WHM6160MC756-5柴油机轴功率测试及节能优化

姜 彭，张 超，王攀峰

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000)

0 引言

越南近岸地区渔业资源丰富，渔船市场潜力巨大，吸引了各大主机厂商前来竞争。不少品牌二手船机性价比高，在当地市场已占有相当大的份额，但也存在着可靠性差、油耗高、功率虚标等问题。此外，油价的攀升促使船东越来越倾向于选择物美价廉的中国品牌主机来装船，因而潍柴WHM6160MC756-5机型市场占有率近年来不断攀升。本文通过对越南义安省匹配该机型的23 m拖网渔船进行轴功率及扭矩数据采集，分析该船机桨匹配情况，结合主机万有特性提出了节油新思路，为WHM6160MC756-5机型更好地适应并占领义安市场提供了理论指导。

1 测试船信息

23 m拖网渔船为越南义安省拖网渔船，建造材质为木质，作业区域为近海，船龄2个月。其主要参数如下：总长23.2 m，型宽5.5 m，型深2.3 m，设计吃水1.64 m，设计航速7 kn。该船匹配1台WHM6160MC756-5(功率556 kW，转速1 500 r/min)柴油机，齿轮箱为前进J450，速比9，螺旋桨为直径2.8 m的4叶铜合金桨。

2 测试设备概况

2.1 扭矩测试系统

本文采用的是DH5905扭矩测试设备，能够无线传输采集数据，特别适合采集旋转件的应力应变[1]。本设备包括D-Link路由器、应变片、无线扭矩采集模块、电烙铁套装、电源模块、光电转速传感器、转速测量模块等部件，其中：无线扭矩采集模块将应变量采集后通过无线传输至路由器，其所测量的值会在电脑上实时显示和存储。该采集设备组成情况见图1。

图1 DH5905扭矩采集设备

2.2 设备的安装及调试

测试设备安装在该船的艉轴上。首先选出艉轴某端面，处理完油污和锈迹后，依次用粗砂纸与细砂纸呈45°交叉纹进行打磨，并用酒精擦拭打磨好的面。需要注意的是，打磨面尽量光滑，表面不许有坑洼；然后沿与轴线平行的方向粘贴应变片并用电烙铁将应变片引线通过半桥接线方式与无线扭矩采集模块进行焊接；最后安装光电转速传感器。为了防止轴表面光反射对测量产生影响，需在贴反光条轴面位置处用黑色电工胶带缠绕包裹。此外，为了电源模块、扭矩采集模块的固定和防水，需要将其用胶带捆绑和覆盖。安装好的采集设备见图2。

2.3 测试参数设置

模拟通道采样频率设为20 Hz，测试类型设为应变压力，桥路方式设为方式4，桥压设为3 V。转速模块每转脉冲数设置为1，即艉轴每旋转1周，触发光电传感器记录1次，从而可以测量出当前轴转速[2]。然后点击平衡清零进行校准。输入轴直径0.123 5 m、弹性模量206 GPa、泊松比0.28，由此可以把采集的应变值转换成相应的轴扭矩值[3]。

3 工况数据采集

3.1 运行工况记录

本次实船扭矩采集总时长为864 min，共进行2次拖网作业，拖网时长为569 min，具体采集记录明细如下：

前往渔区

17:14-18:28

放网

18:55-19:07

拖网

19:08-23:07

收放网

23:10-23:45

拖网

23:49-5:18

收网

5:31-6:27

返航

6:28-8:16

由于该设备每秒采集20个数据点，本文应用求取平均值的方法来计算每分钟时刻下的主机转速和扭矩，进而计算出功率并进行分析。

前往渔区：此工况占总时间的9%。主机常用转速为995 r/min，平均输出功率为157 kW，平均航速为7 kn。

放网工况：此工况占总时间的3%。为了保持航速和网具的投放速度相统一，脱合排频繁，主机突加扭矩最大为968.6 N·m。

拖网工况：此工况占总时间的66%。柴油机工作稳定，转速为900～1 000 r/min，扭矩为1 000～1 400 N·m，此时航速约为4 kn。

收网工况：此工况占总时间的10%，此工况柴油机处于怠速状态。

返航工况：此工况占总时间的12%。主机转速在936.9 r/min左右，扭矩为1 400～1 430 N·m，平均输出功率为140 kW，平均航速为7 kn。

3.2 机桨匹配情况分析

根据采集的测试数据，前往渔区、返航和拖网工况主机转速为900～1 000 r/min；在放网和收网工况下，主机常怠速或正倒车切换，主机的平均转速约为550 r/min。此外，各工况功率分布点均在主机外特性线以下，故主机不会超负荷且工作环境良好；功率点均匀分布在主机推进特性线两侧，故所配桨较为合理。具体工况点的分布情况见图3。

4 柴油机节能优化

4.1 采集数据的统计

将采集的工况数据进行整理，各转速(r/min)-扭矩(N·m)段所占比例见表1。

收放网工况主机平均转速为550 r/min，返航、拖网和部分前往渔区工况的主机平均转速为950 r/min，前往渔区工况的主机平均转速为1 050 r/min。其中，气泡面积越大说明主机在此工况工作的时间越长。

4.2 节能优化方法

经加权平均，可以计算得出返航、拖网和前往渔区工况的平均油耗率约为200.03 g/kWh。由于这几个工况占渔船作业时间的63.6%，故可以作为重点分析对象，改善此工况段的油耗率可以产生明显的节油效果，即如果能调整WHM6160MC756-5柴油机的输出特性，让此工况段沿着等功率线向左上方移动，就会降低燃油消耗率。具体工况点与主机万有特性曲线见图4。

经计算，当等效工况点沿等功率曲线移动到平均转速为800 r/min时，对应的加权平均油耗率为194.2 g/kWh。由于渔船返航、拖网和前往渔区工况的平均主机功率为145 kW，每航次运行总时间为715 min，且每吨燃油为1 190 L，故可以计算出每个航次大约节油11.93 L。

表1 转速-扭矩段占比统计表 单位：%

5 结论

通过对采集的数据进行平均化处理，并结合主机万有特性曲线，本文提出了在功率不变的情况下通过改变主机输出转速来降低燃油消耗率的方法。经估算，每个打鱼周期(每天)可节油约11.93 L。

此外，由于本文采用求取平均值的方法来统计每分钟采集的主机转速和扭矩以及应用加权平均法来估算等效工况点的燃油消耗率，不能完全反映主机的真实工作状态，因而分析结果会有些许偏差。若按此节油方法新开发的机型投放该市场后，可以继续通过实船轴功率、扭矩采集来分析不同渔船的工作情况以及提出适应不同船型的节油方案。

图4 主机万有特性曲线和主要工况气泡关系图