柴油机测试技术.ppt

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1、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Pe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:Me柴油机的输出扭矩，Nmn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)

2、：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

3、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

4、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

5、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

6、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；Jp轴断面的惯性矩；Me轴的扭矩 对某一扭轴,其基长、几何形状、材料、尺寸确定后,与Me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

7、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

8、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

9、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18%.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

10、精度高,测量范围010000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20000转/分以上,精度1%,能用来测量柴油机和增压

11、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

12、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

13、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

14、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V1恰好平衡V,直流放大器的输入为零.,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,