CN105510027B - 一种柴油机调速器波动负载模拟测试台设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机调速器波动负载模拟测试台设计方法，包括如下步骤：a、分析拨叉端负载并得到负载扭矩的组成；b、建立调速器输出端到柱塞端由于连杆机构摆动产生的调速器输出端扭矩To与拨叉端负载扭矩Tt的关系；c、根据一般柴油机的喷油规律得到n缸机在喷射过程中凸轮转角范围为θ时的压力以及调速器负载扭矩分别与θ的关系；d、根据以上步骤的规律设计测试台的组件，用于模拟拨叉端负载。设计方法根据柴油机燃油供给与调节系统的原理得到工作过程中拨叉扭矩的变化规律，并换算出调速器输出端扭矩的变化规律，指导设计了柴油机调速器波动负载模拟测试台，从而为大功率柴油机调速器的选配提供了试验测试依据。

Description

一种柴油机调速器波动负载模拟测试台设计方法
技术领域
本发明属于柴油机领域，涉及一种用于柴油机中调速器波动负载模拟测试台设计方法。
背景技术
在柴油机，尤其是大功率柴油机的机械式燃料供给与调节系统中，调速器是必不可少的组件。调速器通过调节柱塞螺旋槽转角，进而实现柴油机油量的供给与调节功能。目前的调速器主要包括机械调速器，液压调速器、电液调速器和电子调速器。其中新型的电液调速器与电子调速器采用了内部位置闭环与速度外环相结合的控制方法，实现了对柴油机更加灵敏、精确的转速控制。这两类调速器的选配一方面依赖于经验，另一方面往往需要配机试运行以确定控制参数范围进而确定控制参数，即把调速器直接安装在选配的柴油机上测试。这样的选配方式使得选配风险提高，时间和资金成本增加，效率降低。
发明内容
有鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种不依赖于配机运行的模拟测试台，以获得调速器的控制参数范围进而确定控制参数，以此降低选配风险和时间、资金成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种柴油机调速器波动负载模拟测试台设计方法，具体地，本发明提供的技术方案如下：
一种柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，所针对的柴油机调速器波动负载为拨叉式油量调节机构的拨叉端负载，其特征在于包括如下步骤：
a、分析拨叉端负载并得到负载扭矩的组成；
b、建立调速器输出端到柱塞端由于连杆机构摆动产生的调速器输出端扭矩To 与拨叉端负载扭矩Tt 的关系；
c、根据一般柴油机的喷油规律得到n缸机在喷射过程中凸轮转角范围为θ时的压力以及调速器负载扭矩分别与θ的关系；
d、根据以上步骤的规律设计测试台的组件，用于模拟拨叉端负载。
进一步地，步骤a中负载扭矩的组成为：
Tt ≈Td＝Tf+Ti
其中Tt表示拨叉端负载扭矩；Td表示柴油机工作时的铸锻动态扭矩，由液压力造成的摩擦力矩Tf以及运动时的惯性力矩Ti组成。
进一步地，步骤b中调速器输出端扭矩To与拨叉端负载扭矩Tt的关系为：
To＝K·Tt
其中K表示连杆机构折算系数。
进一步地，步骤a中摩擦力矩Tf 为：
其中d为柱塞直径，ΔP为柱塞上下端压差，S为柱塞截面积，μ为柱塞与齿条间的动摩擦系数。
进一步地，步骤a中惯性力矩Ti为：
其中J为柱塞的转动惯量，ω为齿条带动柱塞旋转的角速度。
进一步地，在步骤d中，用磁粉制动器模拟拨叉端负载，用扭矩传感器监测待测调速器与磁粉制动器之间的动态扭矩，用角度传感器监测齿条的转角。
进一步地，在步骤d中，测试台的组件包括支撑台架、扭矩传感器、磁粉制动器、角度传感器、信号发生器、示波器、电感和数据处理装置，信号发生器、电感与磁粉制动器电连接，磁粉制动器的两端分别与扭矩传感器和角度传感器用联轴器连接，并固定在支撑台架上，扭矩传感器的另一端通过联轴器连接待测调速器，示波器与扭矩传感器连接，用于显示扭矩传感器得到的动态扭矩，数据处理装置分别与角度传感器和待测调速器连接。
进一步地，步骤d中，测试台的组件还包括用联轴器连接在扭矩传感器和磁粉制动器之间的模拟惯量件，用于模拟连杆结构的惯量。
进一步地，步骤d中，信号发生器是由控制器和放大器组成，用于产生周期方波信号，并通过控制器来控制磁粉制动器中的电流大小，进而控制磁粉制动器产生的负载扭矩。
