系统框架设计

1、柴油机状态参数渐变过程框架设计摘要：船舶柴油机是船舶动力之源，是传船舶航行的关键。柴油机在航行过程中状态参数是不断变化的。状态参数的改变不仅会影响柴油机的工作性能，还会影响柴油机的效率。因此如何能够更好提高柴油机的效率是十分重要的，提高船舶柴油机的效率，不仅更好的节省能源，而且能够更好的对废气、废水、残渣、进行二次利用，减少了这些污染物的排放。通过对这些污染物的控制，我们既没有污染环境，而且我们还能在节能保护和经济效益和船员安全等到了提高。本文是通过对柴油机轴功率的测量和设计测量系统来了解柴油机的效率，从而使船舶柴油机更充分的利用，使航行更加安全。 【关键词】 船舶柴油机；轴功率；扭矩；转速；

2、数据采集 Diesel State Parameters Gradual Process Framework DesignAbstract Ship marine diesel engine is the source of power is the key totransfer the ship sailing. Diesel during the voyage, state parameters are constantly changing. Change the status parameters will not only affect the performance of the

3、diesel engine, but also affect the efficiency of the diesel engine. Therefore, how to better improve the efficiency of the diesel engine is very important to improve the efficiency of marine diesel engine, not only to better save energy, waste water, residue and fewer emissions. Not only protect the

4、 environment, but also in energy efficiency and economic benefits have to wait until the increase. This article is by the diesel engine shaft power measurement and measurement systems designed to understand the efficiency of the diesel engine, making better use of marine diesel engine, making sailin

5、g safer diesel engine; shaft power; torque; speed; data collection。Key words Marine diesel engine; shaft power; torque; speed; data collection目录0 引言-11 柴油机的结构和状态参数-11.1 柴油机的主要结构-21.2 柴油机主要状态参数-1.3 提高船舶经济性的措施-2 轴功率的测量原理-2.1 扭矩的概念和测量原理-2.2 转速测量原理-2.3 轴功率的计算-3 测量系统的组成和功能-3.1 测量系统的组成-3.2 数据采集-3.3 对采集数据的

6、处理和分析-4 数据的采集和处理-5 对测量系统的实际应用结论致谢语参考文献0 引言空运 、海运、铁路、公路、和管道运输是当今社会运输的主要方式。在这些运输方式中，海上运输是这些运输方式中的重中之重。现在的海运全部是通过大型船舶实现的，海运有着其他运输方式不具备优势，运输距离远、一次运输量大等一些优势。为了提高海上运输在外贸运输和对外贸易中的经济效益，我们应该去尝试提高柴油机的工作效率，如何提高柴油机的工作效率。提高柴油机工作效率有很多。我们选择其中的一点对其进行研究。我们选择的是对柴油机的轴功率的测试这一基础点进行研究，来了解柴油机的技术状况和运行状况，轴功率的测试还可以判断出船、机、浆的匹

7、配状况，是实际船舶试验中的重要的最重要的环节之一。轴功率是通过间接的测量方法，首先要间接的测出船舶柴油机的轴系的扭矩和转速来计算。由于船舶柴油机轴功率的测量和在陆地上的测量有很大的不同。因为船舶机舱里面的温度高，、机械震动明显、工作环境恶劣，海上的风浪还有螺旋桨的转动都会影响柴油机机轴功率的测量，因此船舶柴油机轴功率的测量系统对于外界的客观因素要求很高。直到上个世纪的末，人们仍采用振弦式测量系统测量柴油机的轴功率，但是该系统的优缺点很明显，优点是振弦式是测量系统测量精度高，缺点是该系统测量不同的尺寸的轴时，需要配置与该尺寸相同的集流环，这样做的成本较高，经济性比较差，而且设备的体积比较庞大，对

8、空间的要求很高，对于一些安装空间较小的船体，测量就十分困难了，甚至无法安装。本文通过Trak9000型扭矩数字遥测系统来测量船舶轴功率，该系统体积小，操作简单，对环境的要求没有像弦式测量系统的要求高，该系统弥补了振弦式测量系统的缺点的同时还具有下面的优点，Trak9000型扭矩数字遥测系统还实现了数据采集和处理大大的减小了测量的时间。 1 柴油机主要结构和状态参数 柴油机的种类有很多，每一种柴油机的组成结构和组成系统和型号都有着许多差异，但是从整体上来说，柴油机的工作原理和总体结构上是十分类似的下面将介绍柴油机的共同点和如何提高柴油机经济性的措施1。1.1柴油机的主要机构1）主固定件：柴油机的

