（轮机工程专业论文）船舶动力装置轴功率测量方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机作为船舶的动力心脏，其工作状态直接反映了船舶动力系统性能和 可靠性。通过在线监测与诊断船舶动力系统的运行状态，能够提高船舶的可靠 性和降低运营成本。轴功率是船舶动力系统的主要性能参数之一，通过测量轴 功率可总体评价船舶动力系统的工作状态。因此，开展船舶动力系统轴功率测 量方法的研究具有重要的工程应用价值。本文的研究工作主要有以下几个方面： 1 ) 基于磁传感相位差的扭矩测量机理研究，建立磁钢传感器有限元计算模 型，通过仿真计算分析磁钢对磁场分布的影响，分析磁钢非均匀分布特性； 2 ) 对扭矩模拟测量试验台进行校中和改造，分析轴系不对中的原因，从材 料力学、动力学和校中工艺的角度对轴系进行“合理校中 ； 3 ) 研制适用于大型低速船舶轴系的基于磁阻效应的相位差式扭矩测量装 置，设计加工用于安装测量装置和传感器的部件；设计信号调理电路，选用p x l 数据采集系统，开发基于l a b v l e w 的扭矩模拟测量系统； 4 ) 应用扭矩模拟测量系统，在试验台上进行不同相位差的扭矩模拟试验， 研究基于磁传感相位差的信号特征值提取方法，并对试验结果进行误差分析。 关键词：动力系统；轴功率；相位差；磁阻效应 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e ，a st h e “h e a r t ”o ft h es h i p ，i t sw o r k i n gs t a t ed i r e c t l yr e f l e c t st h e b e h a v i o ro ft h ep o w e rp l a n ti ns e r v i c e b ym e a n so fr e a l - t i m ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i sf o r t h em a r i n ed i e s e le n g i n e ，w ec a ne f f e c t i v e l yk n o wt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h es h i ps oa st oe x t e n dt h es h i p ss e r v i c el i f ea n dr e d u c et h e o p e r a t i n gc o s t s h a f tp o w e r , w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e p a r a m e t o s ，c a nb em e a s u r e dt oa s s e s st h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ep o w e rs y s t e m o v e r a l l y t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h em e t h o df o rt o r q u em e a s u r e m e n to ft h ep o w e rs y s t e m ， h a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ep r o j e c t t h i s p a p e rm a i n l yc o n t a i n st h e f o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 ) e s t a b l i s h e dac o m p u t a t i o n a lm o d e lo nm a g n e t i cf i e l df o rt h em e a s u r i n g s y s t e m ，2 一d f i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t et h ee f f e c to ft h e m a g n e t i cs t e e l so nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f n o n u n i f o r md i s t r i b u t e dm a g n e t i cs t e e l sa n dt h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo f t o r q u eb a s e d o np h a s ed i f f e r e n c eo f m a g n e t i cs e n s o rt e c h n o l o g y 2 ) s h a f t i n ga l i g n m e n ta n dr e f o r m i n gf o rt o