武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063

傳統(tǒng)的船舶柴油機監(jiān)測方法是通過測量柴油機氣缸最高壓力和排氣溫度等常規(guī)熱力參數(shù)對其性能和工作狀態(tài)進行分析判斷?，F(xiàn)代電子信息技術(shù)特別是虛擬儀器技術(shù)在智能化程度、處理能力、性能價格比和可操作性等方面均有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，可降低儀器的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于船舶柴油機監(jiān)測及診斷系統(tǒng)中有著十分重要的實踐意義[1]。

1 虛擬儀器開發(fā)平臺

虛擬儀器的開發(fā)平臺主要有LabVIEW、AgilentVEE、Visual C++、LabWindows /CVI等，其中LabVIEW自帶數(shù)據(jù)采集、分析等集成庫，并且提供了動態(tài)連接庫(DLL)調(diào)用、CIN節(jié)點和MATLAB節(jié)點和儀器驅(qū)動程序，使軟件與其他外部程序或外部設(shè)備的連接更加方便，還可以通過網(wǎng)絡(luò)、ActiveX共享數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)等方式與其他數(shù)據(jù)源相連[2-3]。

船舶柴油機進行監(jiān)測及診斷需要完成各種信號采集和分析處理，LabVIEW開發(fā)軟件能夠解決信號采集、分析與處理問題，故選其為船舶柴油機監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)平臺。

2 船舶柴油機監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 測量參數(shù)的確定

測量主要參數(shù)包括柴油機氣缸壓力、瞬時轉(zhuǎn)速、熱力參數(shù)和軸功率等，以及高壓燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和進排氣等主要系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)的硬件組成

柴油機監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機組成，監(jiān)測系統(tǒng)硬件見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

1) 傳感器。選用上止點傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、氣缸壓力傳感器、溫度傳感器和油管壓力傳感器等。上止點傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器選用的均是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，氣缸壓力傳感器選用壓電式傳感器，油管壓力傳感器選用壓阻式傳感器，中低溫度的測量選用熱敏電阻傳感器。

2) 數(shù)據(jù)采集設(shè)備。選用美國NI公司的NI-PCI6259型高性能數(shù)據(jù)采集卡，以實現(xiàn)對信號的采集和數(shù)據(jù)傳輸。

3) 計算機。計算機安裝監(jiān)測系統(tǒng)和分析軟件，實現(xiàn)對信號采集控制、數(shù)據(jù)分析和存儲。

2.3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲、報表生成和數(shù)據(jù)查詢，程序結(jié)構(gòu)見框圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測結(jié)構(gòu)

MAN B&W 6L16/24型柴油機已安裝了一套常規(guī)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，可采集滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、排氣和增壓空氣系統(tǒng)和速度控制等系統(tǒng)相關(guān)的常規(guī)參數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計中采用了串口通訊方式將常規(guī)參數(shù)直接導(dǎo)入到監(jiān)測系統(tǒng)，其它信號通過數(shù)據(jù)及設(shè)備采集，并進行濾波、平均化和積分運算等信號預(yù)處理，輸出氣缸壓力示功圖、振動頻譜圖和等曲軸轉(zhuǎn)角供油規(guī)律曲線等特征參數(shù)數(shù)據(jù)。

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個程序模塊組成。

1) 數(shù)據(jù)采集模塊。設(shè)置設(shè)備號、采樣通道號、掃描次數(shù)、采樣點數(shù)、掃描速率等測量控制參數(shù)。采集的信號包括油管壓力、氣缸壓力、中冷器前進氣溫度、瞬時轉(zhuǎn)速、中冷器前進氣壓力、上止點和進排氣壓力等參數(shù)。采集的信號波形可用不同的顏色顯示，還可對信號波形實時存儲和歷史數(shù)據(jù)回放。

2) 數(shù)據(jù)分析處理模塊。數(shù)據(jù)分析處理包括柴油機性能參數(shù)分析、燃油系統(tǒng)分析、增壓系統(tǒng)分析、潤滑與冷卻系統(tǒng)分析和軸功率測試分析等子模塊。根據(jù)氣缸壓力示功圖可計算出平均指示壓力、指示功、氣體膨脹壓力、氣體爆發(fā)壓力、燃燒起始點等特征參數(shù)。圖3是燃油系統(tǒng)分析模塊繪制的示功圖、針閥升程、高壓油管壓力曲線和上止點信號。

a) 界面

b) 信號分析曲線圖3 燃油系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析顯示圖

3) 數(shù)據(jù)存儲模塊。使用的數(shù)據(jù)庫SQL server2000將柴油機的各個性能參數(shù)、計算結(jié)果、示功圖的波形數(shù)據(jù)、瞬時轉(zhuǎn)速的波形數(shù)據(jù)等存儲。

