[发明专利]一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法

权利要求书

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。