r q u es i m u l a t i n gm e a s u r i n go fal o n g s h a f tp o w e rp l a n tw h i c hh a sb e e nb u i l to nt h et e s t - b e di ns e m i a n e c h o i cr o o mi s i n t r o d u c e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fd y n a m i c sa n dm e c h a n i c so fm a t e r i a lf o rs h a f t i n g a n dt h eu s i n go fa p p r o p r i a t es h a f t i n ga l i g n m e n tt e c h n i c a lm e t h o d ，t h ea c c u r a c yo f c e n t e r i n gf o rt h es h a f t i n gh a sb e e na c h i e v e d 3 ) m a n u f a c t u r e das h a f tp o w e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rt h es h a f t i n go ft h el a r g e s l o w s p e e ds h i p sb a s e do np h a s ed i f f e r e n c eo fm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ，a n dt h ep a r t s w h i c hw e r eu s e dt of i xt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n ds e n s o rw e r ed e s i g n e da n d i n s t a l l e d ；i na c c o r d a n c ew i t ht h ef e a t u r eo ft h em a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r , d c d c p o w e rm o d u l ea n ds o m ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t sw e r ec h o s e nf o rm a k i n gt h es i g n a l a m p l i f i c a t i o na n da d j u s t a b l eb i a s e dc i r c u i t ，w h i c hw a sd e s i g n e dt or e a l i z et h es i g n a l l l 武汉理工大学硕士学位论文 c o n d i t i o n i n go ft h es e n s o r ；, as i m u l a t e dt o r q u em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n l a b v i e wh a sb e e nd e v e l o p e d 4 ) u s e dt o r q u es i m u l a t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mt ot e s td i f f e r e n tp h a s ed i f f e r e n c e o nt h et e s t - b e da n dt os t u d yt h em e t h o do fs i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，t h e nt h e e r r o ro i lt h ee x p e r i m e n tr e s u l tw e r e a n a l y s e d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s h a f tp o w e r , p h a s ed i f f e r e n c e ，m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：篮日期：竺璺蔓弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 罗脐 导师(日期7 m t 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 随着船舶向大型化、高速化和自动化方向发展，对船舶动力系统的安全可 靠性提出了更高的要求。通过实时在线监测船舶动力系统的运行状态，并判断 是否存在故障以及故障的严重程度，可提高船舶动力系统的可靠性。