4) 報表生成模塊。為了便于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的查詢、分析及資料的管理，可將所有的監(jiān)測情況和各參數(shù)以及計算的結(jié)果生成Word文件，并將原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果制成表格。

5) 數(shù)據(jù)查詢模塊。從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出柴油機的試驗數(shù)據(jù)以及信號的波形，包括主機原始數(shù)據(jù)查詢、主機特征數(shù)據(jù)查詢、振動信號參數(shù)查詢和主機報警記錄查詢等。

3 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)的處理

監(jiān)測系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)的處理包括瞬時轉(zhuǎn)速的計算和氣缸壓力示功圖的平均處理等。

3.1 瞬時轉(zhuǎn)速的計算

將磁電式轉(zhuǎn)速傳感器正對飛輪齒安裝，以一個飛輪齒轉(zhuǎn)過傳感器區(qū)域的微小時間間隔為一個瞬時轉(zhuǎn)速時間點來計算飛輪瞬時轉(zhuǎn)速。

圖4 瞬時轉(zhuǎn)速信號的原始波

圖4中齒輪上的每個齒切割磁力線形成近似為正弦信號的波形，每個正弦波對應(yīng)一個飛輪齒，一個正弦波包含的采樣點數(shù)不同，表示這個齒轉(zhuǎn)過傳感器的時刻飛輪的轉(zhuǎn)速不同。由此可以得到：

(1)

(2)

式中：fs——采樣頻率；

Z——飛輪齒數(shù)；

n——瞬時轉(zhuǎn)速；

K——一個正弦周期信號之間包含的采樣點數(shù)。

從上式可以看出瞬時轉(zhuǎn)速的測量誤差主要來自于采樣率和飛輪齒數(shù)。

由于兩個角標信號間的時間間隔不一定恰好等于采樣周期(采樣頻率的倒數(shù))的整數(shù)倍，因此會產(chǎn)生計數(shù)K的誤差。絕對誤差范圍為±1，數(shù)學(xué)表達式為：

(3)

從上式可以看出在飛輪齒數(shù)一定的情況下，提高采樣率能減小測量誤差，當平均轉(zhuǎn)速nm為：

nm=1 500r/min，100≤Z≤250時，

取fs=100 kHz，誤差僅為0.04%～0.10%[4]。

3.2 氣缸壓力示功圖的處理

氣缸壓力示功圖的數(shù)據(jù)處理主要有氣缸壓力示功圖的等曲柄轉(zhuǎn)角處理；從等曲柄轉(zhuǎn)角的P-Ф圖，結(jié)合柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)得到P-V示功圖，如公式(4)所示；從等曲柄轉(zhuǎn)角的P-Ф圖，結(jié)合柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到其單缸的指示壓力、指示功、氣體爆發(fā)壓力和膨脹壓力等主要性能參數(shù)[5]。

(4)

式中：D——氣缸直徑；

λ——曲柄半徑/連桿長度；

ε——壓縮比，

S—沖程。

4 試驗驗證

在MAN B&W 6L16/24型船用柴油機上對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場考核。進行了推進特性和負荷特性的試驗，其中示功圖只測取了第四缸的壓力。表1是推進特性試驗所測得的第四缸相關(guān)的一些參數(shù)，表2是推進特性試驗中監(jiān)測的主要參數(shù)值。試驗表明，監(jiān)測系統(tǒng)的精度和可靠性滿足監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求，可實現(xiàn)船用柴油機性能的綜合評價。

表1 第四缸測試參數(shù)推進特性

表2 推進特性主要參數(shù)

5 結(jié)論

1) 監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度滿足技術(shù)要求，可實現(xiàn)船用柴油機性能的綜合評價。

2) 采用基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)船舶柴油機監(jiān)測分析具有設(shè)計開發(fā)直觀簡單、硬件支持結(jié)構(gòu)開放、開發(fā)效率高等特點，系統(tǒng)具有實時性好、分析處理能力強和易于擴展的優(yōu)點。

[1] 李 鐵,劉時風(fēng),李路明.基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用[J].無損檢測,2001,23(6):240-242.

[2] 侯國屏,王 昆. LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005.

[3] 楊樂平, 李海濤,楊 磊. LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用第2版，[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2005.

[4] 郭文勇,樸甲哲,張永祥.基于瞬時轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機故障診斷方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2001,13(6):55-58.

[5] 高孝洪.船舶內(nèi)燃機仿真及其應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1993.