CN208818498U - 一种采集机车工作负载谱的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采集机车工作负载谱的测试系统，其中气缸压力传感器的感应端伸入机车发动机气缸内；氧传感器安在机车发动机排气管处，其信号输出线与空燃比分析仪连；发动机曲轴转速传感器设在机车发动机曲轴附近，其信号输出线与电子角标仪连；进气瞬态压力传感器安在机车发动机进气歧管处；GPS车速传感器设在机车上；拉力传感器设在机车三个拉杆上；转速扭矩传感器一端与机车PTO的扭矩输出轴连，另一端与农具扭矩输入轴连；气缸压力传感器、进气瞬态压力传感器、GPS车速传感器、转速扭矩传感器、电子角标仪和空燃比分析仪的信号输出线与信号采集系统连。通过本实用新型能测量机车作业状态下的工作负载参数。

Description

一种采集机车工作负载谱的测试系统

技术领域

本实用新型涉及机车工作参数测试技术领域，尤其涉及一种采集机车工作负载谱的测试系统。

背景技术

拖拉机在作业时，由于田间土壤、地形的变化，作物生长情况的不同、田间湿度的变化，以及杂草密度等因素的影响，其工作负荷变化速度快、波动幅度大，这为研发阶段的机车匹配带来了很大的挑战：发动机的最大扭矩以及扭矩储备如果太小，则会出现“小马拉大车”的情况，发动机容易熄火；而如果发动机的扭矩以及扭矩储备过大，则会出现“大马拉小车”的状况，导致发动机工作在中小负荷区，不仅对发动机的燃油经济性不利，还会造成发动机“资源”过剩的浪费。所以准确采集农用机械的工作负载，对确定拖拉机发动机的性能开发目标具有重要意义。此外，拖拉机消耗功率分为行驶消耗功率和农具作业消耗功率，准确确定分配比例及实时变化，对拖拉机的发动机-农具匹配指导至关重要。

然而由于拖拉机作业时，其工作负荷变化速度快、波动幅度大，难以确定拖拉机实时工作状态的现象。因此迫切需要相关技术能够采集拖拉机工作负载谱。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种采集机车工作负载谱的测试系统，其能够在机车搭载不同农具情况下，实时准确获取该机车在不同作业状态下的压力信号、曲轴转角信号、机车车速、发动机转速、发动机实时空燃比、机车动力输出装置(PTO，POWER-TAKE-OFF) 输出转速及输出扭矩等工作负载参数。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