因此，开 展船舶动力系统监测与诊断技术的研究，具有十分重要的意义【1 h 3 1 。 输出轴的功率是柴油机最重要的性能参数之一，一般通过测量扭矩和转速 测量轴功率。船舶运行工况十分复杂，船一机一桨的匹配对船舶的安全高效运 行产生重要影响。当柴油机与螺旋桨不匹配时，一方面可能造成柴油机功率不 能充分发挥，达不到设计的航速和拖力；另一方面会造成柴油机严重的超负荷， 缩短主机的使用寿命。现代船舶的设计除要求柴油机本身具有良好的性能外， 还必须保证船一机一桨的最佳匹配。通过在线测量船舶动力系统的轴功率，不 仅可以发现柴油机的技术状况是否良好，还可以判断船一机一桨的匹配。一般 来说，以下几种情况应该对轴功率进行测量： 1 ) 新造船需要测量柴油机的轴功率。主机是与螺旋桨配合工作的，理想情 况是柴油机发出的功率等于螺旋桨吸收的功率。通常是根据柴油机标定功率和 标定转速设计螺旋桨，使螺旋桨特性曲线与柴油机外特性曲线相交点，落在柴 油机的标定功率与标定转速范围内，因此需要测量柴油机轴功率以判断船一 机一桨的匹配状态。 2 ) 船舶柴油机运转一段时间后或者大修后，其标定功率往往会有所下降， 螺旋桨的性能参数也可能发生变化，从而使柴油机的速度特性曲线和螺旋桨特 性曲线发生变化，需要重新对柴油机进行轴功率测量以判断船一机一桨的匹配 是否良好。 3 ) 进程比旯。是螺旋桨水动力性能的一个重要参数，对于同一螺旋桨，进程 比的大小取决于船舶的航行工况。 以。丢 ( 1 - 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中，y 。一船速，n 。一螺旋桨转速。 如图l l 所示，当船舶阻力增加时，进程比减小，螺旋桨特性曲线变陡，由 i 变到i i ，与柴油机外特性曲线l 的交点为a ，显然转速和功率均低于额定值； 当船舶阻力减小时，进程比变大，螺旋桨特性曲线变平坦，由i 变n i i i ，如果 柴油机仍按外特性工作，则与螺旋桨特性曲线的交点变为b ，对应的转速和功率 都高于额定值，从而使柴油机超负荷。为避免主机超负荷，必须使柴油机在部 分速度特性下工作，如曲线i i i 与2 交点c 所示。因此，船舶设备或者船舶结构有 较大改进或改装可能影响到船舶吃水或航行阻力时，需要进行轴功率测量，改 变柴油机外特性和部分外特性，从而适应螺旋桨特性的变化。 n 图1 一l船舶工况变化对机桨配合的影响 l ，2 一速度特性曲线i ，i 一螺旋桨特性曲线 4 ) 若发现轴系转速不能提高或者轴系出现异常时，需要对轴功率进行测试， 并找出原因以便有针对性地进行调整修理。 因此，只有提高轴功率测量的精度、轴功率监测和控制的实时性以及轴功 率异常分析的可靠性，才能对船舶动力装置进行准确有效的在线监测。目前各 种测试方法一般只能对静态扭矩进行精确测量，标准的动态扭矩测试装置还比 较少见。因此，对扭矩测量方法进行研究具有重要的现实意义和工程应用价值。 1 2 扭矩测试方法的国内外研究现状分析 扭矩测试方法有吸收法和传递法两种【4 】。吸收法是用某种装置给轴以制动力 2 武汉理工大学硕士学位论文 矩，与发动机输出功相当的制动功以热的形式散发，测量的制动力矩即为发动 机的输出扭矩；传递法则是测量发动机与被驱动机械连接轴的扭转角位移或应 变，进而求得发动机输出扭矩。 在实验室条件下，多数测量装置为水力或电力测功机。随着电阻应变测量 技术的提高，传递类扭矩测量法得到了广泛应用。扭矩测试技术主要包括传感 器和测试系统，传递类扭矩测量法应用最为广泛，其传感器分为应变型和扭转 角型。 1 2 1应变型扭矩测试法 应变型扭矩传感器以轴受扭矩作用而产生的主应变为基本测量量，其传感 器有应变片式扭矩传感器、磁弹性型扭矩传感器和振弦式扭矩传感器。 1 2 1 1 应变片式 应变片式扭矩传感器以电阻应变片为敏感元件，是目前国内外应用非常广 泛的一种扭矩传感器【6 】。应变片是一种很薄的金属片，可以粘贴在待测物体表面 上，当物体加上负载后，就会产生应力，应力传递到应变片，应变片的电阻发 生与应变成正比的变化。应变可以通过测量应变片的电阻来测量。图1 2 为电阻 应变片的粘贴方式和电路示意图。这种传感器的研究主要集中在两方面，一是 应变片新材料和新工艺的研究；另一方面主要是信号传输方式的研究，在传统 滑环式基础上提出了电容式、旋转变压器式、无线电式、红外式等多种传输方 式，力图解决滑环接触式传输存在的种种缺陷。 国内的研究单位和高校开展了这方面的研究。武汉理工大学2 0 0 6 年研制的 基于遥测应变技术的船舶轴系轴功率测试仪【_ 7 1 ，由电阻式应变片、磁电式转速传 感器、扭矩测量仪、信号调理设备( 含数据采集卡) 和便携电脑组成。电阻式 应变片采用了适于工业现场的日本进口防水型应变片，固定在被测轴上的应变 片以全桥方式与扭矩遥测仪的发射端相连，将轴的扭矩信号转化为相应的电信 号传送给扭矩遥测仪的发射端，由发射装置以特定频率的无线电波方式向外发 送，扭矩仪接收端在一定的距离内接收无线电波信号，并将其转化为相应的电 信号以信号差分的输入方式输入到信号调理设备。洛阳工学院等单位研制的在 线动态扭矩测试仪【8 】，将检测及发射电路集中在一块很小的印刷电路板上，与传 感器固接在一起，随传感器一起转动。