CN113310614B - 一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法，系统包括连杆力遥测单元、无线通讯单元、曲轴转角测量单元、缸压测量单元、主控单元和上位机单元，所述连杆力遥测单元连接所述低速机的连杆，用于测量连杆力，所述曲轴转角测量单元用于测量所述低速机的曲轴转角，所述缸压测量单元用于测量所述低速机的气缸压力，所述连杆力遥测单元和曲轴转角测量单元均通过所述无线通讯单元连接主控单元，所述主控单元还连接所述缸压测量单元和上位机单元。与现有技术相比，本发明具有对低速机改动小，易于实施且成本低等优点。

Description

一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及船舶发动机摩擦力测量技术领域，尤其是涉及一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法。

背景技术

大型船用低速机被广泛应用在远洋商船上作为推进动力装置，是远洋船舶最重要的配套设备，被称为船舶心脏。其活塞组-缸套、填料函-活塞杆和十字头滑块-导板，是相互耦合的三对重要摩擦副，摩擦损失占整机摩擦损失的绝大部分，对发动机的机械效率和可靠性有很大影响。因此，探索低速机活塞组-填料函-十字头滑块点火工况下的摩擦力水平，是极其重要和必要的。但是迄今为止，尚没有准确可靠的摩擦力测量技术，来确定它们的摩擦力水平。这很大程度上限制了船用低速机摩擦学性能的改善和油耗的降低。

针对汽车发动机的活塞组摩擦力，测量方法主要有浮动缸套法和瞬时IMEP法。进行这些方法的优缺点分析，对开展船用低速机的摩擦力测量工作有借鉴意义。浮动缸套法需要将气缸套从缸体上分离出来并在表面粘贴应变片。然后，利用缸套应变量获得活塞组-缸套之间的摩擦力。由于气缸爆发压力很大，分离气缸套后带来了气密性以及气体轴向力分离的问题。李国兴等人基于该原理，在专利号为ZL201710797811.2的发明中提出了一种内燃机活塞与缸套组件摩擦力的测量装置中，一定程度上缓解了气密性问题。安庆帝伯格茨活塞环有限公司和大连海事大学许久军团队也基于该原理设计了中国专利CN206804196U的一种点火状态下活塞组件与缸套摩擦力测试装置，以及中国专利CN104568275A的一种缸套与活塞组件摩擦力的测试装置及方法。不同于小型汽车发动机，船用低速机的缸径大多都在400mm以上，爆发压力高达数十兆帕，这无疑加大了密封的难度，轴向力的分离也更加困难。此外，由于船用低速机结构更加复杂，体积也比汽车发动机大的多，采用这种方法对其进行大程度的改装几乎是无法实现的。1983年，美国密歇根大学Uras等人在文献“PATTERSON D J,0148-7191”(URAS H M.SAE Technical Paper,1984)和文献“MEASUREMENT OF PISTON AND RING ASSEMBLY FRICTION INSTANTANEOUS IMEPMETHOD”(URAS H M,PATTERSON D J.Sae Technical Paper,1983)中提出了瞬时IMEP法。与浮动缸套法相比，这是一种间接测量方法，不需要对内燃机进行大规模改造。其原理是同时测量连杆力、作用在活塞上的气体力及活塞组的惯性力，利用瞬时力平衡，间接计算得到活塞组的摩擦力。目前国内外对这一技术的研究取得了一些进展，但还没有达到工业应用的水平。宁李谱在文献中利用该方法，初步实现了汽车发动机活塞组的摩擦力测量。方聪聪和文成伟等人在文献“An improved technique for measuring piston-assembly frictionand comparative analysis with numerical simulations:Under motored condition”(FANG C,MENG X,XIE Y,et al.Mechanical Systems and Signal Processing,2019,115(657-76)和文献“Online measurement of piston-assembly friction with wirelessIMEP method under fired conditions and comparison with numerical analysis”(WEN C,MENG X,XIE Y,et al.Measurement,109009)中，将瞬时IMEP方法与无线传输技术结合，在信号同步等方面升级了测量系统，成功测量了汽车发动机活塞组在倒拖和发火工况下的摩擦力。可以看出，瞬时IMEP法给出了一种内燃机摩擦力间接测量的思路，在汽车发动机的活塞组-缸套摩擦副上得到了一定应用。然而，由于船用低速机的结构和汽车发动机有很大不同，基于该方法进行摩擦力测量时，原理将会有很大变化。同时，由于船用低速机的体积更大，结构复杂度更高，基于该方法的测试装置和系统也必须进行针对性的设计来适应这些特点。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的缺失(目前还没有对船用低速机摩擦力测量的方法)而提供一种对低速机改动小，易于实施且成本低的摩擦力测量系统及其测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种船用低速机摩擦力测量系统，包括连杆力遥测单元、无线通讯单元、曲轴转角测量单元、缸压测量单元、主控单元和上位机单元，所述连杆力遥测单元连接所述低速机的连杆，用于测量连杆力，所述曲轴转角测量单元用于测量所述低速机的曲轴转角，所述缸压测量单元用于测量所述低速机的气缸压力，所述连杆力遥测单元和曲轴转角测量单元均通过所述无线通讯单元连接主控单元，所述主控单元还连接所述缸压测量单元和上位机单元。

