白 旭

(92493部隊(duì)89分隊(duì)，葫蘆島 125000)

0 引言

船舶扭矩測量儀測量的扭矩參數(shù)是船舶主動力系統(tǒng)性能的直接反映，是進(jìn)行船、機(jī)、槳匹配和燃油管理的重要數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到船舶主動力系統(tǒng)技術(shù)性能的發(fā)揮和全船的安全性和機(jī)動可靠性。

通過對船舶扭矩測量儀在線校準(zhǔn)的技術(shù)研究，設(shè)計(jì)大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置，可為船舶扭矩測量儀提供在線校準(zhǔn)技術(shù)手段，保證船舶扭矩測量儀的長期測量準(zhǔn)確度，為船舶航行的安全性、可靠性提供堅(jiān)實(shí)的保障[1]。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及總體思路

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器技術(shù)研究

標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器系統(tǒng)是整套設(shè)備的核心部件，其由彈性體、應(yīng)變片等零部件組成。它的工作原理是當(dāng)軸受扭矩時，安裝在固定器具上的彈性體產(chǎn)生相應(yīng)的變形，粘貼在彈性體上的應(yīng)變片產(chǎn)生一個與扭矩近似成正比的應(yīng)變，通過電橋電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出。

標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器是扭矩現(xiàn)場校準(zhǔn)的基準(zhǔn)，它的準(zhǔn)確度決定了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，它應(yīng)具有良好的線性度、足夠?qū)捄銖椥苑秶透叻€(wěn)定性。進(jìn)行扭矩量值傳遞時，首先在扭矩校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通過扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后在船舶現(xiàn)場采用扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置對安裝在傳動軸上的大扭矩測試系統(tǒng)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

1.1.2 供電及信號接收發(fā)射系統(tǒng)與無線接收系統(tǒng)技術(shù)研究

普通的船用扭矩儀的供電部件一般均采用滑環(huán)與碳刷相結(jié)合的供電方式，但相對于扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置的便攜性與可快速安裝使用的特性而言，傳統(tǒng)的供電方式不但所需要的組件多、重量重、攜帶不便，而且對該組件安裝的要求也較高，不適合快速安裝使用的要求，同時碳刷的更換也很不方便，不利于設(shè)備的維修與維護(hù)。必須進(jìn)行該方面的研究，使扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置可以適合船舶快速校準(zhǔn)的技術(shù)需求。

1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器安裝固定器具設(shè)計(jì)研究

為了確保信號的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器安裝固定器具的機(jī)械部分的高準(zhǔn)確度安裝是首先需要保證的，否則，扭矩傳感器信號的準(zhǔn)確輸出幾乎不可能達(dá)到[2]。部件設(shè)計(jì)采用等剛度設(shè)計(jì)方法，使卡環(huán)各部分的應(yīng)力均勻分布，在機(jī)械設(shè)計(jì)時，保證扭矩傳感器與卡環(huán)的安裝處采用必要的高準(zhǔn)確度定位的固定形式。在上下卡環(huán)的連接處采用套筒銷帶螺栓固定的結(jié)構(gòu)形式。同時應(yīng)充分考慮固定器具的動平衡設(shè)計(jì)。從而使標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生扭矩測量誤差最小。

1.1.4 前端信號處理裝置技術(shù)研究

為能提高無線遙測信號接收的準(zhǔn)確性和可靠性，必須采用專用的前端信號處理裝置對測量信號進(jìn)行前置處理。將前端信號處理裝置靠近信號源配置，減小了信號傳輸途徑外部干擾信號的影響。采用光電隔離措施，提高信號的信噪比，增強(qiáng)抗電氣干擾能力，解決了由于船艙內(nèi)各種設(shè)備間的電氣干擾與信號線過長引起的信號不穩(wěn)定和信號衰減的問題。

1.1.5 信號處理與顯示裝置技術(shù)研究

為能符合在線校準(zhǔn)需要，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的信號處理與顯示裝置應(yīng)是能集信號采集、處理、打印、控制、實(shí)時圖形顯示等各項(xiàng)功能于一身的高性能儀表。其可以對標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印，同時可在線調(diào)整被校扭矩測量儀，使被校扭矩測量儀的數(shù)據(jù)誤差得到相應(yīng)修正。研究內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)同步采集和分析、便攜性、數(shù)據(jù)比對等技術(shù)[3]。