它将扭矩信号经传感器转换成电信号， 3 武汉理工大学硕士学位论文 由发射装置发出与扭矩成正比关系的频率信号，经接收器和处理电路，再转换 成电压，数字显示瞬时扭矩的大小，且当扭矩超过设定值时，仪器报警以保护 设备。燕山大学研制的红外扭矩测试仪【9 】【l o 】，它利用红外线对旋转构件扭矩进行 测量。此套系统包括两部分：固定于地面的红外数据接收装置和安装于旋转轴 上的测量、红外数据发射装置。启动测量的光信号后，转轴圆盘上的接收二极 管将光信号转换为电信号，经放大器送到单片机，并进行数据采集，将扭矩的 变化量转化为电信号，经放大后被采样保持器接收并输入到单片机的a d 端口 进行模数转换，转换后的数据存储在r a m 中。完成一个数据块的采集后，单片 机丌始测量旋转一周所需时间。根据旋转周期、发射的数据编码，分时将数据 经3 个红外发射管发射，主机接收后进行分析处理，并在接收装置的液晶显示 屏上显示扭矩的最大值、最小值、峰一峰值和周期。 a b 图1 2电阻应变片粘贴方式和电路示意图 1 2 1 2 磁弹性型 磁弹性型扭矩传感器属于应力型传感裂1 l 】【1 2 1 ，是基于铁磁材料的压磁效应 制成的。铁磁材料的压磁效应是一个结构应力敏感参数，转轴中的应力变化将 引起磁导率的相应变化，而磁导率的变化又导致传感器磁路磁阻的变化，最终 转化成检验线圈中磁通的变化。 从1 9 5 4 年第一台磁弹性扭矩传感器研制成功，到现在已经出现很多类型的 该类传感器，从结构上可划分为： 4 武汉理- t 大学硕士学位论文 1 ) 一般的磁弹性扭矩传感器( 永磁体式和线圈式) 包括十字式、分叉式、 环行器式和差动环行器式等； 2 ) 应用非晶态合金的传感器结构形式可分为：( 1 ) 按敏感元件的安装方式 有：粘贴式和溅射成形式等；( 2 ) 按敏感元件的预置磁各向异性的产生方法： 扭矩加载和热处理等。 1 9 8 2 年，日本福岗九州大学研制出了新型磁头扭矩传感器【1 1 】【1 3 】【1 4 1 1 2 0 l ，通过 等离子法在轴上喷覆一段磁致伸缩层，两个铁氧磁芯组成的u 型磁头与轴线成 4 5 。放置，磁头上绕有线圈，且线圈组成了桥式电路的一部分，整个测试装置 做得很小巧。韩国科学与标准研究所磁学实验室于1 9 9 2 年研制的非晶态线圈最 大差分感应测量装置即属磁弹性【1 5 - - 1 1 9 1 。如图1 3 所示，在轴上与轴线成4 5 。方 向贴上数条磁致伸缩m r 材料。轴周围环绕着激励线圈和感应线圈，在轴上加 载扭矩时，4 5 。方向分别产生拉应力和压应力，拉应力使m r 材料的磁导率增 大，反之则减小，因而反映在感应线圈中一个线圈的磁通增大，另一个减小， 最后以差分方式输出，进而计算出扭矩值。美国麻省磁弹性器件公司于1 9 9 2 年 基于霍尔效应原理研制了一种不需要激发线圈的扭矩传感器【l3 1 ，在轴上紧固地 安装一个由磁致伸缩材料制成的环，旁边放置霍尔元件或其它磁敏元件。这种 传感器的最大特点是没有激发线圈，因而整个传感器不受激发线圈的磁场干扰， 精度较高。 ， 磁层 一鬓 r 一 一 m 图1 3 传感器磁头与磁层的关系图 上述三种磁弹扭矩测试方法测量的并不是轴本身材料的应力，而是轴应变 引起磁致伸缩材料产生应变，最终测量的是磁致伸缩材料的应力，如何更精确 地转化为轴本身的扭矩值还有待进一步研究。 5 武汉理工人学硕十学位论文 1 2 1 3 振弦式 目前，船舶轴系轴功率测量主要采用振弦式扭矩仪5 1 ，它是利用轴扭转时 传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩。振弦式扭矩 仪的变换元件是振弦式变换器，一根长为，的钢弦，以力丁将其张紧，则其固有 频率为 厂= 寺括 m ， 式中：p 表示振弦单位长度的质量。 f 。 m 厂- 当弦 一 犷一彳忌弦 1 玉号l 一1 图1 4 振弦式扭矩仪测量装置 1 、2 一卡环；a i 、b i 、a 2 、b 2 一卡环上的凸台 振弦式扭矩仪传感器工作原理如图1 4 所示。两个卡环分别卡在被测轴上相 距的两个截面上。每个卡环上有两个凸台a 。、b i 和4 、艿，两根卡环分别安 装其上。当轴转动传递扭矩时，轴产生扭转变形。两卡环截面问产生相对角位 移缈，使一根弦拉紧，称为拉弦，另一根弦放松，称为压弦。 由于钢弦张力的变化，引起弦振动频率发生变化，然后通过磁电式变换器 原理转换为电信号，如图1 5 所示。当弦振动时，改变了弦与永久磁钢1 间的间 隙，从而改变了磁路的磁阻，引起线圈l 中产生感应电动势，感应电势的频率 即弦振动频率。该信号经放大器放大后输出测量，数据传输方式有滑环式和感 应式。 6 武汉理工人学硕十学位论文 国内较早研制振弦式扭矩仪的单位是中国船舶工业总公司7 0 2 研究所、7 0 8 研究所和上海自动化仪表所等。 振弦式扭矩仪的传感器安装复杂，其信号传递靠电刷及电缆，须保持电刷 和滑环之间清洁干净，接触良好，传感器地线与仪器之间要与船体可靠接地， 防止电磁干扰。 图1 5 振弦式传感器原理 l 一感应线圈和永久磁钢；2 激振线圈；3 一放人器；4 钢弦 1 2 2 扭转角型扭矩测试法 扭转角型扭矩传感器是以一定长度的旋转轴受扭矩作用发生扭转的扭转角 为基本量。当一根长度为l 的弹性轴在受到大小为，的扭矩时，弹性轴将产生变 形，其变形特点是任意两个横截面绕中心轴发生相对转动，从而产生一个扭转 角，根据测得的扭转角及轴的材料特性计算得到轴所受的扭矩。 