进一步地，所述连杆力遥测单元包括依次连接的信号采集模块、模数转换模块和信号发射模块，所述信号发射模块无线连接所述无线通讯单元。

进一步地，所述无线通讯单元集成有无线信号接收电路，所述无线通讯单元设置在低速机舱门外。

进一步地，所述曲轴转角测量单元将测量出的曲轴转角信息以标准TTL信号的形式传输至所述无线通讯单元，所述无线通讯单元对所述标准TTL信号进行差分后，传输至所述主控单元。

进一步地，所述连杆力遥测单元包括依次连接的应变片、模拟电路、A/D转换电路、CPU、无线传输电路和为整个连杆力遥测单元供电的电池，所述应变片的数量为四个，组成惠斯通电桥，所述模拟电路用于对惠斯通电桥输出电压进行去噪和放大，并为惠斯通电桥提供桥压，所述CPU用于控制A/D转换电路完成实时模数转换，并通过无线传输电路将数据传输给所述无线通讯单元。

进一步地，所述缸压测量单元采用压电式压力传感器。

进一步地，所述曲轴转角测量单元包括相互连接的光学角度编码器和独立电子模块，所述独立电子模块用于将光学信号转换成标准TTL信号进行输出。

本发明还提供一种如上所述的一种船用低速机摩擦力测量系统的测量方法，包括以下步骤：

根据连杆力遥测单元输出确定连杆力，根据所述曲轴转角，计算低速机中活塞组、活塞杆、十字头组和部分连杆在竖直方向的惯性力，所述低速机中活塞组包括活塞环和活塞本体，所述十字头组包括十字头销和十字头滑块；

根据所述气缸压力，计算作用在活塞上的气体力；通过达朗贝尔原理，计算得到活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力。

进一步地，所述活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力F_f的计算表达式为：

F_f＝F_fp+F_fs+F_fc＝F_crcosθ-(F_g+F_ip+F_ic+F_ir+G_ip+G_ic+G_ir)

式中，F_fp为活塞组摩擦力，F_fs为填料函摩擦力，F_fc为十字头滑块摩擦力，F_cr为粘贴连杆力遥测单元处的连杆力，θ为连杆夹角，F_g为作用在活塞上的气体力，F_ip为活塞组和活塞杆的惯性力，F_ic为十字头组的惯性力，F_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的惯性力，G_ip为活塞组和活塞杆的重力，G_ic为十字头组的重力，G_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的重力。

进一步地，所述连杆力遥测单元根据粘贴在连杆上的应变片的输出电压，以及预先的标定结果计算连杆力，所述连杆力遥测单元的预先标定过程包括以下步骤：

S1：船用低速机摩擦力测量系统布置完毕后，记录初始状态下连杆力遥测单元的输出电压u₁，利用盘车机对低速机缓慢盘车，使活塞组和十字头滑块产生向下运动的趋势；

S2：随着向下运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大值，活塞和十字头滑块开始产生很小的向下滑动；记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₂，结束盘车；