进一步地，步骤d中，信号发生器是PLC。
本发明根据机械式燃料供给与调节系统的工作特点给出了调速器波动负载模拟测试台设计方法。该方法根据柴油机燃油供给与调节系统的原理得到工作过程中拨叉扭矩的变化规律，并换算出调速器输出端扭矩的变化规律。通过试验台模拟该扭矩的变化从而实现对扭矩负载特性的测试，从而为大功率柴油机调速器的选配提供了试验测试依据，使得调速器的选配不依赖于配机运行，缩小了控制参数的选择范围，降低选配风险、成本并提高效率，并且对机械调速器，液压调速器、电液调速器和电子调速器都可适用。
以下将结合附图对本发明的方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1所示为柱塞泵调节机构的主要结构形式；
图2所示为柱塞泵的工作过程；
图3所示为多缸机的拨叉式油量调节机构；
图4所示为n·θ＜360°时柱塞泵压力示意图；
图5所示为n·θ＞360°时柱塞泵压力示意图；
图6所示为n·θ＜360°时调速器负载扭矩示意图；
图7所示为n·θ＞360°时调速器负载扭矩示意图；
图8所示为本发明的实施例的模拟测试台结构示意图；
图9所示为本发明的实施例的测试台的模拟负载示意图。
具体实施方式
在机械式燃料供给与调节系统中，以柱塞泵为例，图1所示为柱塞泵调节机构的主要结构形式，主要包括齿条1、柱塞套2、可调齿圈3、紧固螺钉4、柱塞5、套筒6，其中柱塞依靠凸轮来驱动，并根据凸轮形线来调节喷油正时。图2所示为柱塞泵的工作过程，可以看到柱塞5侧壁开有斜槽，油量调节时通过齿条1带动柱塞5转动至某一角度，可以控制一个喷射周期内的喷射持续期。当柱塞向下运动在下止点，即柱塞上端面在进油口下端平齐点下时吸油；当柱塞向上运动至上止点，即斜槽左边最低点与进油口上端平齐点以下过程中喷油；当柱塞在上止点以上部分过程中回油。多缸机的拨叉式油量调节机构如图3所示，主要包括供油拉杆7、拨叉8、调节臂9、调速器10。其中供油拉杆7、拨叉8和调节臂9组成连杆机构，调速器10的输出扭矩通过对连杆机构作用，最终由调节臂9通过齿条调节柱塞5 的旋转角度，以此控制实现柴油机油量的供给与调节。即若要实现不依赖配机运行的调速器负载测试，那么我们需要模拟调速器输出端的负载扭矩变化，以此来获得调速器的控制参数范围。
本发明的柴油机调速器波动负载模拟测试台设计方法是根据柴油机燃油供给与调节系统的原理得到工作过程中拨叉扭矩的变化规律，并换算出调速器输出端扭矩的变化规律。通过试验台模拟该扭矩的变化从而实现对扭矩负载特性的测试，具体步骤如下：
根据大功率柴油机燃油供给与调节系统的原理分析，调速器输出端的主要负载包括：
Tt＝TS+Td≈Td＝Tf+Ti (1)
其中Tt表示拨叉端的负载扭矩；TS表示柱塞静态扭矩，该扭矩一般很小可以忽略；Td表示柴油机工作时的铸锻动态扭矩，由液压力造成的摩擦力矩Tf以及运动时的惯性力矩Ti组成，进一步可以表述为：
其中d为柱塞直径，ΔP为柱塞上下端压差，S为柱塞截面积，μ为柱塞与齿条间的动摩擦系数，J为柱塞的转动惯量，ω为齿条带动柱塞旋转的角速度，在此基础上可以建立调速器输出端到柱塞端由于连杆机构摆动产生的调速器输出端扭矩To与拨叉端负载扭矩的关系：
To＝K·Tt (3)
其中K表示连杆机构折算系数。
根据一般柴油机的喷油规律可以得到n缸机在喷射过程中凸轮转角范围为θ时的压力示意图如图4和5所示，从图中可以看出，n·θ＜360°时如图4所示，当n·θ＞360°时如图5所示，对应得到图6和7中的调速器负载扭矩图像。
根据以上规律，设计调速器波动负载模拟测试台见图8，测试台结构主要包括：支撑台架、扭矩传感器、磁粉制动器、角度传感器、信号发生器。其中信号发生器与磁粉制动器电连接。磁粉制动器的两端分别与扭矩传感器和角度传感器用联轴器连接，并固定在支撑台架上。扭矩传感器的另一端通过联轴器连接待测调速器。磁粉制动器具有自带的制动器控制器，用于将一般的电源电压转换为磁粉制动器的输入电压。本实施例中信号发生器是由产生信号的控制器和放大器组成，在其他实施例中，信号发生器还可以用PLC产生信号。本实施例的测试台还可以包括示波器、电感、模拟惯量件和数据处理装置，具体的，该数据处理装置可以是电脑。示波器与扭矩传感器连接，用于显示扭矩传感器得到的动态扭矩。电感连接在信号发生器与磁粉制动器之间。模拟惯量件用联轴器连接在扭矩传感器和磁粉制动器之间，用于模拟连杆结构的惯量，模拟惯量件可以是飞轮或圆盘等。数据处理装置分别与角度传感器和待测调速器连接，用以读取角度传感器得到的转角的位置以及调速器的控制参数。