四川城邦测控技术有限公司开发了n j 型转矩转速传感器【2 l 】唯3 1 。其工作原 理如图1 6 所示，在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有 一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。 当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁 钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量办产生周期性变 化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同 且与轴的转速成正比，因此可以用来测量转速，且它们之间的相位与其安装的 相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 m 磁钢 么号0 国茸冒目 弹性轴 1f t 图1 - 6n j 型转矩转速传感器原理 瓜m r 本九州技术研究所于1 9 8 7 年研制的使用非晶态星形线圈的扭矩传感器， 其结构原理如图1 7 所示，星形线圈结构如图1 8 所示。其中n 束非晶态金属丝 依次串联在一起，放置在轴上的n 极环形磁铁周围，它们感应到磁场强度的变化， 与后续元件组成多谐振荡电压输出型电路，扭矩产生的角位移则以磁场相位差 的形式被星形线圈感应，通过振荡电路以电压形式输出。其特点是通过采用非 晶态星形线圈，平均了磁场强度的不均匀分布，消除了外部磁场的干扰，同时 也减小了轴系横振的影响，角分辨率较高，静态可测到0 0 0 2 。，旋转轴可测到 0 o l 。 图1 7 传感器结构原理图 8 武汉理工大学硕士学位论文 图1 8 星形线圈结构图 此外，目前应用的扭矩测量系统还包括电容式，激光式，光电编码式以及 光栅式f 1 1 ”】【2 0 】【2 4 h 2 7 1 。这些方法均采用了相位测量原理，将扭矩产生的角应变通 过感应信号的相位差形式输入n 澳, l j 量电路，实际测量角位移。为了达到较高的 精度，一般要求被测轴相对细长，足以产生足够大的变形。因此，这种测试方 法一般应用于长轴。 1 3 本文的研究目的和研究内容 本文拟针对大型低速船舶动力装置长轴系建立扭矩试验台，采用相位差式 扭矩测试方法，通过模拟试验，分析基于磁阻效应的扭矩测量原理，研究动态 扭矩信号的处理方法；在虚拟仪器平台下开发扭矩测试系统。 本文的研究工作主要包括： 1 ) 建立磁钢一传感器的磁场计算模型，应用二维有限元法计算磁钢对磁场分 布的影响，分析磁钢非均匀分布特性和基于磁传感相位差的扭矩测量原理； 2 ) 对扭矩模拟试验台进行改造，分析轴系不对中的原因，对轴系进行“合 理校中 ； 3 ) 研制适用于大型低速船舶轴系的基于磁阻效应的相位差式扭矩测量装 置，设计加工用于安装测量装置和传感器的部件；针对磁阻传感器的信号特点， 选用相关电子元件和模块电源，设计制作信号调理电路对信号进行放大和调零 9 武汉理工大学硕士学位论文 处理，选用数据采集设备，开发基于l a b v l e w 的扭矩模拟测量系统； 4 ) 应用扭矩模拟测量系统进行不同相位差的扭矩模拟试验及信号处理方法 研究，对试验结果进行误差分析。 l o 武汉理_ t 大学硕士学位论文 第2 章磁传感相位差式扭矩测量原理 本章主要介绍基于磁传感相位差的扭矩测量原理，分析磁钢非均匀分布特 性及其信号特点。 2 1 基于磁阻效应的相位差式扭矩测量原理 如图2 1 所示，当传动轴承受扭矩时，轴上相距为l 的任意两截面间将产生 相对扭转角口，计算公式如下： 对于实心轴 对于空心轴 心8 4 告 秒= 5 8 4 而t lg ( d 4 一d 4 ) 其中：t 一轴传递的扭矩( n m ) ； g 一材料的切变模量( p a ) ，对钢g = 8 1 1 0 1 0 ( p a ) d 一轴的外径( m ) ； d 一轴的外径( m ) ； 秒一扭转角( 。) 图2 1 扭矩测量原理图 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 基于磁阻效应的相位差式扭矩测量原理是通过测量轴系两截面间的相对扭 转角口，计算轴承受的扭矩t 。 如图2 2 所示，在传动轴上测量点a 和b 处分别安装一组分布规律相同的 磁钢。轴转动时磁钢也随之旋转，当磁钢扫过磁阻传感器时，产生一个脉冲信 号，由于受扭矩t 作用，轴发生扭转变形，测量点a 和b 的信号间产生相位差。 武汉理工大学硕士学位论文 当轴未受扭矩时，两组信号间的相位差只与磁钢和传感器安装的相对位置有关， 其相位差一般称为初始相位吼。测量扭矩时，同时测量转速，进而计算相位差b ， 则实际扭转角应为a 0 = q 一吼。 由式( 2 1 ) 口- - i 得 r = 丽g d 4 ( b o o ) 根据测量的转矩和转速，可计算轴传递的功率p ： p ：三兰 9 5 5 0 其中：p 为轴功率( k w ) ，n 为转速( r m i n ) 。 因此，只要测量出轴系扭矩和转速，即可得到轴功率。 