S3：活塞组和十字头滑块重新恢复静止状态一段时间后，记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₃；利用盘车机再次对低速机缓慢盘车，使活塞和十字头滑块产生向上运动的趋势；

S4：随着向上运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大后,活塞和十字头滑块开始向上滑动；此时连杆力遥测单元的输出电压为u₄；

S5：根据u₂和u₄确定活塞和十字头滑块低速滑动时，活塞组-填料函-十字头滑块的滑动摩擦力

k是连杆力遥测单元输出电压与连杆力的线性转换系数；

S6：根据u₂和u₁确定系统布置完毕后，活塞组-填料函-十字头滑块的初始静摩擦力F_fs1＝F_fm-k(u₂-u₁)；

S7：根据F_fs1最终得到连杆不受力状态时的输出电压u₀＝u₁-(G_ip+G_ic+G_ir+F_fs1)/k。则在任意时刻，当连杆遥测单元的输出电压为u时，连杆力为F_cr＝k(u-u₀)，对连杆遥测模块的标定工作结束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明设置的曲轴转角测量单元，将转角信号转变成标准TTL信号。针对船用低速机尺寸大，信号传输距离长，导致TTL信号衰减与干扰的问题，本发明的曲轴转角测量单元采用两级信号传输，提高测量精确性；该两级信号传输具体为：首先，将曲轴转角测量单元的TTL信号用较短的线缆传送至位于舱门外的无线通讯单元；无线通讯单元中设置有对TTL信号进行差分的电路，差分后再用长距离线缆将信号传送至主控单元。由于差分后的信号有较强的抗干扰性，保证了曲轴转角信号的数据质量。

(2)由于船用低速机连杆的尺寸、重量很大，一旦安装到发动机中后，再拆下标定u₀是非常困难的；所以，本发明提出了一种现场标定的方法：在连杆安装完成后，找出此时连杆力的数值F_cr1并记录此时的连杆遥测模块输出电压u₁；而后，间接得到连杆不受力时的电压值

这样便完成了在不拆卸连杆情况下，对连杆力遥测单元的标定工作。

(3)不需要对发动机进行大的改装，省时省力，节约成本；

(4)无线测量，不需要设置应变片导线的引出装置，大大降低了系统复杂度；

(5)测量精度高，测量装置稳定性好。

附图说明

图1为在本发明中涉及的活塞组、十字头组、填料函、连杆以及曲轴的结构说明图；

图2为本发明实施例中在大型船用低速机上安装摩擦力无线测量系统的示意图，图中示意了各个单元的安装位置和各个单元之间的连接情况。其中，连杆力遥测单元和无线通讯单元之间通过无线协议实现数据通讯；

图3为本发明实施例中各个测量子单元及其之间的信号联系图；

图中，1、活塞组，2、活塞杆，3、填料函，4、十字头滑块，5、十字头销，6、连杆，7、曲轴，8、连杆力遥测单元，9、缸压测量单元，10、无线通讯单元，11、曲轴转角测量单元，12、主控单元，13、上位机单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1

本实施例提供一种船用低速机摩擦力测量系统，用于连接低速机，船用低速机摩擦力测量系统包括连杆力遥测单元、无线通讯单元、曲轴转角测量单元、缸压测量单元、主控单元和上位机单元，连杆力遥测单元连接低速机的连杆，用于测量连杆力，曲轴转角测量单元用于测量低速机的曲轴转角，缸压测量单元用于测量低速机的气缸压力，连杆力遥测单元和曲轴转角测量单元均通过无线通讯单元连接主控单元，主控单元还连接缸压测量单元和上位机单元。