1.2 總體思路

以大量安裝使用、航行獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合通用式扭矩測量儀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以此來設(shè)計(jì)大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置。首先在扭矩傳感器的設(shè)計(jì)方面需要做大量的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)性能更好的扭矩傳感器，在穩(wěn)定性、線性度上都要有質(zhì)的提升；其次，在機(jī)械部分要減輕設(shè)備的重量，同時減少安裝空間，充分體現(xiàn)出便攜性的特點(diǎn)；然后通過設(shè)計(jì)專用前端信號處理裝置，有效提高無線測試信號的穩(wěn)定性，避免信號衰減；最后，在電控方面要做到人機(jī)界面簡單，易于操作，采用目前主流的觸摸屏界面。總體思路框圖如圖1所示。

圖1 總體思路框圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置總體方案流程框圖見圖2。

圖2 總體方案流程框圖

扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置應(yīng)定期送至扭矩量傳機(jī)構(gòu)進(jìn)行溯源校準(zhǔn)，以保證扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置的扭矩量傳的準(zhǔn)確性。扭矩校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)過程分為靜態(tài)校準(zhǔn)和扭矩(轉(zhuǎn)速特性)校準(zhǔn)二部分。靜態(tài)校準(zhǔn)是對標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的線性度、重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性等指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)[4]。扭矩(轉(zhuǎn)速特性)校準(zhǔn)是在模擬實(shí)船裝備扭矩測量儀的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速下對因轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩變化進(jìn)行校準(zhǔn)。靜態(tài)校準(zhǔn)和扭矩轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)的結(jié)合，就可以得到標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的誤差，以確定整套裝置的準(zhǔn)確度。

溯源校準(zhǔn)后的扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置即可進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作了。校準(zhǔn)裝置的測量不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于船舶扭矩測量儀，滿足國家計(jì)量檢定規(guī)程要求。船舶扭矩測量儀固定安裝在船舶主軸上，對其進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)時，將扭矩測量儀校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器通過專用固定器具安裝在船舶主軸被測軸系上后，當(dāng)軸系承受扭轉(zhuǎn)變形后，扭矩傳感器的彈性體也產(chǎn)生相應(yīng)的位移量變形，粘貼在彈性體上的應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，隨之電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，應(yīng)變片產(chǎn)生一個與扭矩成正比的應(yīng)變，通過電橋電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出，從而測出扭矩變化信號，再通過發(fā)射天線組件進(jìn)行信號發(fā)射，由接收天線接收后與轉(zhuǎn)速信號一同送入前端信號調(diào)制裝置進(jìn)行信號前期處理，并將信號放大后再送入信號處理顯示裝置作最終信號處理，并可實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)，同時與被校船舶扭矩測量儀的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到測量誤差。

2.1 軸系扭矩的測量原理[5]

扭矩的測量是根據(jù)被測軸受扭矩力后，在軸向變形距離L產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形角，根據(jù)材料力學(xué)公式，其應(yīng)變計(jì)算公式為：

式中：M為扭矩；θ為被測軸扭轉(zhuǎn)變形角；J為極慣性矩；L為變形長度(即卡環(huán)刀口距離)；G為被測軸彈性模量。

由以上公式可知，當(dāng)被測軸材料確定后，則扭轉(zhuǎn)變形角θ與扭矩M成正比。由于卡環(huán)夾緊在被測軸上(禁止滑動)。因此兩卡環(huán)之間的相對位移Δ為：

Δ=θ·g

式中：g為軸中心線與傳感器中心線之間的距離。

將扭矩傳感器安裝在卡環(huán)上，當(dāng)軸受到扭矩時，兩卡環(huán)相對轉(zhuǎn)動θ角，相對位移Δ，使扭矩傳感器變形，應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變訊號，該訊號與扭矩成正比。將此訊號無線發(fā)射至接收端，最終送PLC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，即可測得軸上所受的扭矩值。

2.2 軸系轉(zhuǎn)速測量原理[6]

測速裝置采用光電式傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器對應(yīng)于測速齒輪固定在機(jī)架上，測速齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)為60齒，探頭與齒頂距離10～15mm，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，光電式傳感器感應(yīng)出近似正弦信號的電壓，訊號電壓經(jīng)專用信號處理單元進(jìn)行放大整形后形成為方波脈沖訊號，然后測出訊號方波頻率量，就可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測量原理公式如下所示：

式中：n為轉(zhuǎn)速；Nx為方波脈沖頻率量；z為測速齒輪的齒數(shù)。

2.3 軸系功率的測量原理

軸系上的功率、扭矩、轉(zhuǎn)速之間的物理定義公式為：

式中：T為軸上所受扭矩，N·m；W為功率值，kW；n為軸轉(zhuǎn)速，r/min。

以上三個物理量中，功率值作為導(dǎo)出量是無法直接測得的，但扭矩值和轉(zhuǎn)速值可以通過專用傳感器做出精確的測量。因此，只需對軸上的扭矩值與轉(zhuǎn)速值進(jìn)行精確的測量，即可得出準(zhǔn)確的功率值。