图2 2 相位差式扭矩测量原理图 1 2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 磁场特性分析 在设计基于磁阻效应的扭矩测量装置之前，需要建立仿真模型进行磁场特 性分析，进而分析其信号特点。 2 2 1 电磁场基本理论 电磁场的边值问题即求解给定边界条件下的麦克斯韦方程组及由方程组演 化出的其他偏微分方程问题【3 7 】。从求解问题的技术手段说，它可以分为解析求 解和数值求解两大类。对于简单模型，有时可以得到方程的解析解。若模型复 杂度增加，则往往很难获得模型的解析解。通过有限元法，并应用相应的软件， 使磁场分析变得更方便。 1 9 世纪中叶，麦克斯韦提出了适用于所有宏观电磁现象的数学模型，称之 为麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组。它是电磁场理论的基础，也是工程电磁场数值分 析的出发点。麦克斯韦微分方程组的微分形式为 法拉第电磁感应定律 麦克斯韦一安培定律 高斯电通定律 高斯磁通定律 电荷守恒定律 v e ：一丝 研 v h ：+ o d a t v d = p v b = 0 v ：一翌 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 式中，e 为电场强度，v m ；d 为电通量密度，c m ；h 为磁场强度，a m ； 曰为磁通量密度，t ；，为电流密度，a m 2 ；p 为电荷密度，c m 3 。 场量e 、d 、曰、h 之间的关系，由媒质的特性决定。对于线性介质，本 构关系为 d = 6 e ( 2 1 0 ) b = 1 1 - ( 2 1 1 ) j = e r e ( 2 - 1 2 ) 式中，g 为介质的介电常数，f m ；为介质的磁导率，日m ；仃为介质 的电导率，s m 。 要得到电磁场问题的唯一解，除了上述方程外，还需要定解条件；对于瞬 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 变场，需要确定边界条件和初始条件；对于静态场、稳态场和时谐场，只需确 定边界条件。 当然，在实际有限元计算中，通常并不针对麦克斯韦方程组中的一阶方程， 常常先将方程化为二阶方程，然后针对二阶方程进行有限元数值求解。比较方 便的做法是根据场的基本性质，引入辅助的计算量，如标量电势矽、矢量磁位么 等。下面列出了几个m a x w e l l 常用的求解方程： 二维、三维静电场求解器所满足的泊松方程 v ( 押) = 一p ( 2 - 1 3 ) 二维静磁场求解器所满足的非齐次标量波动方程 1 v x 二v a ：= j z ( 2 - 1 4 ) 二维轴向磁场涡流求解器所满足的齐次波动方程 v f v hl + j t o , u h ：0 ( 2 1 5 ) l 盯+ ，傩j 2 2 2 有限元分析软件平台 在对扭矩测量装置的有限元分析中，采用a n s o f t 公司开发的m a x w e l l 2 d 3 d 软件。m a x w e l l2 d 是二维电磁场有限元分析软件，该软件包括电场、静 磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可用于分析电机、传感器、变压器、 永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、正常工况和故障工况的特性。它 所包含的用户界面、自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点，使得m a x w e l l 2 d 易于使用。m a x w e l l2 d 具有高性能矩阵求解器和多c p u 处理能力，提供了 最快的求解速度1 37 。 2 2 3 有限元分析 2 2 3 1 有限元分析的求解步骤删 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 1 ) 问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 2 ) 有限元网格划分：将求解域近似为具有不同有限大小和形状，且彼此相 1 4 武汉理上大学硕十学位论文 连的有限个单元组成的离散域。网格划分越细，计算结果越好，但计算量将越 大，因此，网格划分是有限元法的关键技术之一。 3 ) 确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程 化为等价的泛函形式。 4 ) 单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其 中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态 变量的离散关系，从而形成单元矩阵。为保证求解的收敛性单元推导有许多原 则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解体性能与约束。 例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导 致无法求解。 5 ) 总装求解：将单元总装形成离散域的联合方程组，反映对近似求解域的 离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单 元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在节点处。 