柴油机测试技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 转速、扭矩、功率测量,转速、扭矩、功率,是柴油机运转工况的关键数据,是表征动力机械性能的重要技术参数.,船舶柴油机运行监测以及开发新型柴油机,需要对,转速、扭矩、功率,参数进行准确测量.,本章结合柴油机运行监测和实验室的使用条件,介绍:,一,、转速测量,二,、功率测量,三,、扭矩测量,第一节 功率测量,有效功率,P,e,是柴油机最重要的性能参数之一,有效功率的测定属于,间接测量,。如测出输出轴上的,扭矩,和,转速,则有效功率:,M,e,柴油机的输出扭矩，Nm,n柴油机输出轴的转速，rmin,测量输出轴扭矩设备,:,1、吸收功率型(测功器):,吸收柴油机发出的全部功率,如水力测功器、电力测功器,用于台架试验。,2、不吸收功率型(扭矩仪)：,利用输出轴扭转变形来测量扭矩,也称传递式测功器,如钢弦式扭矩仪、电阻应变式扭矩仪。,测功器,功能:,柴油机在台架试验中用测功器来测量输出扭矩,此时测功器作为负载,并通过测功器对测定工况进行调节.,结构:,测功器由,制动器、测力机构和测速装置,等部分组成.,制动器,调节柴油机的负载,并同时把所吸收的柴油机功率转化为热能或电能.,测力机构,和,测速装置,则分别测量柴油机输出扭矩及其相应的输出轴转速.现代测功器还有一套自动调节和控制系统.,类型:,测功器通常按,制动器工作原理,的不同来分类,水力测功器,和,电涡流测功器,是目前用得最多的两类测功器.,一、水力测功器,用水作为工作介质而产生制动,力矩以测量功率的装置.,1、结构和工作原理,主体,为,水力制动器,由,转盘,和,外壳,组成.,外壳,用滚动轴承支撑在支架上,可自由摆动;,转盘,被封闭在外壳内,其间充,以水.,工作原理:,利用在水中旋转的物体,是水产生涡流运动,形成摩擦阻力矩,将内燃机的输出功率转变为热量消耗掉,同时完成扭矩测量.,工作时,水由转盘带动而获得动,量矩并传递给外壳,.由柴油机驱,动转子的扭矩以一个相同量作用,到外壳上,固定在外壳上的力臂,把力矩转换为力而作用于测力机,构.,工作水,在在传递扭矩过程中因,摩擦变成热能,为了不使水温过,高,水要不停地流过制动器.,阻力矩的大小可通过调节进、,出水量来控制.,2、水力测功器的特性曲线,特性曲线表明了工作范围,5段线,:,线段A,为测功器在,最大负荷调节位置,(最大水层厚度)时的性能曲线.,线段B,为,最大制动扭矩限制线,(受转,动部件的强度限制). 提高转速来增加,吸收功率,此时需减少水层厚度.,线段C,为测功器,出水温度达到最大,允许值,的,功率限制线,即测功器所,能吸收的最大功率.,线段D,为,最高转速线,受转动部件,离心力负荷的限制.,线段E,为,空载线,测功器没有充水时,所能吸收的最小扭矩和功率特性,阻力矩,由转子与空气的阻力和轴承的摩擦而产生.,柴油机的外特性曲线位于测功器的工作范围内.,二、电涡流测功器,1、结构与工作原理,主要由,定子,、,转子、水冷却系统、力矩测量机构,组成,定子,装,励磁线圈,和,涡流环,；,转子,由带,齿,轮状凹凸形的,感应子,和,转轴,构成.,励磁线圈,通电,周围,产生磁场,感应子,齿顶,空气,间隙小,磁通密度,大,齿槽空气,间隙大,磁通密度,小,.,工作原理,：,利用电涡流的形成吸收内燃机的输出功率。,转子旋转时,穿过涡流环的,磁通密度产生增减变化,在,涡流环中产生感应电势而形成电涡流,力图阻止磁通变化,引起对感应子的制动作用,使,定子绕自身摆动轴承发生偏转并带动测力机构,.,制动力矩的大小可以通过改变励磁线圈的电流来调节.,测功器吸收的功率完全,转化为热能,要对涡流环和,励磁线圈周围通入水冷却.,2、测功器的特性曲线,功率特性曲线,和相应的,扭矩特性曲线,.,0-1,:激磁电流增到最大,吸收功率随转速的增长线,达到1点时,由于励磁线圈额定值的限制不再增长。