本实施例的测试台提供模拟负载的方式为，由信号发生器产生周期方波信号，并通过控制器来控制磁粉制动器中的电流大小，进而控制磁粉制动器产生的负载扭矩，设磁粉制动器磁场建立时间为Δt1，磁场消除时间为Δt2，同时在控制器与磁粉制动器之间可以选择添加合适的电感来改变上述两个时间量，则模拟负载如图9所示。图9的情况可以通过改变电感量来调整Δt1，通过控制器输出的信号调整Δt2。在建立模拟负载的条件下，对调速器的测试可以通过扭矩传感器来监测动态扭矩，并通过角度传感器来监测齿条转角的位置，利用飞轮来模拟连杆机构的惯量值，从而实现对调速器的控制参数的标定。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，所针对的所述柴油机调速器波动负载为拨叉式油量调节机构的拨叉端负载，其特征在于包括如下步骤：
a、分析拨叉端负载并得到负载扭矩的组成；
b、建立调速器输出端到柱塞端由于连杆机构摆动产生的调速器输出端扭矩To与拨叉端负载扭矩Tt的关系；
c、根据一般柴油机的喷油规律得到n缸机在喷射过程中凸轮转角范围为θ时的压力以及调速器负载扭矩分别与θ的关系；
d、根据以上步骤的规律设计测试台的组件，用于模拟拨叉端负载。
2.如权利要求1所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤a中所述负载扭矩的组成为：
Tt≈Td＝Tf+Ti
其中Tt表示拨叉端负载扭矩；Td表示柴油机工作时的铸锻动态扭矩，由液压力造成的摩擦力矩Tf以及运动时的惯性力矩Ti组成。
3.如权利要求2所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤b中所述调速器输出端扭矩To与拨叉端负载扭矩Tt的关系为：
To＝K·Tt
其中K表示连杆机构折算系数。
4.如权利要求2所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤a中所述摩擦力矩Tf为：
其中d为柱塞直径，ΔP为柱塞上下端压差，S为柱塞截面积，μ为柱塞与齿条间的动摩擦系数。
5.如权利要求2所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤a中所述惯性力矩Ti为：
其中J为柱塞的转动惯量，ω为齿条带动柱塞旋转的角速度。
6.如权利要求1所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，在步骤d中，用磁粉制动器模拟拨叉端负载，用扭矩传感器监测待测调速器与磁粉制动器之间的动态扭矩，用角度传感器监测齿条的转角。
7.如权利要求6所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，在步骤d中，所述测试台的组件包括支撑台架、扭矩传感器、磁粉制动器、角度传感器、信号发生器、示波器、电感和数据处理装置，信号发生器、电感与磁粉制动器电连接，磁粉制动器的两端分别与扭矩传感器和角度传感器用联轴器连接，并固定在支撑台架上，扭矩传感器的另一端通过联轴器连接待测调速器，示波器与扭矩传感器连接，用于显示扭矩传感器得到的动态扭矩，数据处理装置分别与角度传感器和待测调速器连接。
8.如权利要求7所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤d中，所述测试台的组件还包括用联轴器连接在扭矩传感器和磁粉制动器之间的模拟惯量件，用于模拟连杆结构的惯量。
9.如权利要求7所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤d中，所述信号发生器是由控制器和放大器组成，用于产生周期方波信号，并通过所述控制器来控制所述磁粉制动器中的电流大小，进而控制所述磁粉制动器产生的负载扭矩。
10.如权利要求7所述的柴油机调速器波动负载模拟测试台的设计方法，其特征在于，步骤d中，所述信号发生器是PLC。
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