下面对给部件进行具体描述

1、连杆力遥测单元

所述连杆力遥测单元8，直接粘贴到低速机连杆6上。该单元主要由应变片、模拟电路、A/D转换电路、CPU、无线传输电路和电池组成。四个应变片组成惠斯通电桥，电桥的输出电压反映了连杆力的大小。模拟电路则对惠斯通电桥输出电压进行去噪和放大，同时为惠斯通电桥提供高精度的2.5V桥压。CPU主要控制A/D转换电路完成实时模数转换，并把数据传给无线传输模块，以供发射。由于船用低速机连杆力的变化范围特别大，本发明采用了24位ADC的设计，大大提升对连杆力的分辨率，最小可以识别1N级别的连杆力变化。这样一来，经过间接计算得到的摩擦力的精度也可以得到保障。

2、缸压测量单元

所述缸压测量单元9，安装在低速机顶部缸盖上，主要包括压电式压力传感器。一般来说，船用低速机的气缸压力可达数十兆帕。因此，必须严格控制气缸压力的测量误差，以减小摩擦力计算中可能出现的误差。在实例中我们采用压电式压力传感器，缸压电压的模拟信号采用抗干扰性强的同轴电缆传输。

3、无线通讯单元

所述无线通讯单元10，主要包括天线、AD转换模块、无线模块。工作中，该单元与连杆遥测单元进行无线通讯，接受连杆力无线信号。同时，经过AD转换后，连杆数字信号通过USB接口被直接送往在集控室的上位机。该单元直接布置在发动机舱门外，如图2所示，与连杆遥测单元的距离大大缩减，避免了无线信号长距离传输带来的信号衰减等问题。

4、曲轴转角测量单元

曲轴转角测量单元11，主要包括光学角度编码器和独立电子模块。光学角度编码器的分辨率为0.5°。独立电子模块将光学信号转换成标准TTL信号进行输出。

5、主控单元

主控单元12，是整个控制系统的核心，主要包括CPU控制器，缸压处理模块和转角处理模块。CPU控制器会对开始采集、结束采集进行控制。同时，主控单元还会接受差分转角信号，进行计数操作，通过有线方式发送到上位机。在上位机中得到时间-曲轴转角信息。另外，缸压测量单元的模拟信号也会在这里接收，进行滤波、放大、AD转换后通过USB接口发往上位机。

6、上位机单元

所述上位机单元13，主要发送开始采集、结束采集命令。上位机单元中的采集软件会接收数字信号，转变成对应物理量并计算作用在活塞上的气体力、连杆力和各个惯性力，最终计算得到活塞组-填料函-十字头滑块摩擦力。

本实施例还提供上述的一种船用低速机摩擦力测量系统的测量方法，包括以下步骤：

根据连杆力遥测单元输出电压确定连杆力，根据所述曲轴转角，计算低速机中活塞组，十字头组，部分连杆在竖直方向的惯性力，根据所述气缸压力，计算作用在活塞上的气体力；通过达朗贝尔原理，计算得到活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力。

所述活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力F_f的计算表达式为：

F_f＝F_fp+F_fs+F_fc＝F_crcosθ-(F_g+F_ip+F_ic+F_ir+G_ip+G_ic+G_ir)

式中，F_fp为活塞组摩擦力，F_fs为填料函摩擦力，F_fc为十字头滑块摩擦力，F_cr为粘贴连杆力遥测单元处的连杆力，θ为连杆夹角，F_g为作用在活塞上的气体力，F_ip为活塞组和活塞杆的惯性力，F_ic为十字头组的惯性力，F_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的惯性力，G_ip为活塞组和活塞杆的重力，G_ic为十字头组的重力，G_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的重力。

所述连杆力遥测单元根据粘贴在连杆上的应变片的输出电压，以及预先的标定结果计算连杆力，所述连杆力遥测单元的预先标定过程包括以下步骤：

S1：船用低速机摩擦力测量系统布置完毕后，记录初始状态下连杆力遥测单元的输出电压u₁，利用盘车机对低速机缓慢盘车，使活塞组和十字头滑块产生向下运动的趋势；

S2：随着向下运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大值，活塞和十字头滑块开始产生很小的向下滑动；记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₂，结束盘车；