9、主要固定件有机体，机体常出现与中小型柴油机中，还包括一些其他的固定件像机座、机架、气缸、气缸盖等。2）主要运动件。活塞，活塞称为发动机的心脏，主要的作用是承受气体压力。连杆组件，包括连杆、连杆盖和连杆螺栓，作用是把活塞的往复变为回转。曲轴运动件，是主要的旋转几件。还有一种叫做十字头的运动件，这种运动件一般会出现在大型二冲程柴油机中。柴油机工作运行的地方叫做燃烧室，它是由活塞、气缸和气缸上面的气缸盖组成。通过燃气推动活塞带动曲轴以回转的方式向外输出动力2。3）配齐机构和换气机构：配气机构是由进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴和凸轮轴传动机构组成。进排气系统由空气滤器、进排气管和消音器组成。4）燃油系

10、统：燃油系统是由燃油供应系统和燃油喷射系统组成。燃油供应系统是把符合使用的燃油畅通无阻的输送到喷油泵入口段。系统由加载和测量、储存、驳运、净化处理、供给组成。燃油喷射系统是由喷油泵、喷油器和高压油管组成2。为了保证燃烧的进行。我们让燃油喷射系统定时的向燃烧室喷射雾化良好的燃油。5）滑油系统：滑油系统的主要作用就是将清洁剂类的滑油送至柴油机的各运动件摩擦表面，起到减磨、冷却清洁、密封和防锈的作用，保证柴油机正常工作。6）柴油机还有冷却系统和启动控制系统。1.2柴油机的主要参数1）基本结构参数：上止点和下止，上止点和下止点分别是活塞在气缸中运动最上端和最下端的位置；行程-指活塞从上止点到下止点间的

11、直线距离；缸径-气缸的直径；还有气缸的余隙容积，余隙高度，气缸工作容积和气缸总容积。2）柴油机的工作参数：最高爆发压力-燃烧过程中气缸内的工质的最高压力；排气温度-非增压柴油机的排气温度等于排气管内的平均温度；活塞平均速度-曲轴转两个行程中活塞的速度的平均值。还包括行程缸径比和压缩比。1.3提高船舶柴油机的经济性措施：1）采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器：现代柴油的显著特点是在高增压柴油机上采用定压涡轮增压系统，采用定压涡轮增压系统的增压器的效率有20世纪60年代的50%到60%提高到现在的70%到76%,由此显著降低了柴油机的燃油效率。2）增大行程缸径比：为了能够保持活塞在平均速度

12、不变的情况下柴油机的转速可以大幅度的降低，我们选择增加柴油机的增大行程缸径比，以提高螺旋桨的推进效率，从而提高动力装置的总效率，这是自从油危机以来大幅度降低提高船舶动力装置经济性的重要措施。3）提高最高爆发压力与平均有效压力之比：柴油机的理论循环研究和实践证实，提高最高爆发压力与平均压力之比可以显著的提高柴油机的消耗率。因而现代柴油机均采用这种措施降低油耗率。但是大幅度提高最高爆发压力是十分困难的，它受到柴油机负荷的限制必须同时采取措施保证柴油机的可靠性。4）增大压缩比：在增压柴油机上尤其是高增压柴油机，为了限制px，过去我们通常降低柴油机的压缩比来保证柴油机有足够的机械强度，但是降低压缩比也

13、会降低经济性。显然，这种措施已不符合现代柴油机的发展要求。现代船用低速柴油机为了提高经济性，更具里冷循环的结论仍然采用了适当增大压缩比的措施，可以把压缩比从10左右提高69单位。35）采用VIT机构：把提高px作为节能措施时，更要重视pz值的提高。因此其一，现代船用柴油机的实际使用功率通常均小于额定功率：其二，柴油机在部分负荷下运转时pz随负荷的减少而降低。如果在部分负荷能使pz值保持其标定值，结果是pz与px的比值变大则燃油消耗率降低。VIT机构可在柴油机负荷变化是自动调整其喷油提前角，保证部分负荷时柴油机的pz基本不变，而在50%80%负荷范围内也有较高的pz值3。2 轴功率的测量原理在实

14、验室里能够比较方便的测量柴油机的轴功率。但是在船舶的机舱里现场测量轴功率就非常的困难。然而，十分准确的测量轴功率又是必不可少的工作，当船舶柴油机检修之后，需要测定其有效功率，还在检测机组工况及故障诊断时，也需要进行轴功率的测量。一般通过测量轴的扭矩和转速来确定该轴的轴功率4。因此，在本文轴功率测量系统中，采用遥测式应力应变电测技术来测量扭矩功率，用光电传感器来测量转速。2.1 扭矩的概念和测量原理1）扭矩的概念：能够使机器原件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩，转矩使物体产生某种程度的扭转变形，称为扭矩。根据材料力学可以知道，一根长L的圆轴在扭矩T的作用下会使圆轴产生弹性形变，圆轴上的任意

