船舶軸系動(dòng)力作為船舶航行動(dòng)力的輸出源，其軸功率測(cè)量對(duì)掌握船舶運(yùn)行狀態(tài)和性能具有重要的意義。目前船舶軸系軸功率測(cè)量是通過間接測(cè)量軸系的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速得到，其中轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，因而扭矩測(cè)量技術(shù)對(duì)軸功率測(cè)量精度有很大的影響。

一、應(yīng)變片式軸功率測(cè)量原理及方法

以電阻應(yīng)變片為測(cè)量元件進(jìn)行船舶軸功率測(cè)量，是目前船舶行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的一種扭矩測(cè)量方法。該測(cè)量系統(tǒng)由扭矩遙測(cè)儀、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和便攜式計(jì)算機(jī)組成。利用金屬良好的延展性制成很薄和電阻為定值的金屬片即應(yīng)變片，粘貼在被測(cè)軸系的光滑表面上，當(dāng)應(yīng)力作用于被測(cè)軸系上后，被測(cè)軸的表面就會(huì)在扭力作用下產(chǎn)生變形，應(yīng)力傳遞到應(yīng)變片，受拉壓力應(yīng)力應(yīng)變片的電阻發(fā)生與被測(cè)軸表面變形成正比的變化，因此被測(cè)軸的變形量就可以通過測(cè)量應(yīng)變片電阻的變化量來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而軸系的扭矩值也就可以測(cè)量出來，應(yīng)變片在安裝時(shí)，沿扭矩軸中心線45°f方便粘貼四個(gè)應(yīng)變片，組成全橋式電路。

圖1 電阻應(yīng)變片粘貼方式和電路示意圖

應(yīng)變片式測(cè)量?jī)x的尺寸小、使用范圍廣、測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅適合于靜態(tài)測(cè)量而且適合于短時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。但由于該傳感器信號(hào)發(fā)射器和供電電池必須與應(yīng)變片一同安裝固定在轉(zhuǎn)軸上，所以就給安裝帶來了一定的難度，其測(cè)量時(shí)間受到蓄電池供電能力的影響，不適合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，且其信號(hào)在傳輸時(shí)易受測(cè)試環(huán)境溫度、濕度、粘貼技術(shù)及粘貼劑的干擾，會(huì)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度造成影響。

二、鋼弦式軸功率測(cè)量原理及方法

鋼弦式船舶軸功率測(cè)量方法是另外一種重要的測(cè)量方法，鋼弦通過卡環(huán)安裝在被測(cè)軸上，當(dāng)應(yīng)力作用于被測(cè)軸上時(shí)，軸表面產(chǎn)生變形，就會(huì)拉緊或放松鋼弦，從而鋼弦自身頻率發(fā)生變化，進(jìn)而可以間接測(cè)得軸系扭矩。一根長(zhǎng)為 的鋼弦，當(dāng)前所受張力為T，則其固有頻率為：

式中d表示單位長(zhǎng)度鋼弦的質(zhì)量。

鋼弦的張力在被測(cè)軸受到的扭矩作用下產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起鋼弦振動(dòng)頻率的變化，頻率的變化量通過磁電式變換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。鋼弦與永久磁鋼間的間隙在鋼弦發(fā)生振動(dòng)的情況下發(fā)生變化，從而磁路的磁阻發(fā)生了改變，進(jìn)而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在線圈中產(chǎn)生，其頻率即鋼弦振動(dòng)頻率，經(jīng)放大器放大后電壓信號(hào)被輸出測(cè)量。

鋼弦法工作穩(wěn)定、性能可靠、測(cè)量精度高，對(duì)于船舶主機(jī)等可以快速地進(jìn)行高質(zhì)量的測(cè)試。但設(shè)備較為笨重，攜帶、安裝不方便、且測(cè)量易受到環(huán)境因素的影響。此外，鋼弦式測(cè)量?jī)x的調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，準(zhǔn)備工作需要花較長(zhǎng)時(shí)間，不適合做快速測(cè)量;另外鋼弦式測(cè)試儀重量、尺寸較大，安裝后易對(duì)構(gòu)件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布造成一定的影響，所以不適合測(cè)量較細(xì)的軸。

三、光柵法軸功率測(cè)試方法

光柵式軸功率測(cè)試由兩個(gè)光電碼盤、兩個(gè)光電傳感器、控制器組成，光電碼盤由兩個(gè)半圓環(huán)拼接而成，電傳感器安裝在固定的支架上，保證兩個(gè)光電傳感器與被測(cè)軸的軸心線在同一個(gè)平面上。兩個(gè)光電碼盤安裝在軸的兩橫截面上，以檢測(cè)軸的扭轉(zhuǎn)角，它們隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光電碼盤上的遮擋齒或者通光孔掃過光電傳感器會(huì)周期性的遮擋和打開光電開關(guān)上光電檢測(cè)器與發(fā)光二極管之間的光路，觸發(fā)光電傳感器產(chǎn)生連續(xù)的光脈沖輸出，對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)的輸出是同周期的低電平和高電平的脈沖。

圖2 光柵正視圖與側(cè)視圖

光柵法能對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速、軸功率進(jìn)行瞬時(shí)和長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映軸系運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)測(cè)主機(jī)、軸系故障的發(fā)生，提高設(shè)備利用率，降低維修費(fèi)用。并且性能可靠，響應(yīng)速度快，抗干擾能力和環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，既可以測(cè)量軸上單點(diǎn)的功率值，也可測(cè)量軸上多段的功率值。