S3：活塞组和十字头滑块重新恢复静止状态一段时间后，记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₃；利用盘车机再次对低速机缓慢盘车，使活塞和十字头滑块产生向上运动的趋势；

S4：随着向上运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大后,活塞和十字头滑块开始向上滑动；此时连杆力遥测单元的输出电压为u₄；

S5：根据u₂和u₄确定活塞和十字头滑块低速滑动时，活塞组-填料函-十字头滑块的滑动摩擦力

k是连杆力遥测单元输出电压与连杆力的线性转换系数；

S6：根据u₂和u₁确定系统布置完毕后，活塞组-填料函-十字头滑块的的初始静摩擦力F_fs1＝F_fm-k(u₂-u₁)；

S7：根据F_fs1最终得到连杆不受力状态时的输出电压u₀＝u₁-(G_ip+G_ic+G_ir+F_fs1)/k。则在任意时刻，当连杆遥测单元的输出电压为u时，连杆力为F_cr＝k(u-u₀)，对连杆遥测模块的标定工作结束。

相当于，其具体实施过程包括以下步骤：

第一步，在船用低速机缸盖上安装缸压测量单元，将缸压转换成电压信号。缸压电信号实时传输到主控单元，经过模数转换后发送到上位机。在上位机中计算得到作用在活塞上的气体力F_g；

第二步，在连杆上安装连杆力遥测模块，将连杆力电压信号以无线传输方式从低速机曲轴箱中实时发送到低速机外。连杆力电压信号和连杆力是线性对应关系。当连杆不受任何轴向外力时，连杆力遥测模块发送电压u₀。则任意时刻，当连杆力遥测模块的输出电压为u时，连杆轴向力(简称为连杆力)F_cr＝k(u-u₀)，k为电压-连杆力转换系数；

第三步，安装曲轴转角测量单元，将转角信号转变成标准TTL信号。针对船用低速机尺寸大，信号传输距离长，导致TTL信号衰减与干扰的问题，采用两级信号传输，提高测量精确性。首先，将曲轴转角测量单元的TTL信号用较短的线缆传送至位于舱门外的无线通讯单元。无线通讯单元中设置有对TTL信号进行差分的电路，差分后再用长距离线缆将信号传送至主控单元。由于差分后的信号有较强的抗干扰性，保证了曲轴转角信号的数据质量；

第四步，安装无线通讯单元和主控单元。无线通讯单元通过无线协议与连杆力遥测单元实现数据通讯，接收连杆力无线信号并发送至上位机。主控单元是控制核心，对开始采集、结束采集进行控制。同时，它还接收转角和缸压信号，进行模数转换后发送到上位机；

第五步，布置上位机。上位机中的采集软件通过转角信号计算得到曲轴速度和加速度，进一步计算应变片安装位置上方各个构件的惯性力。这其中包括活塞组和活塞杆在竖直方向的惯性力F_ip，十字头组在竖直方向的惯性力F_ic，应变片安装位置上方部分连杆在竖直方向的惯性力F_ir。上位机中同时也实时计算连杆力F_cr和作用在活塞上的气体力F_g；

第六步，将应变片安装位置上方各个构件看成一个整体，根据竖直方向的达朗贝尔原理，可以得到活塞组摩擦力F_fp、填料函摩擦力F_fs和十字头滑块摩擦力F_fc之和F_f＝F_fp+F_fs+F_fc＝F_crcosθ-(F_g+F_ip+F_ic+F_ir+G_ip+G_ic+G_ir)。其中，θ是连杆夹角。F_crcosθ代表连杆力在竖直方向的分力。G_ip是活塞组和活塞杆的重力，G_ic是十字头组的重力，G_ir是应变片安装位置上方部分连杆的重力。

经过上述步骤，便可以实现活塞组-填料函-十字头滑块的摩擦力实时测量。其中在第二步测量连杆力时，需要确定当连杆不受任何轴向外力时，连杆力遥测单元的输出电压u₀。由于船用低速机连杆的尺寸、重量很大，一旦安装到发动机中后，再拆下标定u₀是非常困难的。所以，采用了现场标定的方法：在连杆安装完成后，找出此时连杆力的数值F_cr1并记录此时的连杆遥测模块输出电压u₁。而后，间接得到连杆不受力时的电压值

