主軸齒輪，將傳感器固定在一定距離內(nèi)即可進(jìn)行測量，安裝方式如圖2。

圖2 CZ300磁電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of CZ300 magnetoelectricspeed sensor

2.3 扭矩測量設(shè)計

扭矩測量的精度會對功率大小的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。扭矩測量的方法從原理上進(jìn)行分類大致可以分為3種，即能量轉(zhuǎn)換法、平衡力法和傳遞法[20]。能量轉(zhuǎn)換法應(yīng)用非常有限，計算扭矩時測量誤差較大；平衡力法常用于實驗室或廠商對返修船舶柴油機(jī)或新建船舶柴油機(jī)等進(jìn)行性能檢測；相比上述兩種扭矩測量方法，通過傳遞法進(jìn)行扭矩的測量靈活性更強，更適用于動態(tài)扭矩的測量，因此國內(nèi)外廣泛采用傳遞法進(jìn)行船舶軸扭矩測量，主要包括磁彈式、應(yīng)變片式、電容式、光纖式、光電式、鋼弦式等[21]。本研究采用應(yīng)變片式扭矩傳感器進(jìn)行扭矩測量，其應(yīng)用廣泛，性能穩(wěn)定可靠且有較強的抗干擾能力，不僅使用壽命長、體積小、重量輕，而且成本相對較低，可以很好地適應(yīng)漁船主機(jī)的工作環(huán)境。當(dāng)傳動軸在扭矩作用下，材料表面會發(fā)生變形，在與軸線成±45°的方向上產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，并同時產(chǎn)生最大應(yīng)變值。本研究采用分布式貼片法粘貼應(yīng)變片，不僅可以避免傳統(tǒng)貼片法在測量時應(yīng)變片相互之間的影響，還可以消除傳動軸工作時產(chǎn)生的彎矩對測量的影響。在與軸線成±45°的方向粘貼應(yīng)變片，并沿軸每隔90°圓周分布，如圖3所示。

圖3 應(yīng)變片粘貼示意圖Fig.3 Schematic diagram of strain gauge bonding

為提高應(yīng)變片在受到扭矩作用下的檢測靈敏度以及消除彎矩、溫度等其他干擾因素對測量精度的影響，根據(jù)電橋的和差特性，將4片相同的應(yīng)變片組成全橋電路，對測量誤差進(jìn)行補償并增加其測量靈敏度，同時消除膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的附加應(yīng)變影響[22]，如圖4所示。

圖4 測量電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of measuring circuit

為簡化橋路設(shè)計，4片應(yīng)變片的阻值相同，即R1=R2=R3=R4=R。當(dāng)軸受到扭矩的作用時，應(yīng)變片發(fā)生形變，其電阻的變化量為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，此時電橋輸出電壓UBD與各橋臂電阻之間的關(guān)系[23]如下：

(2)

2.4 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

由于傳感器采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的正弦波信號，不能直接進(jìn)入計算機(jī)處理，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能被計算機(jī)接受[24]，因此需要經(jīng)過采集卡中的A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于對漁船主機(jī)實際運行時的狀態(tài)進(jìn)行采集，對容量和速度要求較高，本研究選用USB3106采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，該采集卡共有16個通道可對信號進(jìn)行采集，采樣頻率最高可達(dá)500 KS/s，AD轉(zhuǎn)換時間≤1.25 μs,存儲溫度范圍廣，可以更好地適應(yīng)漁船的機(jī)艙環(huán)境。

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要實現(xiàn)對傳感器采集信號的傳輸，通過信號發(fā)射機(jī)與接收機(jī)來進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。采用無線傳輸?shù)姆绞?，可以較好地適應(yīng)漁船主機(jī)狹小的工作環(huán)境。本研究選擇TT9000系列遙測系統(tǒng)，其體積小、堅固耐振、調(diào)整方便、抗干擾性強，可以在漁船捕撈作業(yè)過程中保持穩(wěn)定的工作能力。信號發(fā)射機(jī)與信號接收機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸模塊主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of data transmission module

4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

4.1 信號預(yù)處理

本研究中信號的預(yù)處理包括濾波處理以及放大處理，避免信號在采集過程中受到各種噪聲的干擾，提高信噪比[25]。濾波通常有硬件濾波和軟件濾波兩種實現(xiàn)方式[26]。本研究采用硬件濾波，相比軟件濾波，對處理設(shè)備的要求更低，易于實現(xiàn)并且處理速度快[27]。采用一階有源低通濾波電路進(jìn)行濾波，降低高頻噪聲對信號的干擾，電路如圖5a所示。采用三運放差分放大電路對應(yīng)變片輸出的電壓信號進(jìn)行放大，該電路可以提高共模抑制比，有較好的差分放大線性度，電路如圖5b所示。

圖5 預(yù)處理電路圖Fig.5 Pretreatment circuit diagram

4.2 信號處理

本研究采用計算機(jī)作為處理單元，使用LabView平臺對監(jiān)測系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制，并對信號進(jìn)行計算，獲取轉(zhuǎn)速、扭矩以及功率的大小。信號在經(jīng)過濾波電路后，需要在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入計算機(jī)處理。首先對信號進(jìn)行零均值化處理，剔除外部影響帶來的偏差，再對信號前后10%的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪減，并采用拉依達(dá)準(zhǔn)則，剔除粗大誤差，取平均值得到測量結(jié)果[28]。轉(zhuǎn)速信號采用零點法進(jìn)行計算，從瞬時轉(zhuǎn)速原始信號中求取瞬時轉(zhuǎn)速，用插值的方法找到原始波形與零線的交點序列{p1、p2、…、pmax}，第i個分度時的瞬時轉(zhuǎn)速vi如下:

(3)

式中：vi—瞬時轉(zhuǎn)速，r/min；fs—采樣頻率，Hz；pi+2、pi—波形與零線的交點序列。

扭矩值、應(yīng)變值、電橋激勵電壓之間的關(guān)系[29]如下：

(4)

(5)

式中：T—扭矩，N·m；D—傳動軸外徑，m；G—傳動軸剪切模量，MPa；μ—泊松比；ε—應(yīng)變值；ΔE—電橋輸出信號，mV；U—電橋激勵電壓，mV；K—應(yīng)變片靈敏系數(shù)。

5 試驗與分析

5.1 試驗平臺

本研究選擇濰柴WP10系列柴油機(jī)WP10C287-21型進(jìn)行監(jiān)測值與標(biāo)定值的對比試驗。WP10C287-21型柴油機(jī)的標(biāo)定功率為211 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。選擇BF350-3HA型扭矩測量專用應(yīng)變片，其靈敏度為(2.08±0.10)%，阻值為(350±1.20)Ω，敏感柵的大小為(3.0×5.2)mm，基底尺寸為(8.8×6.8)mm。試驗傳動軸軸徑為205 mm，材料為45#鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。主要試驗步驟如下：

首先對轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行安裝與標(biāo)定，將CZ300磁電傳感器按照說明書要求，安裝在相距測速齒輪一定距離處，在確認(rèn)磁電傳感器可以正常采集轉(zhuǎn)速信號后，對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的安裝間隙進(jìn)一步調(diào)整，使輸出信號的峰值在經(jīng)過濾波放大后連續(xù)穩(wěn)定在2.0 V左右。

其次對應(yīng)變片以及遙測系統(tǒng)發(fā)射機(jī)進(jìn)行粘貼與標(biāo)定，選取4片相同的應(yīng)變片，使用高精度萬用表對應(yīng)變片的阻值進(jìn)行測量，確保其誤差值在允許范圍之內(nèi)。接著對軸表面進(jìn)行清潔，按±45°方向分別使用502號膠粘貼應(yīng)變片并滾壓其表面擠出多余的膠水和氣泡，固定后在應(yīng)變片引線附近貼上接線端子，同時在引線下面粘貼一層絕緣膠布，保證應(yīng)變片與被測處之間絕緣且應(yīng)變片沒有被短路或斷路。在應(yīng)變片與遙測系統(tǒng)信號發(fā)射機(jī)連接后，將發(fā)射機(jī)粘貼固定在軸上，并對焊接端子處使用防護(hù)劑進(jìn)行防潮、防濕處理。確認(rèn)應(yīng)變片與遙測系統(tǒng)正常工作后對其采集信號進(jìn)行標(biāo)定，控制柴油機(jī)在不同功率下進(jìn)行工作，將測量值與標(biāo)定值進(jìn)行對比，保證測量誤差在允許范圍內(nèi)。

最后對柴油機(jī)功率在線監(jiān)測進(jìn)行試驗，將遙測系統(tǒng)接收機(jī)以及CZ300磁電轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡相連，通過LabView軟件對信號的采集進(jìn)行控制。設(shè)置采樣頻率為5 KS/s并進(jìn)行連續(xù)采樣，通過柴油機(jī)性能測試平臺控制系統(tǒng)對柴油機(jī)的油門和負(fù)荷進(jìn)行控制，使柴油機(jī)在不同的工況下進(jìn)行工作。

5.2 試驗結(jié)果

柴油機(jī)依次按照標(biāo)定功率的25%、50%、75%、90%、100%、110%運行，在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5 min后進(jìn)行各項參數(shù)的記錄，每組數(shù)據(jù)測試5次取平均值，部分試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Experimental data recording

5.3 結(jié)果分析

對表2內(nèi)試驗記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，在本次試驗中，監(jiān)測系統(tǒng)在試驗測量對象WP10C287-21型柴油機(jī)各個標(biāo)定工況下測量的實際功率與柴油機(jī)標(biāo)定功率較為接近。在常用工況下，即50%～90%標(biāo)定功率下的功率測量誤差率均在1%以內(nèi)，可以較為精確地實現(xiàn)對漁船主機(jī)功率的在線監(jiān)測，符合預(yù)期目標(biāo)。相比通過研究典型主機(jī)改裝前后的標(biāo)定功率、轉(zhuǎn)速和規(guī)范對螺旋槳軸徑要求的最小值之間的關(guān)系來對現(xiàn)存漁船進(jìn)行判斷是否可能存在“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象[30]，本研究所設(shè)計的漁船主機(jī)功率在線監(jiān)測系統(tǒng)可以更為直接地實現(xiàn)對漁船主機(jī)功率的在線實時監(jiān)測以及保存，解決目前較難回溯漁船主機(jī)功率最大值出現(xiàn)的時間點與位置的問題。

6 結(jié)論

本研究針對漁船主機(jī)“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象，對漁船主機(jī)功率監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計了一種新型漁船主機(jī)功率在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、應(yīng)變式扭矩傳感器、無線遙測系統(tǒng)，以及LabView虛擬儀器對漁船主機(jī)進(jìn)行功率監(jiān)測，可以實現(xiàn)主機(jī)功率的實時監(jiān)測、記錄和回放。試驗表明：本監(jiān)測系統(tǒng)在試驗測量對象WP10C287-21型柴油機(jī)常用工況下，即50%～90%標(biāo)定功率下的功率測量誤差率均在1%以內(nèi)，可以較為精確地實現(xiàn)對漁船主機(jī)功率的在線監(jiān)測，符合預(yù)期目標(biāo)。

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