3 總體布局及系統(tǒng)組成

3.1 總體布局

整套大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置由傳感器裝置和信號處理與顯示裝置兩大部件構(gòu)成，如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器裝置

圖4 信號處理與顯示裝置

3.2 系統(tǒng)組成

整套測量系統(tǒng)由7大部分組成，其組成系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)組成

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 常規(guī)試驗(yàn)

4.1.1 臺架靜態(tài)標(biāo)定軸試驗(yàn)

在大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置上，嚴(yán)格按CB 3410—1991《船舶用遙測扭矩儀》中的相關(guān)校準(zhǔn)要求，首先對設(shè)計(jì)的扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置進(jìn)行臺架靜態(tài)量值校準(zhǔn)。

為了滿足實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)檢測的需要，必須按技術(shù)要求設(shè)計(jì)制造專用標(biāo)定軸，其法蘭接口的尺寸應(yīng)符合所使用校準(zhǔn)裝置(大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置)的接口尺寸要求。將扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置嚴(yán)格按要求安裝就緒后，進(jìn)行臺架靜態(tài)校準(zhǔn)。標(biāo)定軸連接方式與接入大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置后的校準(zhǔn)狀況示意圖如圖6所示。

圖6 扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置臺架靜態(tài)校準(zhǔn)示意圖

將被測傳感器安裝在扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置上，顯示儀的系數(shù)置于傳感器校準(zhǔn)系數(shù)值。調(diào)扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置加載力臂，使其處于水平位置，按顯示儀調(diào)零按鈕，使顯示儀為零。正式校準(zhǔn)前被檢傳感器預(yù)載三次，每次由零增加到額定值，再由額定值降到零，加載時不得卸載，卸載時不得加載，進(jìn)回程反復(fù)測量三次，完整記錄各點(diǎn)讀數(shù)，直到滿量程校準(zhǔn)結(jié)束。

4.1.2 扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)

為了完成扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置的轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)和轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)，必須要有一套調(diào)速校驗(yàn)聯(lián)接裝置作為試驗(yàn)的平臺。其應(yīng)按標(biāo)定軸的法蘭接口尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可將卡環(huán)式扭矩儀與標(biāo)定軸整體的連接入試驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速方面的各項(xiàng)試驗(yàn)。其初步設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 調(diào)速校驗(yàn)聯(lián)接裝置設(shè)計(jì)方案圖

4.1.3 轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)試驗(yàn)步驟

將被測傳感器安裝在調(diào)速校驗(yàn)臺上，用轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)速，并同時記錄轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩變化值。由此得出由于轉(zhuǎn)速離心力等因素所引起的扭矩測量誤差值。

4.2 轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)

4.2.1 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能進(jìn)行完整的功率值測量，扭矩儀校準(zhǔn)計(jì)量裝置設(shè)計(jì)配套有相關(guān)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，結(jié)合扭矩測量系統(tǒng)，整套裝置可以完成軸系功率值的測量。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案簡圖如圖8所示。

圖8的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，為了能與卡環(huán)式扭矩儀組成一個完整的系統(tǒng)，還需作適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

4.2.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)

在對扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置進(jìn)行靜態(tài)扭矩校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)的同時，也必須對配套的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。將被測轉(zhuǎn)速傳感器安裝在調(diào)速校驗(yàn)臺上，用轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)速，其顯示值與顯示儀上顯示的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行對比，并記錄其讀數(shù)值，重復(fù)三次。

圖8 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

5 結(jié)論

大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置克服了以往滑環(huán)碳刷供電的形式，采用電池供電的形式從而降低了安裝的空間。在左、右卡環(huán)的材料選擇上選用密度較小的7A09使得安裝、使用、維護(hù)都減輕了負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

通常一般的扭矩傳感器精度都在1%FS，而本項(xiàng)目中通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選型使得其精度達(dá)到了0.5%FS。

正因?yàn)橐陨戏N種革新設(shè)計(jì)，大型扭矩儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置做到了隨時測量主軸輸出扭矩、功率、轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)。保證了船舶主動力系統(tǒng)性能的發(fā)揮以及全船的安全性和機(jī)動可靠性。

[1] 李孝武，等.力學(xué)計(jì)量[M].北京：中國計(jì)量出版社，1999

[2] 沈宗廉.慣性技術(shù)測試設(shè)備主要性能試驗(yàn)方法[J].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994

[3] 宗孔德，胡廣書.數(shù)字信號處理[J].北京：清華大學(xué)出版社，1993

[4] JJG 995—2005靜態(tài)扭矩測量儀

[5] 商維綠.現(xiàn)代扭矩測量技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999

[6] JJG 924—2010轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置