一種船用推扭傳感器設計及研究

宋 磊，任再美，陳 林，孫江龍，程爾升

(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院 湖北 武漢 430074；2.船舶數據技術與支撐軟件湖北省工程研究中心 湖北 武漢 430074；3.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 上海 200240)

0 引 言

螺旋槳作為船舶主要動力來源，其力學特性是船舶工程領域基本問題，螺旋槳效率可表示為其中V 為螺旋槳盤面處水流速度，T 和Q 分別為螺旋槳以轉速n 旋轉時產生的推力和扭矩[1]，通過上式可看出作為一種動力轉換裝置，螺旋槳有效功部分以推力T 為度量，總消耗功部分以扭矩Q 為度量。

螺旋槳性能的研究在于測量其旋轉扭矩Q 和推力T，常用設備為敞水箱（圖1），敞水箱具有良好導流作用，也用于裝載測量用的電機、儀器等設備，避免其浸水損壞。試驗時將螺旋槳置于敞水箱前端，通過連接軸穿過箱體與箱內傳感器（自航儀）相連，高速旋轉的螺旋槳通過連接軸將推力和扭矩傳遞到自航儀上，自航儀與電腦連接完成數據的采集與傳遞。為了保證連接軸穿過箱體處不出現漏水情況，一般在箱體穿孔處涂有一定黃油，在高速旋轉時此處會產生一定摩擦扭矩（零扭矩），處理方式為在試驗前先僅帶動連接軸旋轉測量零扭矩大小，對所有試驗結果扣除此零扭矩后進行處理[2]。這種處理方法對螺旋槳軸系安裝要求非常高，既不能出現嚴重的漏水情況，又不能使得零扭矩過大而造成測量數據誤差過大。

圖1 敞水箱示意圖Fig.1 Open water tank

目前對軸系扭矩和載荷直接測量方法較多，一般方法對測量空間、測量環境等方面有許多限制，小軸系尤其是模型尺度軸系的推力扭矩測量仍然有很多問題值得進一步研究[3]。郭國虎等[4]設計一種船用推力扭矩測量裝置，該裝置單獨設定推力變形區和扭矩變形區，在推力變形區釋放扭矩變形以避免扭矩干擾，在扭矩變形區釋放推力變形以避免推力干擾，以此避免推力和扭矩干擾的變形。喬愛民等[5]研究了基于動態扭矩傳感器的載荷檢測方法，通過灰色關聯校正環節有效抑制了傳感器載荷輸出的波動性，在滿量程范圍內，采用MLSR 方法的回歸誤差小于0.3%。習進錄等[6]設計一種壓力扭矩測量裝置，將測量軸段分為外軸和軸，通過分別粘貼應變片測量的方式避免了推力和扭矩的干擾。李慶勇等[7]設計光纖傳感器和轉速的軟硬件檢測系統并計算扭矩檢測結果。利用變扭矩和加速過程驗證檢測系統的信號采集模塊，波長和轉速識別精度分別為0.01 mm 和1 r/min。

1 傳感器設計

傳感器（見圖2 和圖3）通過直接測量軸系變形來測量推力和扭矩，包含推力測量部件和扭矩測量部件2 部分。其中推力測量部件為一方塊形，傳感器受到推力時方塊測量部件產生變形。扭矩測量部件為軸上一貫穿圓孔及2 個半圓貫穿孔組成的薄片，傳感器受到扭矩時該薄片產生變形。通過在推力測量部件和扭矩測量部件表面粘貼的應變片可測量變形大小，得出推力或扭矩大小[8]。

圖2 傳感器主視圖Fig.2 Front view of the the sensor

圖3 傳感器側視圖Fig.3 Side view of the sensor

推力測量部件左右兩側分別呈角對稱分布5 塊筋片，筋片由軸上前后貫穿槽孔組成，筋片組最邊緣與主軸有一縫隙，傳感器主軸受到推力作用時，筋片作用相當于彈簧，推力作用下筋片變形微小，力傳遞到推力測量方塊上，引起方塊變形[9]。扭矩測量部分由于為兩圓弧面構成的薄片，在受到推力時并未產生周向變形。當傳感器主軸受到扭矩作用時，由于筋片存在，中間推力測量方塊將不承受扭矩作用，未產生變形，扭矩測量部件由于加載扭矩將會產生周向線性變形。

上述傳感器通過筋片設計巧妙避免推力和扭矩相互干擾問題，其結構簡單，直接將測量部件設計在旋轉主軸上，為螺旋槳性能研究提供了更便捷的方法和更高的測量精度。

2 數值研究

為了探究傳感器推力和扭矩測量部件變形線性度，并分析推力和扭矩干擾特性，在Ansys Workbench中對模型進行建模、網格劃分、應力應變分析。對模型加載不同大小推力，監測推力測量部件變形分析其線性度；對模型加載不同大小扭矩，監測扭矩測量部件變形分析其線性度；同時加載推力和扭矩，監測推力測量部件和扭矩測量部件變形，與單獨加載推力和單獨加載扭矩工況對比，分析推力和扭矩相互間干擾情況。計算工況如表1 所示。