具体操作步骤如下：

a.连杆力遥测单元安装结束后，粘贴应变片处连杆力的大小为下式，遥测单元的输出电压为u₁。

F_cr1＝G_t+F_fs1＝k(u₁-u₀)

其中F_fs1为活塞组-填料函-十字头滑块的初始静摩擦力，G_t＝G_ip+G_ic+G_ir是应变片安装位置上方的各个构件总重力。

利用盘车机对发动机缓慢盘车，使活塞组和十字头滑块产生向上运动的趋势。随着向上运动趋势的加强，静摩擦力达到最大。而后，活塞组和十字头滑块开始向上滑动，滑动摩擦力向下。此时连杆力变为下式，遥测单元的输出电压为u₂。

F_cr2＝G_t+F_fm＝k(u₂-u₀)

其中F_fm代表活塞组和十字头滑块小速度滑动时，活塞组-填料函-十字头滑块的滑动摩擦力。活塞组开始滑动后，盘车结束。

b.等待活塞组重新恢复静止一段时间后，利用盘车机再次对低速机缓慢盘车，使活塞组和十字头滑块产生向下运动的趋势。盘车前连杆力的大小为下式，连杆力遥测单元此时的输出电压为u₃。需要指出的是，经过上次盘车后，活塞组-填料函-十字头滑块的初始静摩擦力可能已经改变，由F_fs1变为F_fs2。

F_cr3＝G_t+F_fs2＝k(u₃-u₀)

随着向下运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大值，活塞和十字头滑块开始了很小的向下滑动，滑动摩擦力向上。发生滑动后连杆力的大小为下式，连杆力遥测单元的输出电压为u₄。

F_cr4＝G_t-F_fm＝k(u₄-u₀)

c.根据u₂，u₄，可以确定活塞组-填料函-十字头滑块的滑动摩擦力

根据u₁，u₂，确定活塞组-填料函-十字头滑块初始静摩擦力F_fs1：

F_fs1＝F_fm-k(u₂-u₁)

则应变片安装位置在连杆力为零时的输出电压为下式：

u₀＝(ku₁-G_t-F_fs1)/k

经过上述步骤，连杆遥测单元已经可以正常工作。任意时刻，当遥测单元的输出电压是u时，连杆力可以表示为：

F_cr＝k(u-u₀)

这样便完成了在不拆卸连杆情况下，对连杆力遥测单元的标定工作。

该过程及各个单元之间的信号流动也被显示在图3中。

第一步，主控单元上电。这时主控单元会自动发送信号给无线通讯单元，无线通讯单元与连杆力遥测单元建立起无线连接。

第二步，上位机发送开始采集命令。该命令通过有线方式依次到达主控单元和无线通讯单元。此时缸压信号和转角信号已经到达主控单元等待。通过无线通讯单元的天线，开始采集命令送达连杆力遥测单元。连杆力遥测单元于是开始触发采集。等主控单元确认触发完成后，主控单元放行曲轴转角信号和缸压信号。这样一来，连杆力信号、曲轴转角信号和缸压信号同时到达上位机。

第三步，上位机实时接受三路数据，利用公式计算活塞组-填料函-十字头滑块的摩擦力，直到停止采集命令下达。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，包括连杆力遥测单元、无线通讯单元、曲轴转角测量单元、缸压测量单元、主控单元和上位机单元，所述连杆力遥测单元连接所述低速机的连杆，用于测量连杆力，所述曲轴转角测量单元用于测量所述低速机的曲轴转角，所述缸压测量单元用于测量所述低速机的气缸压力，所述连杆力遥测单元和曲轴转角测量单元均通过所述无线通讯单元连接主控单元，所述主控单元还连接所述缸压测量单元和上位机单元；

