船舶軸系軸功率不僅是船用發(fā)動機運行狀態(tài)評估的重要參數,而且結合油耗、轉速和航速等參數,還可為船舶的經濟航行提供技術支持,所以,船舶軸系軸功率也是船-機-槳匹配性能和船舶能效指數分析的重要參數。因此,開展關于船舶軸系軸功率在線測試技術的研究對船用發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測,提高船舶動力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經濟性具有十分重要的意義。軸功率測試的關鍵在于扭矩的測試,要實現船舶軸系扭矩在線監(jiān)測,就需要研發(fā)非接觸高可靠性的扭矩傳感器。逆磁致伸縮效應是指磁性材料形狀發(fā)生變化后,其磁導率隨之發(fā)生變化的現象,近年來,具有逆磁致伸縮效應的新材料不斷發(fā)展,如非晶態(tài)合金、納米微晶合金等,其磁特性優(yōu)越,已廣泛應用于換能器與制動器等領域,具有非接觸式、動態(tài)特性好等諸多優(yōu)點。本文旨在探索基于逆磁致伸縮效應的船舶軸系扭矩測量方法,并通過試驗驗證其可行性,為新材料在船舶軸系中的應用奠定基礎。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,研究了基于非晶態(tài)合金的逆磁致伸縮效應實現扭矩測量的原理,選擇Fe基非晶態(tài)合金作為傳感器的敏感材料。然后從電磁場理論出發(fā),在Maxwell平臺下建立了傳感器的電磁模型,仿真計算了激勵電壓、線圈匝數、磁隙等參數對傳感器輸出特性的影響,并設計了基于逆磁致伸縮效應的靜態(tài)扭矩測量試驗臺架,用于逆磁致伸縮扭矩傳感器的靜態(tài)標定試驗,試驗結果與仿真計算結果基本一致,驗證了三維計算模型、計算方法以及結論的正確性。仿真與靜態(tài)標定試驗結果表明:傳感器的輸出電壓能反映扭矩量的變化,而且激勵電壓、線圈匝數、磁隙均有各自合適的取值范圍,在此范圍內,輸出電壓與扭矩呈現較好的線性關系。最后在柴油機試驗臺架上進行動態(tài)扭矩測量試驗,分析磁隙及轉速對傳感器輸出特性的影響,動態(tài)試驗結果表明:逆磁致伸縮扭矩傳感器能滿足船舶軸系對扭矩測試的要求,而且更適合低速機的扭矩測量。本課題研究結果表明,將Fe基非晶態(tài)合金扭矩傳感器應用于非接觸式扭矩測量,具有輸出信號強、靈敏度及線性度較好的優(yōu)點,驗證了非晶態(tài)合金的逆磁致伸縮效應在船舶軸系扭矩(軸功率)非接觸測量中的可行性。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量將會變得簡便易行。
【學位單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U664.21
【部分圖文】：

式測量扭矩傳感器由安裝在中間軸上的精密套筒體和兩個鋼示。在軸受到扭矩作用后，軸會發(fā)生微小的形變，于會產生一個相對角位移，導致傳感器上的鋼弦一個受力作用。由于軸的扭轉角度與扭矩成線性關系，又因其所受應力成正比，所以被測軸的扭矩最終可通過鋼鋼弦式測功儀在上世紀就應用于船舶，技術很成熟。內的 702、708研究所均生產此類傳感器。

圖 1-2 磁電測功儀國 Honeywell 公司、瑞士 ABB 公司、國內武漢理工大學都開發(fā)2009 年，武漢理工大學的楊建國、肖華等人在 Ansoft 軟件的平式傳感器的電磁模型，主要分析了磁鋼對磁場分布的影響，并用于大型低速船舶軸系的基于磁阻效應的相位差式扭矩模擬測，楊建國、張成偉等人在此基礎上對扭矩信號的處理方法進行調理電路的設計以及數據采集系統(tǒng)的選型，并自主研制出了一置監(jiān)測系統(tǒng)，然后在大慶 454 油輪的柴油機上對其進行實船試信號的處理方法進行了研究，包括對信號進行去均值和濾波處法和基本相關法計算實測信號的相位差，得到其扭轉角，并與，比較后發(fā)現兩者存在較大誤差[10]。2012 年，楊建國、何浩等對硬件模塊進行了集中處理，并通過硬件系統(tǒng)進行信號采集及足工程環(huán)境要求的船用柴油機軸功率在線監(jiān)測系統(tǒng)，隨后S550MC-C 型柴油機上進行實船驗證[11]。2014 年，余永華、楊的基礎上進行了總結與改進，研制出了磁電測功儀。

光電式測量電式扭矩傳感器原理如圖 1-3 所示。由光電開關發(fā)射端將光信號光信號通過編碼盤的遮光柵格以及通光柵格之后，光信號便在光光敏三級管的作用下轉變成脈沖電信號，電信號隨即得到放大并觸發(fā)電路，經過現場可編程門陣列進行與、或等邏輯運算處理之電信號的相位差脈沖信號便可獲得，然后結合內部時鐘或外置震對應光電編碼盤之間的扭轉變形角度值便可通過相位差脈沖信號數字量通過單片機的串行接口被傳輸到計算機中，軸承的轉速、的大小便會以圖形或數字的形式在計算機上實時顯示出來。
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本文編號：2890848