柴油机测试技术5.

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，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；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 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 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V1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 V1 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