王永鼎，陳晨超

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

漁業(yè)在中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(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“大機小標”的現(xiàn)象，即漁船主機的實際功率大于其銘牌上標定的額定功率[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備來檢測漁船主機的實際功率，對“大機小標”無法精確識別。對漁船主機功率在線監(jiān)測進行研究，可以為相關單位收集漁船主機功率信息，管理漁船捕撈作業(yè)，優(yōu)化船-機-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，檢測其主機功率最直接有效的方法仍是對其傳動軸轉(zhuǎn)速和扭矩進行測量。20世紀70年代開始，國外已有學者開展對船舶主機功率監(jiān)測的研究。如美國麻省理工學院的光纖扭矩傳感器[5]，美國佛羅里達大學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[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基于磁致伸縮效應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，并向非接觸式測量轉(zhuǎn)變。

中國對船舶主機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]對柴油機子系統(tǒng)控制器進行研究，分析了基于智能控制算法的船舶推進柴油機應用中的優(yōu)缺點。董俊威[12]設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)和主機額定功率數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法，建立船型參數(shù)和主機額定功率之間的預測模型，并運用該模型對現(xiàn)有拖網(wǎng)漁船的主機額定功率進行估算。漁船的作業(yè)情況相較商船、客船、貨船等大型船舶更為復雜，國內(nèi)學者通過不斷研究，對漁船的監(jiān)測手段更為豐富，并將國外部分成熟的技術引進至漁船監(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)的模塊化設計可以更好地適應更多的漁船。模塊化設計不僅可以標準化監(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)的維護與更新，降低監(jiān)測系統(tǒng)重新布置的成本。同時模塊化設計對各個模塊進行獨立封裝，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，通過模塊化設計可以靈活布置各個模塊的位置，充分利用機艙空間，解決漁船主機機艙空間不足的難題。對在線監(jiān)測系統(tǒng)各個功能進行模塊化設計，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，總體設計如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)總體技術方案圖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，并通過標準化的接口與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連；數(shù)據(jù)傳輸模塊由信號發(fā)射機和信號接收機組成，信號發(fā)射機與數(shù)據(jù)采集模塊相連，信號接收機與采集卡相連，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，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功率的在線監(jiān)測。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

2.1 主機功率測量

數(shù)據(jù)采集是指對設備被測的模擬或數(shù)字信號進行采集并上傳到上位機中的過程[14]。與商船、客船等大型船舶相比，漁船主機功率監(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，可以直接測量主機功率的方法。而通過測量主機的輸出扭矩，再結合其轉(zhuǎn)速，通過計算就可以較為直接地得到主機的實時功率。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的扭矩和轉(zhuǎn)速信號，便可以通過計算機或單片機等處理單元來計算得到功率值。

2.2 轉(zhuǎn)速測量設計

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原理進行工作，實現(xiàn)各種導磁材料的非接觸轉(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，可以較好地適應漁船主機惡劣的工作環(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。安裝時只要對準主軸齒輪，將傳感器固定在一定距離內(nèi)即可進行測量，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 扭矩測量設計

扭矩測量的精度會對功率大小的準確性產(chǎn)生很大的影響。扭矩測量的方法從原理上進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或新建船舶柴油機等進行性能檢測；相比上述兩種扭矩測量方法，通過傳遞法進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行船舶軸扭矩測量，主要包括磁彈式、應變片式、電容式、光纖式、光電式、鋼弦式等[21]。本研究采用應變片式扭矩傳感器進行扭矩測量，其應用廣泛，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，可以很好地適應漁船主機的工作環(huán)境。當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)生最大的壓應力和拉應力，并同時產(chǎn)生最大應變值。本研究采用分布式貼片法粘貼應變片，不僅可以避免傳統(tǒng)貼片法在測量時應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°的方向粘貼應變片，并沿軸每隔90°圓周分布，如圖3所示。

圖3 應變片粘貼示意圖Fig.3 Schematic diagram of strain gauge bonding

為提高應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片相同的應變片組成全橋電路，對測量誤差進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

為簡化橋路設計，4片應變片的阻值相同，即R1=R2=R3=R4=R。當軸受到扭矩的作用時，應變片發(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系[23]如下：

(2)

2.4 數(shù)據(jù)采集卡設計

由于傳感器采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的正弦波信號，不能直接進入計算機處理，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能被計算機接受[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。由于對漁船主機實際運行時的狀態(tài)進行采集，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個通道可對信號進行采集，采樣頻率最高可達500 KS/s，AD轉(zhuǎn)換時間≤1.25 μs,存儲溫度范圍廣，可以更好地適應漁船的機艙環(huán)境。

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

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)射機與接收機來進行遠程傳輸。采用無線傳輸?shù)姆绞?，可以較好地適應漁船主機狹小的工作環(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)射機與信號接收機主要性能指標見表1。

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

4 數(shù)據(jù)處理模塊設計

4.1 信號預處理

本研究中信號的預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變片輸出的電壓信號進行放大，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 預處理電路圖Fig.5 Pretreatment circuit diagram

4.2 信號處理

本研究采用計算機作為處理單元，使用LabView平臺對監(jiān)測系統(tǒng)的工作進行控制，并對信號進行計算，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)進行A/D轉(zhuǎn)換，再進入計算機處理。首先對信號進行零均值化處理，剔除外部影響帶來的偏差，再對信號前后10%的數(shù)據(jù)進行刪減，并采用拉依達準則，剔除粗大誤差，取平均值得到測量結果[28]。轉(zhuǎn)速信號采用零點法進行計算，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、應變值、電橋激勵電壓之間的關系[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—應變值；ΔE—電橋輸出信號，mV；U—電橋激勵電壓，mV；K—應變片靈敏系數(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WP10C287-21型進行監(jiān)測值與標定值的對比試驗。WP10C287-21型柴油機的標定功率為211 kW，標定轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。選擇BF350-3HA型扭矩測量專用應變片，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)速傳感器進行安裝與標定，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。

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

最后對柴油機功率在線監(jiān)測進行試驗，將遙測系統(tǒng)接收機以及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行控制。設置采樣頻率為5 KS/s并進行連續(xù)采樣，通過柴油機性能測試平臺控制系統(tǒng)對柴油機的油門和負荷進行控制，使柴油機在不同的工況下進行工作。

5.2 試驗結果

柴油機依次按照標定功率的25%、50%、75%、90%、100%、110%運行，在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5 min后進行各項參數(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 結果分析

對表2內(nèi)試驗記錄的數(shù)據(jù)進行分析，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型柴油機各個標定工況下測量的實際功率與柴油機標定功率較為接近。在常用工況下，即50%～90%標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)對漁船主機功率的在線監(jiān)測，符合預期目標。相比通過研究典型主機改裝前后的標定功率、轉(zhuǎn)速和規(guī)范對螺旋槳軸徑要求的最小值之間的關系來對現(xiàn)存漁船進行判斷是否可能存在“大機小標”現(xiàn)象[30]，本研究所設計的漁船主機功率在線監(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功率最大值出現(xiàn)的時間點與位置的問題。

6 結論

本研究針對漁船主機“大機小標”現(xiàn)象，對漁船主機功率監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，設計了一種新型漁船主機功率在線監(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進行功率監(jiān)測，可以實現(xiàn)主機功率的實時監(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型柴油機常用工況下，即50%～90%標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)對漁船主機功率的在線監(jiān)測，符合預期目標。

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