,1-2,:受限于涡流环的发热.,2-3,:受限于转速.,第二节、扭矩仪,实际运行中的柴油机,扭矩仪,是主要的测,扭矩,设备。,工作原理：,弹性轴在扭矩作用下的,扭转变形量,用相邻两截面的,相对扭转角,来表示，,L两截面的距离；G剪切弹性模数；J,p,轴断面的惯性矩；M,e,轴的扭矩,对某一扭轴,其基长、几何形状、材料、尺寸确定后, 与M,e,呈线性关系:,通过测量输出轴、中间轴、特制的联轴节,在扭矩作用下的,扭转变形,由变形的大小来,确定扭矩值,。,测量输出轴扭转角的方法,:,钢弦式、电阻式、光电式、磁电式、电感式等。,1、钢弦式扭矩仪,原理:,利用钢弦振动频率的平方变化与钢弦两端受力成正比特点,通过测量钢弦振动频率变化来显示被测轴的扭矩.,两只卡盘固定在被测弹性扭轴上,每只盘上有一凸臂,钢弦两端分别安装在两个凸臂上,钢弦与扭转轴被相对固定。,在扭矩作用下轴发生弹性变形,两卡盘间产生相对角,位移,固定在凸臂,上的钢弦长度发生,变化,改变了钢弦,的固有频率.,弹性轴自由状态时测得钢弦固有频率为f0,受扭矩,作用时的频率为f,则,K是由弹性轴的刚度、钢弦的尺寸及扭矩仪特性等决定的仪表常数,。,2、,相位差,式扭矩仪,原理,：,利用,电磁感应原理,测量,定,长,扭力轴,两截面,上所产生的,扭转角,的,相位差,来,计算扭矩,.,被测轴相距L的两截面,装,相同的齿形转轮,及,径向上安,装,感应式脉冲信号发生器,.,转轮,旋转时,每个,齿顶,和,齿谷,引起信号发生器磁路的磁通变化,使信号发生器产生一个电磁感应脉冲信号.,轴未受扭矩作用时,两转轮相对扭转角为零,两信号发生器输出的,脉冲信号,相位相同,；,轴受扭矩作用时,轴两端截面间产生相对扭转角,两感应式信号发生器输出的,脉冲,信号间出现与扭转角成比例的相位差,测量电路测定出相位差可求得扭矩.,特点,:,扭矩仪工作可靠,抗干扰能力强,稳定性好,测量精度高,在试验中得到了广泛的应用.,安装要求:,由于扭矩仪是安装在柴油机与负载之间的仪器设备,起着传递扭矩的作用。,安装时,扭矩仪的轴心线要绝对保证同原动机轴心及负载轴心同轴.这就,要求对各轴间的同心度、平行度、轴端面的垂直度均有很高的要求,;,还要考虑振动对扭矩仪的影响,否则,扭矩仪的扭力轴会产生附加力矩,不仅会影响测量精度,还会造成轴的疲劳损伤.,因此,扭矩仪的安装应严格遵照说明书的要求并由熟练的技术人员进行.,第三节、,转速测量,基本概念,转速,:,单位时间内,转轴旋转的圈数,r/min,转速表(计).,转数,:,在,一定时间间隔内,被测轴旋转的总圈数.转数计.,平均转速:,指被测轴在某一时间间隔内转速的平均值。,平均转速的测量:,柴油机转速测量多是指测量在某一稳定工况下的平均转速。,转速表按与被测轴是否接触分为,:,接触式与非接触式,.,一、接触式转速表,大都结构简单，精度较差。,1.离心式转速表,利用重锤在旋转后产生离心力,克服弹簧的反作用力,推动指示机构,来工作.,结构简单,使用方便, 精度较差,相对误差,1,8%.,定期校验,(长时间使用,后弹簧刚度系数将发生,变化).,2.定时转速表,在一定时间间隔内通过累计转数来测量转速的.,手持式定时转速表完全采用钟表式传动结构,测量精度高,测量范围,0,10,000,转/分,但结构复杂,不能连续测量.,3、磁性转速表,利用圆盘在旋转磁场中由于感应出电涡流而产生的扭矩变化,以带动指针偏转来测量转速.,测量精度不高,但结构简单,对振动的敏感小,可测高、中、低转速,量程可根据需要选择.,二、非接触式转速表,大都结构复杂,但精度较高。,1、闪光测速仪,利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的.,测量时,在轴上做一个记号,用仪表的脉冲光源照亮该记号,当闪光频率调整到与被测轴转速相等时,得到被测轴静止不动的虚像,且始终在一个地方看到轴上这个记号.,闪光测速仪使用方便,直接读出转速,测速上限,20,000转/分以上,精度1%,能用来测量柴油机和增压器的转速.,2.