表1 計算工況Tab.1 Calculation conditions

在Engineering Data 中添加材料為304 不銹鋼，將模型導入Geometry（幾何）中并將材料設置為304 不銹鋼。采用Workbench 自帶的自動劃分網格的方法進行網格劃分，網格數目為3 萬。約束模型左側6 個自由度的運動，將其設為Fixed 固定端[10]，分別在右端施加力、扭矩，計算傳感器在力、扭矩及力和扭矩聯合作用下推力測量部件和扭矩測量部件變形[11]。

圖4 模型計算網格Fig.4 Computing grid

以推力為橫坐標，分別繪制僅加載“力”和同時加載“力和扭矩”下推力測量部件變形，如圖5 所示。對比2 條曲線可知，推力測量部件在受到推力時線性度較好，同時在受到扭矩時推力線性度變化微小，可說明扭矩對推力測量部件干擾微小。

圖5 推力測量點變形Fig.5 Deformation of thrust measurement point

以扭矩為橫坐標，分別繪制僅加載“力矩”和同時加載“力和扭矩”下扭矩測量部件變形，如圖6 所示。對比2 條曲線可知，扭矩測量部件在受到扭矩時線性度較好，在同時受到推力時扭矩線性度變化微小，可說明推力對扭矩測量部件干擾微小。

圖6 扭矩測量點變形Fig.6 Deformation of torque measurement point

上述計算工況推力測量部件變形云圖如圖7～圖10 所示。對比僅加載“力”和同時加載“力和扭矩”工況，可以看出扭矩被筋片變形所分擔，并未使中間的推力測量部件產生軸向變形，與傳感器設計思路相符[12]。

上述計算工況扭矩測量部件變形云圖如圖11～圖14 所示。對比僅加載“扭矩”和同時加載“扭矩和力”工況，可以看出推力的作用并未使扭矩測量部件產生周向變形，與傳感器設計思路相符。

圖7 35 kg 工況推力測量部件軸向變形Fig.7 Axial deformation of thrust measurement component under 35kg working condition

圖8 35 kg+75 kg·cm 工況推力測量部件軸向變形Fig.8 Axial deformation of thrust measurement component under 35kg+75kg·cm working condition

圖9 100 kg 工況推力測量部件軸向變形Fig.9 Axial deformation of thrust measurement component under 100kg working condition

圖10 100 kg +200 kg·cm 工況推力測量部件軸向變形Fig.10 Axial deformation of thrust measurement component under 100kg +200kg·cm working condition

圖11 75 kg·cm 工況扭矩測量部件變形Fig.11 Deformation of torque measuring part under 75kg·cm working condition

圖12 75 kg·cm+35 kg 工況扭矩測量部件變形Fig.12 Deformation of torque measuring parts under 75kg·cm+35kg working condition

圖13 200 kg·cm 工況扭矩測量部件變形Fig.13 Deformation of torque measuring parts under 200kg·cm working condition

圖14 200 kg·cm+100 kg 工況扭矩測量部件變形Fig.14 Deformation of torque measuring parts under 200kg·cm+100 kg working condition

3 試驗驗證

按照上述設計思路使用Q235 鋼加工傳感器主體并淬火，在推力測量部件和扭矩測量部件處分別粘貼全橋應變片，并通過軸內開孔將接線引出，傳感器實物如圖15 所示。

圖15 傳感器實物Fig.15 The sensor

傳感器主要用于螺旋槳敞水試驗，為了滿足敞水試驗需求制作標定臺架（見圖16）。標定臺架主要包括加載托盤、傳感器及支撐臺架。其中加載托盤分為力加載托盤和扭矩加載托盤，直接在力托盤上加砝碼可標定力特性，在扭矩托盤上對稱加載相同重量砝碼可標定扭矩特性，同時對力和扭矩加載可研究其相互影響。傳感器置于軸系前端部分，其中線路等在流線型柱體里面布置，最終傳遞出來用于采集，流線型柱體內部同時布置軸系傳動裝置，用于帶動螺旋槳轉動。

圖16 傳感器標定臺架Fig.16 Sensor calibration bench

本次標定為靜態標定，用于標定傳感器的線性度及回零特性，推力和扭矩標定曲線如圖17 和圖18 所示，可以看出，該傳感器靜態線性度較好，回零特性較好，與數值仿真結論吻合。

圖17 力標定曲線Fig.17 Force calibration curve

圖18 扭矩標定曲線Fig.18 Torque calibration curve

4 結 語

本文設計一種船用推力扭矩傳感器，分析其測量原理，重點闡述如何避免推力和扭矩相互干擾。運用有限元分析的方法對傳感器加載力和扭矩，分析其變形得出其干擾小的特性。制作傳感器實物并粘貼應變片，在標定臺架上進行標定驗證，結果較好，與數值分析結論吻合。