發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 03:08

　　 船舶軸系軸功率不僅是船用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的重要參數(shù),而且結(jié)合油耗、轉(zhuǎn)速和航速等參數(shù),還可為船舶的經(jīng)濟(jì)航行提供技術(shù)支持,所以,船舶軸系軸功率也是船-機(jī)-槳匹配性能和船舶能效指數(shù)分析的重要參數(shù)。因此,開展關(guān)于船舶軸系軸功率在線測(cè)試技術(shù)的研究對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè),提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。軸功率測(cè)試的關(guān)鍵在于扭矩的測(cè)試,要實(shí)現(xiàn)船舶軸系扭矩在線監(jiān)測(cè),就需要研發(fā)非接觸高可靠性的扭矩傳感器。逆磁致伸縮效應(yīng)是指磁性材料形狀發(fā)生變化后,其磁導(dǎo)率隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象,近年來,具有逆磁致伸縮效應(yīng)的新材料不斷發(fā)展,如非晶態(tài)合金、納米微晶合金等,其磁特性優(yōu)越,已廣泛應(yīng)用于換能器與制動(dòng)器等領(lǐng)域,具有非接觸式、動(dòng)態(tài)特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文旨在探索基于逆磁致伸縮效應(yīng)的船舶軸系扭矩測(cè)量方法,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性,為新材料在船舶軸系中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文首先分析了幾種常見扭矩傳感器的工作原理,比較了其優(yōu)缺點(diǎn),研究了基于非晶態(tài)合金的逆磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量的原理,選擇Fe基非晶態(tài)合金作為傳感器的敏感材料。然后從電磁場(chǎng)理論出發(fā),在Maxwell平臺(tái)下建立了傳感器的電磁模型,仿真計(jì)算了激勵(lì)電壓、線圈匝數(shù)、磁隙等參數(shù)對(duì)傳感器輸出特性的影響,并設(shè)計(jì)了基于逆磁致伸縮效應(yīng)的靜態(tài)扭矩測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)架,用于逆磁致伸縮扭矩傳感器的靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了三維計(jì)算模型、計(jì)算方法以及結(jié)論的正確性。仿真與靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明:傳感器的輸出電壓能反映扭矩量的變化,而且激勵(lì)電壓、線圈匝數(shù)、磁隙均有各自合適的取值范圍,在此范圍內(nèi),輸出電壓與扭矩呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。最后在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量試驗(yàn),分析磁隙及轉(zhuǎn)速對(duì)傳感器輸出特性的影響,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明:逆磁致伸縮扭矩傳感器能滿足船舶軸系對(duì)扭矩測(cè)試的要求,而且更適合低速機(jī)的扭矩測(cè)量。本課題研究結(jié)果表明,將Fe基非晶態(tài)合金扭矩傳感器應(yīng)用于非接觸式扭矩測(cè)量,具有輸出信號(hào)強(qiáng)、靈敏度及線性度較好的優(yōu)點(diǎn),驗(yàn)證了非晶態(tài)合金的逆磁致伸縮效應(yīng)在船舶軸系扭矩(軸功率)非接觸測(cè)量中的可行性。因此,隨著非晶態(tài)合金材料的發(fā)展及其在軸系表面涂層形成工藝的成熟,船舶軸功率的在線測(cè)量將會(huì)變得簡(jiǎn)便易行。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U664.21
【部分圖文】：

式測(cè)量扭矩傳感器由安裝在中間軸上的精密套筒體和兩個(gè)鋼示。在軸受到扭矩作用后，軸會(huì)發(fā)生微小的形變，于會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)角位移，導(dǎo)致傳感器上的鋼弦一個(gè)受力作用。由于軸的扭轉(zhuǎn)角度與扭矩成線性關(guān)系，又因其所受應(yīng)力成正比，所以被測(cè)軸的扭矩最終可通過鋼鋼弦式測(cè)功儀在上世紀(jì)就應(yīng)用于船舶，技術(shù)很成熟。內(nèi)的 702、708研究所均生產(chǎn)此類傳感器。

圖 1-2 磁電測(cè)功儀國(guó) Honeywell 公司、瑞士 ABB 公司、國(guó)內(nèi)武漢理工大學(xué)都開發(fā)2009 年，武漢理工大學(xué)的楊建國(guó)、肖華等人在 Ansoft 軟件的平式傳感器的電磁模型，主要分析了磁鋼對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，并用于大型低速船舶軸系的基于磁阻效應(yīng)的相位差式扭矩模擬測(cè)，楊建國(guó)、張成偉等人在此基礎(chǔ)上對(duì)扭矩信號(hào)的處理方法進(jìn)行調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選型，并自主研制出了一置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后在大慶 454 油輪的柴油機(jī)上對(duì)其進(jìn)行實(shí)船試信號(hào)的處理方法進(jìn)行了研究，包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行去均值和濾波處法和基本相關(guān)法計(jì)算實(shí)測(cè)信號(hào)的相位差，得到其扭轉(zhuǎn)角，并與，比較后發(fā)現(xiàn)兩者存在較大誤差[10]。2012 年，楊建國(guó)、何浩等對(duì)硬件模塊進(jìn)行了集中處理，并通過硬件系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集及足工程環(huán)境要求的船用柴油機(jī)軸功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨后S550MC-C 型柴油機(jī)上進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證[11]。2014 年，余永華、楊的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)與改進(jìn)，研制出了磁電測(cè)功儀。

光電式測(cè)量電式扭矩傳感器原理如圖 1-3 所示。由光電開關(guān)發(fā)射端將光信號(hào)光信號(hào)通過編碼盤的遮光柵格以及通光柵格之后，光信號(hào)便在光光敏三級(jí)管的作用下轉(zhuǎn)變成脈沖電信號(hào)，電信號(hào)隨即得到放大并觸發(fā)電路，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列進(jìn)行與、或等邏輯運(yùn)算處理之電信號(hào)的相位差脈沖信號(hào)便可獲得，然后結(jié)合內(nèi)部時(shí)鐘或外置震對(duì)應(yīng)光電編碼盤之間的扭轉(zhuǎn)變形角度值便可通過相位差脈沖信號(hào)數(shù)字量通過單片機(jī)的串行接口被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，軸承的轉(zhuǎn)速、的大小便會(huì)以圖形或數(shù)字的形式在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來。
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本文編號(hào)：2890848