15、两个横截面绕轴心发生相对转动，从而产生一个角度，若圆轴所受应力不超过材料的剪切极限，会使圆轴截面上距离中心r的任意一点的切应力公式5： =T rIr 公式（2.1）2）扭矩的测量原理 轴在受到扭矩作用时，最大截面剪切应力发生在截面周边各个点，且与轴所传递的扭矩有一定的关心，如下 max=16Med03 公式（2.2）其中：max 最大剪切应力，MPa Me 转轴所受的扭矩，Nm do 轴外径，cm 图（2.2） 应力状态分析 对于一个尺寸固定的转轴来说，要想测出他的扭矩Me，我们就应测得他的应变剪切力。能够将剪切应变转变为电信号的应力应变电测技术传感器，用电子仪器测量经放大后的电信号。在轴的作

16、用下发生形变，两个轴成45度和135度的夹角与主应力，此时，电阻值发生变化是因为贴于轴上的电阻应变片发生了变形6，电阻变化的大小与贴片的平均应变成长正比，我们可以通过应变仪使电阻应变片的阻值变化转化为电压或电流的变化，因此可以把经放大电信号转变为应变信号利用的是各种型式的电子应变仪，最后在仪器上测取轴的应力与应变7。2.2 转速的测量原理我们测量光速是利用的反射式的红外光电传感器，原理：把定向反光纸均匀的贴在转轴同一界面的圆轴面上的M块，当这一截面经过红外电传感器对准时，在转动的过程中，每当反光纸被红外线照射时。传感器会输出一个脉冲是因为传感器正好接受到反光，这样传感器会输出一个脉冲，计数器进

17、行计数，这样就可以有下列公式算出轴的的转速：n=60NxM 公式（2.3）其中： Nx计数器每秒接受到的脉冲个数。M一般取60（低速大直径轴）M取12（高速小直径轴）2.3 功率的计算对于柴油机来说轴作为输出装置。轴的转速n轴功率Ne输出扭矩有如下的关系Ne=2Men60103Men9550 公式（2.4）从这个公式中可以看出我们要想计算出中的功率只要测出扭矩和转速就可以了3 测量系统的组成和功能 3.1 测量系统的组成测量系统其中包括数据采集系统、转速测量、扭矩测量和计算机结构如下 图3.1 测量系统的组成3.2 扭矩的测量 有一种系统也可以测试轴的功率，这种系统叫做振弦式轴功率测量系统，虽

18、然这种系统的测量精度比较高，但是这种测量系统需要轴颈加工一定的尺寸的集流环。集流环的成本很高，同时仪器的体积和质量都非常的庞大，安装时对环境的要求比较高，受环境的影响比较大，所以，在保证测量精度的可靠性的前提下，利Trak9000型扭矩数字遥测系统来测量不同的轴颈尤其是体积非常庞大的船舶时，我们的这种遥测系统也能得到满足。 我们利用Trak9000型扭矩数字遥测系统来测量扭矩，由图3.1中的动态测控仪、接收装置、发射装置和电池四个部分组成。我们可以中轴上贴好两组应变片来提高测量的灵敏度，这两组应变片分别成45度和135度沿轴线的顶角贴好。然后用8根引线把两组应变片点焊到接线端子，组成一个电桥8

19、，这个电桥称为Wheatstone电桥，再把四个接点分别正确的从平衡桥路接到发射装置上。 我们把9V电池和发射装置练起来，用胶带把他们固定在轴上，连同轴在一起转动。他们有三个功能。第一，将应变片阻值的变化转变别放大的电信号，第二，为Wheatstone电桥提供桥压，第三，可以经天线发射的信号，我们可以把具有250、500、1000、2000、4000、8000的挡进行放大，在测量之前，要选择合适的放大比例。接受载波信号的接受装置，信号可以传送到动态测控仪是通过屏蔽电缆来实现的，它们的核心是 Torque Tk 900 Digital Telemetry System，在这里，信号会被还原、调节