6 ) 联立方程组求解和结果解释：有限元最终导致联立方程组。联立方程组 的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似 值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定 是否需要重复计算。 简而言之，有限元分析可分为三个阶段，前处理、计算和后处理。前处理 是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理并显示结果。 2 2 3 2 有限元计算 1 ) 建立二维模型 永磁体采用非均匀分布的方式沿圆周排列，且相邻永磁体的磁极相反如图 2 3 所示，图中s 和n 分别表示永磁体的南北极，所有s 极永磁体都位于与之相 邻的两个n 极永磁体的圆弧中间。其中，1 号和2 号永磁体的弧长距离以及3 号和4 号永磁体的弧长距离均大于2 号和3 号永磁体的弧长距离，除上述四个n 极永磁体外，其他相邻n 极永磁体弧长距离均不大于2 号和3 号永磁体的弧长 距离。这样设计是为了使1 号和4 号永磁体间的s 极磁场信号不同于其他任何 区间，既可作为计算起始点信号使用，又可用来计算转速。 仿真计算时，可以假设轴是静止的，而传感器绕轴旋转。由于传感器只检 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 测一个方向上的信号，进一步简化，建立二维模型如图2 - 4 所示，那么传感器检 测y 方向上的磁场信号。图中小长方形表示永磁体，按设计的布置规律水平放 置，且为了计算出永磁体旋转时的磁场分布情况，计算模型中永磁体数量多于 实际数量；线段表示传感器拾取信号的水平移动轨迹。 图2 - 3 永磁体的分布情况 图2 4 测量装置二维模型 2 ) 设置材料特性 如图2 5 所示，永磁体的材料设置为钕铁硼磁钢，可以在软件的材料库中进 行选取，计算环境为常温常压下，近似当作真空。如图2 6 所示，正方向为n 极，负方向为s 极，第一个磁钢的上表面磁场方向向下，为s 极，其它磁钢的 磁极按相邻不相同原则分别进行设置。 图2 5 材料属性设置界面 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 0 十上t 0口口dob口n口0 r l1 1 口d n d t r l 1 1 口b 图2 6 磁场方向设置 3 ) 确定边界条件1 3 7 】 对于每个永磁体而言，它的磁场可以看成是一个轴对称r z 平面模型，求解 区应当向r 和z 方向无限延伸。但在数值计算中，必须给r 方向和z 方向都设 置一个边界：r 凡、l z l z 。，r , o 和瓦都是有限数，但是称其为无限远边界。 一般的处理方法是，r 。和z 。是所研究系统得3 5 倍，这时，尺。和z 。不能作为 无限远边界，如果令其场量为零，可能会产生错误结果，这是因为场量在边界 处数值仍然很大，强制截断会引起反射。针对这种情况，通常使用m a x w e l l2 d 提供的气球边界功能，将尺。和乙看成理想气球边界。这样处理，不至于使模型 过大，增大计算资源。 4 ) 网格划分1 4 0 4 1 】 有限元法的实质是把连续场的问题变换为离散系统的问题来求解，因此， 变微分问题的离散化，以及为实现离散化所采取的对连续场进行单元剖分和构 造插值函数的方法是有限元法的核心内容。 对图2 4 所示的平面场进行单元剖分时，有四边形、三角形、矩形等多种几 何形状可以选择。由于进行三角形单元剖分时，各三角形单元的形状和大小都 可以不同，灵活性强，很容易使得单元格的疏密配置比较合理，并能很好的适 应边界形状。所以，目前应用得最广泛的是三角形单元。 网格剖分是有限元法求解的基础，离散网格的质量确定有限元计算的精度， 一般来说，高质量的离散网格不仅要求有足够多的节点数，同时还必须保证疏 密配置合理。有限元区域剖分应遵循以下原则： ( 1 ) 任一三角形的顶点必须是其相邻三角形的顶点，而不是相邻三角形边 上的点。 ( 2 ) 如果区域内媒质有间断，则三角形的边应落在媒质问的分界线上。 ( 3 ) 如果边界上有不同的边界条件，则三角形的顶点应落在不同边界的交 接点上。 ( 4 ) 当边界线或内部的媒质分界线为曲线时，用相近的直线段代替；若曲 线的曲率很大，则须多分几个直线段。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 对于边界上的三角形，为了便于计算，不要使两条边同时落在边界上。 ( 6 ) 三角形三边的边长一般不要相差太悬殊，但在磁场变化较小的方向上， 三角形可相对长一些( 一般宜采用等边三角形) 。 为了保证计算精度，并适当节约计算量，在磁场较强或磁场变化较大的地 方，三角形取得要小一些，其他地方则可以适当的取大一些。为使三角形的边 长不致过大，三角形由d , n 大必须逐步过渡。由于本模型相对比较简单，可以 采用m a x w e l l2 d 中的自动划分网格功能。 5 ) 求解分析 前面的四个步骤完成后，即可求解。