电子数字转速表,转速测量仪表进入到现代化、电子化，接触式转速表受到冷落,闪光测速仪虽属非接触式转速表,也退居次要地位。,代之是电子与数字化的测速仪表,这类仪表大都体积小、重量轻、读数准确、使用方便、易实现电脑荧屏显示和连续打印输出,能连续反映转速变化,既能测平均转速,也能测瞬时转速,。,电子数字转速表主要由,测速传感器和电子计数器等组成,。,1)测速传感器,:,主要有,磁电式,和,光电式.,(1)磁电式测速传感器,组成:,齿轮、磁头,齿轮,由导磁材料做成,齿数为Z(一般60),安装在被测轴上;,磁头,由永久磁铁和线圈组成,安装在靠齿轮边缘的支架上;,齿轮和磁头间隙很小(1mm左右),齿轮转一圈,发出Z个电脉冲信号。,将,电子计数器的计数时间取,1S,时,计数器指示的数值等于平均转速,.,特点,:,结构简单,制作安装方便,发出电脉冲信号无需放大器,且脉冲信号不因转速过高而减弱,测速范围广;,但由于电磁感应产生的波形不规整、易产生干扰信号,(通过整形放大电路变换为标准方波,再送到计数电路).,传感器必须靠近被测轴,被测转速不能过低.,(,2)光,电式转速传感器,利用,光,电变换原理将被测轴的转速转换为电脉冲信号.,结构形式,：,透射式,和,反射式,。,透射式光,电转速传感器:,组成,:,带缺口,的旋转轮、投光器、受光器。,旋转轮,与被测轴连接,投光器、受光器,配置在旋转轮的两侧。,受光器,为,光,电变换元件,在投光器的光源所发射的光束照射下产生一个电脉冲信号,若,旋转轮上孔的数目为Z,每转一周,输出Z个电脉冲信号,.,若脉冲的频率为f,则转轴转速n为,反射式光,电转速传感器:,将,反光材料,粘贴于被测轴的测量部位上构成反射面,常用的,反光材料为专用测速反射纸带。,投光器,与,受光器,须适当配置;将,反射面,转到某一特定角度时,由投光器发射光束经反射面反射后恰好达到受光器,受光器为,光,电变换元件,在光束照射下产生一个电脉冲信号,由电子计数器记录电脉冲信号的数目便可指示出平均转速。,反射式光,电,转,速传感器与,被测轴之间无须连接,因此,使用方便。,2）电子计数器,计量,测速传感器产生的,电脉冲信号的数目,.,测量在,一定时间间隔,内来自于测速传感器的电脉冲信号数目,再除以时间间隔,便可得到被测轴在该时间间隔内的,平均转速,。,数字转速表的电子计数器通常由,5位数字,构成,最高测量转速,99999rpm,。,瞬时转速的测量:,是柴油机运行状态的综合体现,是气体力矩、摩擦力矩、惯性力矩、负荷力矩共同作用的结果。,为减小瞬时转速波动,安装一定惯量的飞轮,利用飞轮加速时储存能量和减速时释放作用来减小转速波动。,柴油机诊断在许多方面与瞬时转速相关,如无外载测功、评价起动及工作稳定性、判定多缸工作不均匀性、确定气缸压力等。,一、转速-电压转换型瞬时转速测量仪 组成:,转速-电压转换器,(电磁式传感器、脉冲整形电路、鉴频器)、,直流放大器、电压表、记录器,。,电磁式传感器,将被测轴的转速n变换为电脉冲信号,其频率为,(,z,为齿数),;,经,脉冲整形电路,后,成为输出电压幅值恒定的方波,频率为f;,经,鉴频器,后输出电压与被测轴转速(频率f)成正比,电压表,以转速单位(转/分)刻度,可直接读取平均转速n。,稳定工况下被测轴的平均转速为n时鉴频器输出电压为V,由平衡电路输出的平衡电压V,1,恰好平衡V,直流放大器的输入为零.,脉冲整形,鉴频器,直流放大器,记录器,电压表,旋转圆盘,V,1,平衡电压,电磁式,传感器,当被测轴的转速波动由n变化到,n,时,鉴频器输出电压为V,这时直流放大器的输入为(V-V),经,直流放大,器放大后送入,记录器,记录转速波动曲线。,柴油机突加负荷时的,转速波动曲线,