20、和处理，他们的输出方式是电压，输出电压的范围是010V。如果所有的电路都接通，应变片无应变的前提下，输出电压0V，则就打上满“量程”的挡，若输出电压变为10V。输出电压的大小与被测量的扭矩大小呈线性关系9。在实际的测量中，当打到满量程时，扭矩有下面的关系： MFs=VFSE4（d04-di4）VEXCGFN160001+uGMXT（d0） 公式（3.1）式中：MFS满量程扭矩,Nom； VFS满量程电压，V； E材料的弹性模量； di轴内径，mm； VEXC电桥励磁电压，V； GF应变片灵敏系数； N轴材料的泊松比； u材料的泊松比； GMST发射装置的放大比例；通过这个式子我们也可以得到发射

21、装置的放大比例，同时中的扭矩值如下： Me=V输出10MFS 公式（3.2） 当红外线对正，并且每片反光纸的反射光都能被传感器接收到，只有这样才能测量转速，当然我们也可以在均匀多帖一些反光纸片来提高我们的测量精度。3.3 转速的测量 传感器在3mm的距离内能够感应到磁性物体的移动，当然我们可以让他与飞轮表面相约2mm左右，我们这样做的目的是来提高他的测量更加准确，当飞轮转过一个轮齿传感器就会得到感应并且输出一个信号。我们可以根据在这指定的时间内累计出信号的个数这样我们就可以计算出转速，当然齿轮飞轮的齿数越多我们的测量就越精准。 4 采集和处理数据采集采集系统有3个模块和便于携带的电脑组成，结构

22、示意图如下；结构采集示意图ADAM4017模块一共有8个模拟输入通道和两个模拟输出通道，在这里我们只需要一个输入通道来接收采集扭矩仪输出的用来实现AD转换。ADAM4080不同于ADAM4017，ADAM4080有两个采集通道，我们可以任意的选择其中任意一个通道用作为转速传感器的输出脉冲，模块之间的通讯都遵循RS485协议，通过ADAM4025整合起来，把RS485协议转换为RS232协议，实现了模块和计算机串口的通讯。我们可以利用计算机的前台来运行VC编程的测试界面，利用计算机来实时的显示出扭矩仪和电压值的计数器频率。我们还在程序中镶入的上面的计算公式，利用这些公式我们就可以计算出轴的转速，

23、扭矩和功率10，同时这些数据也在计算机的界面中显示出来，让后在后台运行数据库，保存各个参考数值。测量结束后，我们应该进行重复的测量，重复测量是先通过Excel处理，然后再利用正太分布进行处理。我们假设测定值Ax的误差为。当大于等于三倍的随机误差时，则这个测量值与其他的测量值相差较大，是一个误差较大的数值应当剔除。这就是拉依达准则。当然错误的数值剔除的过程是一个反复的过程，我们应该不断的用拉依达准则不断的提出误差较大的数值。对于误差很大的值时我们就应该将其提除。然后对剩下的值继续进行求平均值和标准差。让后在对这些数值进行检验。就这样按照上面的步骤不断的反复进行直到剔除所有最大误差值。我们最后所得

24、到的平均值结果是把所有的误差值全都剔除之后所得到的。5 对测量系统的实际应用我们选择对某厂的某一条40000吨油船的柴油机进行的功率测量，我们利用极小的箔式电阻应变片，应用Torque Tank 9000 Digital Telemetry System这个系统。该柴油机的出场额定功率 6200 KW，额定转速95rmin，中间轴直径400mm，按照试航大纲的要求，在45到90rmin的范围内，每隔5转测量一次柴油机的输出功率，在中间轴上选择光滑的一段，按照前面介绍的方法，贴好应变片 ，接好电桥，并接入固定在轴上的发射装置在轴上贴好50片反光纸，调整好测速传感器，并且连接好所有的电路。将动态测

25、控依、采集系统和计算机打开，开始测量。我们选择的感应片系数是2.08%，发射器的放大比例是2000，根据公式（3.1）可以测的扭矩为961067N0m，在每个转速下测量3min。采集系统采样频率是每秒钟2次，采集完成后，去除前后30s的数据，留下中间最稳定的数据作为测量记录，让后剔除误差值，得到测量结果表1表1 测量结果转速rmin 扭矩仪输出的电压值V 扭矩值NO m 柴油机轴功率 kw 45 1.45 138 393 65550 1.61 155 696 81555 1.86 179 713 103360 2.12 202 784 127665 2.43 235 463 160470 2.83 272 942 200375 3.27 315 231 247480 3.81 365 207 306985 4.26 407 494 362890 4.66 449 776 423895 5.05 484 839 4825表 2 主机轴功率转速特性曲线 结合图图表和测量结果来看，用Torque Tank 9000 Digital Telemetry Sy