然后通过m a x w e l l2 d 中的场计算器进 行后处理，计算显示模型中线段上的y 方向磁场。计算结果如图2 7 2 1 5 所示， 分别表示测量距离不同时的y 方向磁场分布情况，图中给出了主轴旋转一周的 仿真信号。 根据磁场理论，磁铁周围的磁感线都是垂直于表面从n 极出来进入s 极。 离永磁体磁极表面越近，磁感线数量就越多；离永磁体磁极表面越远，由于磁 感线会发生偏转，磁感线数量也会越来越少。因此，对同一磁性材料而言，其 表面磁场强度应相等，而无限远处的磁场强度应接近零。 在简化模型中，由于相邻永磁体的极性相反，且每个永磁体y 方向的磁感 线均会受到相邻磁钢的影响而发生偏离，再加上永磁体分布不均匀，导致每个 永磁体的y 方向磁感线受到相邻永磁体的影响程度不一样，即每个永磁体相同 距离处的磁场分布特性均不相同。由下列图中的磁场特性曲线可以看到，当传 感器与永磁体的距离逐渐变小时，各永磁体在y 方向的磁场强度会逐渐趋于相 等；而当传感器与铁磁体的距离逐渐变大时，y 方向的磁场强度会变弱到趋于零， 甚至反向。 在相位差计算过程中，不但要找到信号中的每个峰值的位置，还要将两个 测点处对应磁钢的信号一一对应起来，这样计算就不会出错；且传动轴每旋转 一周都会有一个计算起始点信号，可用来计算转速，进而计算得到轴功率。因 此，准确识别到计算起始点信号显得尤为重要。 1 号和4 号永磁体对应的波峰信号之问的三个s 极信号特征不易与其它s 极 信号混淆，可以作为计算起始点位置识别( 计算起始点信号识别方法详见4 2 2 节) 。图2 7 和图2 8 中所有波谷值基本相同，不易识别；图2 1 5 中，虽然上止 点信号特征明显，但其他永磁体的信号太弱，有的甚至已经消失。因此，测量 时传感器与永磁体的最佳距离应为6 1 l e m 。 武汉理工人学硕士学位论文 0 终枣器豹衣平位置( m m ) 图2 7 距测量装置4 c m 处的磁场 旯 3 4 八 广 八 0 l 。f x 。i i - _ b u i 1 2 1 5 0瑚鹧 4 2 7 7 7 b5 g 6 g g 77 1 ；5 5 5 5酗4 4 4 49 6 3 3 3 3i i z t 2 2拍i i i 1 4 1 3 0 傣落器约水平位置rm ) 图2 - 8 距测量装置5 c m 的磁场 1 9 晕噼v馘濑嚣越 名e 0 0 0 鹊0 骶 蠼 鬻一 名唧。 。0 似 赜 螺 期 武汉理= 入学硕士学位论文 【 23 4 门八小八厂、洲 v川 ； ! ，一夕。一 i 即瑚鹧9d 打刀85 6 6 , 5 6 0 5 5 5 88 4 , 4 4 4 49 6 33 3 3i i 挖2 21 2 6 i i i1 4 0 0 传感器的水平位置( 哪) 图2 - 9 距测量装置6 c m 的磁场 八认h 二：；、八八 f vvv v i 1 5 0 2 8 8 94 2 7 ，丁7 8 暨6 五6 了7 0 5 历6酗4 4 4 4髓3 3 3 2 , | 拍盈 1 2 6 1 i l i 如0 馋感攀的水平盈置f 姗) 图2 1 0 距测量装置 c m 的磁场 2 0 哪 毫 姗 姗 黜 姗 - 名 1 0 0 0 鹅 。 醐 辫 榴 武汉理工人学硕士学位论文 八八八八八八 糊 传感嚣的东平位置( 珊) 图2 1 l 距测量装置8 c m 的磁场 二确 yvvvv ： ； ： f f l ： ： 。1 i 。 俺惑器的水平位置( 一) 图2 1 2 距测量装置9 c m 的磁场 2 l 粤吖k馘敷辫鬻 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 ； 1 2 3 4 m 八一八 fv v ! i 三一 ； f ； ： 、 ； 、_ i _ i i 传落器的水平位置( 一) 图2 1 3 距测量装置l o c m 的磁场 ： 1 m 入删| - 朋 i i 1 5 0l 猢s f 34 2 7 刀85 6 5 6 6 77 0 5 5 5 68 4 4 4 4 4粥3 3 3 3i i 己2 2 2i 两1 f i1 4 传愍器豹水平位置( 一) 图2 1 4 距测量装置1 l c m 的磁场 瑚v避爆舆掰 (mv埘骥蠼髫 武汉理工人学硕士学位论文 l 0 5 0 一i 0 二 i 2 3 4 门八八八人 。v v 1 i 。i 1 5 02 b 明4 刀7 7 85 6 6 6 6 77 0 5 目豫8 4 4 4 4 4啷3 3 3l l 茁忍i 雨i j i1 4 传感器约水平位置( 棚) 图2 1 5 距测量装置1 2 e r a 的磁场 暑vu越想辫帮 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章扭矩模拟试验台的改造 采用“合理校中”法对消声室试验台轴系进行对中，使之符合扭矩模拟试 验要求。 3 1 试验台设计目标 1 ) 试验台的运转过程可以得到实时控制； 2 ) 传动轴，支承及其它附属部件应满足试验要求； 3 ) 传感器接收信号不会受到干扰； 4 ) 保障人身安全。 3 2 轴系校中 3 2 1 试验台的组成 图3 一l半消声室动力装置试验台 1 柴油机2 ，8 可伸缩十字轴式双万向联轴器 5 钢轴3 ，4 ，6 ，7 中间轴支承9 直流电机 如图3 1 所示，长轴系动力装置试验台是根据船舶动力装置结构进行设计 的