基于逆磁致伸缩效应船舶轴系扭矩测量方法研究

发布时间：2020-11-20 03:08

　　 船舶轴系轴功率不仅是船用发动机运行状态评估的重要参数,而且结合油耗、转速和航速等参数,还可为船舶的经济航行提供技术支持,所以,船舶轴系轴功率也是船-机-桨匹配性能和船舶能效指数分析的重要参数。因此,开展关于船舶轴系轴功率在线测试技术的研究对船用发动机状态监测,提高船舶动力系统的安全性、可靠性和经济性具有十分重要的意义。轴功率测试的关键在于扭矩的测试,要实现船舶轴系扭矩在线监测,就需要研发非接触高可靠性的扭矩传感器。逆磁致伸缩效应是指磁性材料形状发生变化后,其磁导率随之发生变化的现象,近年来,具有逆磁致伸缩效应的新材料不断发展,如非晶态合金、纳米微晶合金等,其磁特性优越,已广泛应用于换能器与制动器等领域,具有非接触式、动态特性好等诸多优点。本文旨在探索基于逆磁致伸缩效应的船舶轴系扭矩测量方法,并通过试验验证其可行性,为新材料在船舶轴系中的应用奠定基础。本文首先分析了几种常见扭矩传感器的工作原理,比较了其优缺点,研究了基于非晶态合金的逆磁致伸缩效应实现扭矩测量的原理,选择Fe基非晶态合金作为传感器的敏感材料。然后从电磁场理论出发,在Maxwell平台下建立了传感器的电磁模型,仿真计算了激励电压、线圈匝数、磁隙等参数对传感器输出特性的影响,并设计了基于逆磁致伸缩效应的静态扭矩测量试验台架,用于逆磁致伸缩扭矩传感器的静态标定试验,试验结果与仿真计算结果基本一致,验证了三维计算模型、计算方法以及结论的正确性。仿真与静态标定试验结果表明:传感器的输出电压能反映扭矩量的变化,而且激励电压、线圈匝数、磁隙均有各自合适的取值范围,在此范围内,输出电压与扭矩呈现较好的线性关系。最后在柴油机试验台架上进行动态扭矩测量试验,分析磁隙及转速对传感器输出特性的影响,动态试验结果表明:逆磁致伸缩扭矩传感器能满足船舶轴系对扭矩测试的要求,而且更适合低速机的扭矩测量。本课题研究结果表明,将Fe基非晶态合金扭矩传感器应用于非接触式扭矩测量,具有输出信号强、灵敏度及线性度较好的优点,验证了非晶态合金的逆磁致伸缩效应在船舶轴系扭矩(轴功率)非接触测量中的可行性。因此,随着非晶态合金材料的发展及其在轴系表面涂层形成工艺的成熟,船舶轴功率的在线测量将会变得简便易行。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.21
【部分图文】：

式测量扭矩传感器由安装在中间轴上的精密套筒体和两个钢示。在轴受到扭矩作用后，轴会发生微小的形变，于会产生一个相对角位移，导致传感器上的钢弦一个受力作用。由于轴的扭转角度与扭矩成线性关系，又因其所受应力成正比，所以被测轴的扭矩最终可通过钢钢弦式测功仪在上世纪就应用于船舶，技术很成熟。内的 702、708研究所均生产此类传感器。

图 1-2 磁电测功仪国 Honeywell 公司、瑞士 ABB 公司、国内武汉理工大学都开发2009 年，武汉理工大学的杨建国、肖华等人在 Ansoft 软件的平式传感器的电磁模型，主要分析了磁钢对磁场分布的影响，并用于大型低速船舶轴系的基于磁阻效应的相位差式扭矩模拟测，杨建国、张成伟等人在此基础上对扭矩信号的处理方法进行调理电路的设计以及数据采集系统的选型，并自主研制出了一置监测系统，然后在大庆 454 油轮的柴油机上对其进行实船试信号的处理方法进行了研究，包括对信号进行去均值和滤波处法和基本相关法计算实测信号的相位差，得到其扭转角，并与，比较后发现两者存在较大误差[10]。2012 年，杨建国、何浩等对硬件模块进行了集中处理，并通过硬件系统进行信号采集及足工程环境要求的船用柴油机轴功率在线监测系统，随后S550MC-C 型柴油机上进行实船验证[11]。2014 年，余永华、杨的基础上进行了总结与改进，研制出了磁电测功仪。

光电式测量电式扭矩传感器原理如图 1-3 所示。由光电开关发射端将光信号光信号通过编码盘的遮光栅格以及通光栅格之后，光信号便在光光敏三级管的作用下转变成脉冲电信号，电信号随即得到放大并触发电路，经过现场可编程门阵列进行与、或等逻辑运算处理之电信号的相位差脉冲信号便可获得，然后结合内部时钟或外置震对应光电编码盘之间的扭转变形角度值便可通过相位差脉冲信号数字量通过单片机的串行接口被传输到计算机中，轴承的转速、的大小便会以图形或数字的形式在计算机上实时显示出来。
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本文编号：2890848