根据连杆力遥测单元输出电压确定连杆力，根据所述曲轴转角，计算低速机中活塞组，十字头组，部分连杆在竖直方向的惯性力，根据所述气缸压力，计算作用在活塞上的气体力；通过达朗贝尔原理，计算得到活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力；

所述活塞组-填料函-十字头滑块的实时摩擦力F_f的计算表达式为：

F_f＝F_fp+F_fs+F_fc＝F_crcosθ-(F_g+F_ip+F_ic+F_ir+G_ip+G_ic+G_ir)

式中，F_fp为活塞组摩擦力，F_fs为填料函摩擦力，F_fc为十字头滑块摩擦力，F_cr为粘贴连杆力遥测单元处的连杆力，θ为连杆夹角，F_g为作用在活塞上的气体力，F_ip为活塞组和活塞杆的惯性力，F_ic为十字头组的惯性力，F_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的惯性力，G_ip为活塞组和活塞杆的重力，G_ic为十字头组的重力，G_ir为连杆力遥测单元安装位置上方部分连杆的重力；

所述曲轴转角测量单元包括相互连接的光学角度编码器和独立电子模块，所述独立电子模块用于将光学信号转换成标准TTL信号进行输出；TTL信号用较短的线缆传送至位于舱门外的无线通讯单元，无线通讯单元中设置有对TTL信号进行差分的电路，差分后再用长距离线缆将信号传送至主控单元。

2.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述连杆力遥测单元包括依次连接的信号采集模块、模数转换模块和信号发射模块，所述信号发射模块无线连接所述无线通讯单元。

3.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述无线通讯单元集成有无线信号接收电路，所述无线通讯单元设置在低速机舱门外。

4.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述连杆力遥测单元包括依次连接的应变片、模拟电路、A/D转换电路、CPU、无线传输电路和为整个连杆力遥测单元供电的电池，所述应变片的数量为四个，组成惠斯通电桥，所述模拟电路用于对惠斯通电桥输出电压进行去噪和放大，并为惠斯通电桥提供桥压，所述CPU用于控制A/D转换电路完成实时模数转换，并通过无线传输电路将数据传输给所述无线通讯单元。

5.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述缸压测量单元采用压电式压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述曲轴转角测量单元包括相互连接的光学角度编码器和独立电子模块，所述独立电子模块用于将光学信号转换成标准TTL信号进行输出。

7.根据权利要求1所述的一种船用低速机摩擦力测量系统，其特征在于，所述连杆力遥测单元根据粘贴在连杆上的应变片的输出电压，以及预先的标定结果计算连杆力，所述连杆力遥测单元的预先标定过程包括以下步骤：

S1：船用低速机摩擦力测量系统布置完毕后，记录初始状态下连杆力遥测单元的输出电压u₁，利用盘车机对低速机缓慢盘车，使活塞组和十字头滑块产生向下运动的趋势；

S2：随着向下运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大值，活塞和十字头滑块开始产生很小的向下滑动；记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₂，结束盘车；

S3：活塞组和十字头滑块重新恢复静止状态一段时间后，记录此时连杆力遥测单元的输出电压u₃；利用盘车机再次对低速机缓慢盘车，使活塞和十字头滑块产生向上运动的趋势；

S4：随着向上运动趋势的加强，活塞组-填料函-十字头滑块的静摩擦力达到最大后，活塞和十字头滑块开始向上滑动；此时连杆力遥测单元的输出电压为u₄；

S5：根据u₂和u₄确定活塞和十字头滑块低速滑动时，活塞组-填料函-十字头滑块的滑动摩擦力

k是连杆力遥测单元输出电压与连杆力的线性转换系数；

S6：根据u₂和u₁确定系统布置完毕后，活塞组-填料函-十字头滑块的初始静摩擦力F_fs1＝F_fm-k(u₂-u₁)；

S7：根据F_fs1最终得到连杆不受力状态时的输出电压u₀＝u₁-(G_ip+G_ic+G_ir+F_fs1)/k；则在任意时刻，当连杆遥测单元的输出电压为u时，连杆力为F_cr＝k(u-u₀)，对连杆遥测模块的标定工作结束。

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