本实用新型提供一种采集机车工作负载谱的测试系统，所述机车牵引农具行走并通过动力输出装置PTO驱动所述农具工作，所述测试系统包括：

气缸压力传感器、氧传感器、空燃比分析仪、发动机曲轴转速传感器、电子角标仪、进气瞬态压力传感器、GPS车速传感器、信号采集系统、拉力传感器、扭矩转速传感器和电脑；

气缸压力传感器安装在机车的发动机的气缸预热塞位置，其感应端伸入发动机气缸内测量发动机缸内压力变化，信号输出线连接至信号采集系统；

氧传感器安装在机车的发动机排气管处测量发动机实时空燃比，其信号输出线与空燃比分析仪相连；所述空燃比分析仪的信号输出线与信号采集系统相连；

发动机曲轴转速传感器设置在机车的发动机曲轴附近；其信号输出线与电子角标仪相连；电子角标仪的信号输出线连至信号采集系统；

进气瞬态压力传感器安装在机车的发动机进气歧管位置处测量发动机进气歧管瞬时压力；其信号输出线连接至信号采集系统；

GPS车速传感器固定在机车上测量机车整车的实时车速，其信号输出线与信号采集系统相连；

机车下拉杆Ⅰ、机车上拉杆和机车下拉杆Ⅱ分别设置有拉力传感器；所述拉力传感器的信号输出线分别连接到信号采集系统；

扭矩转速传感器的一端与机车PTO的扭矩输出轴连接，另一端与农具扭矩输入轴连接，其信号输出线与信号采集系统相连。

更优选地，所述测试系统还包括：

装有载荷谱生成装置的电脑；

所述信号采集系统与所述电脑相连；所述电脑通过载荷谱生成装置生成机车的工作负载谱，并通过显示器将信号采集系统收集到的采集信号以及所述机车的工作负载谱呈现出来。

更优选地，所述信号采集系统安装至机车上或者测试现场内。

更优选地，所述信号采集系统具有无线信号收发器，通过wifi与所述电脑通信；

或者，

所述信号采集系统通过线路与电脑相连。

更优选地，所述气缸压力传感器与信号采集系统之间连接有电荷放大器。

更优选地，所述进气瞬态压力传感器与信号采集系统之间连接有电荷放大器。

由上述本实用新型的技术方案可以看出，本实用新型具有如下技术效果：

1、通过本实用新型能测量机车作业状态下的工作负载参数，为计算发动机实时输出功率、扭矩等提供输入；

2、通过本实用新型测量得到的机车作业状态下的工作负载参数，能实时获取功率分配比例，量化各项功率损失；其中农具实时消耗功率又可具体细分为牵引农具移动实时消耗的功率与通过PTO驱动农具工作消耗的功率，进而可以计算得出机车作业状态下的工作载荷谱。

3、通过本实用新型得到的机车工作负载谱能为相应的发动机提供性能开发目标；

4、详细且量化的功率分配能为机车的发动机-农具匹配提供指导，能为机车整车性能优化提供方向。

附图说明

图1为本实用新型的一种采集机车工作负载谱的测试系统与机车连接的结构示意图。

附图中：

气缸压力传感器1、第一电荷放大器2、第二电荷放大器3、氧传感器 4、空燃比分析仪5、发动机曲轴转速传感器6、电子角标仪7、进气瞬态压力传感器8、GPS车速传感器9、信号采集系统10、拉力传感器Ⅰ11、拉力传感器Ⅱ12、拉力传感器Ⅲ13、扭矩转速传感器14、电脑15、发动机16、机车17、发动机排气管18、发动机进气歧管19、机车下拉杆Ⅰ20、机车上拉杆21、机车下拉杆Ⅱ22、机车PTO扭矩输出轴23、农具扭矩输入轴24、农具25。

具体实施方式

以下将结合图1至图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

实施例一

本实用新型提供一种采集机车工作负载谱的测试系统，如图1所示，该机车17牵引农具25行走，并通过PTO驱动农具25工作；该机车17包括发动机16、发动机排气管18、发动机进气歧管19、机车下拉杆Ⅰ20、机车上拉杆21、机车下拉杆Ⅱ22、机车PTO扭矩输出轴23；该农具25包括：农具扭矩输入轴24。本实用新型的测试系统与机车以及农具之间的连接关系依然如图1所示，该测试系统包括：

气缸压力传感器1、第一电荷放大器2、第二电荷放大器3、氧传感器 4、空燃比分析仪5、发动机曲轴转速传感器6、电子角标仪7、进气瞬态压力传感器8、GPS车速传感器9、信号采集系统10、拉力传感器Ⅰ11、拉力传感器Ⅱ12、拉力传感器Ⅲ13和扭矩转速传感器14。

气缸压力传感器1安装在机车的发动机16某一气缸预热塞位置，气缸压力传感器1的感应端通向发动机气缸内，测量发动机缸内压力变化，从气缸压力传感器1引出的信号输出线连接至第一电荷放大器2。第一电荷放大器2置于机车驾驶室，并连接至信号采集系统10。

氧传感器4安装在发动机排气管18处，用于测量发动机实时空燃比，氧传感器4的信号输出线与第一空燃比分析仪5相连，空燃比分析仪5的信号输出线与信号采集系统10相连。

发动机曲轴转速传感器6设置在机车的发动机曲轴附近。电子角标仪7 的信号输入线与发动机曲轴转速传感器6信号线相连，读取机车的发动机曲轴转速，并输出曲轴转角信号，电子角标仪7的信号输出线连至信号采集系统10。

所述进气瞬态压力传感器8安装在机车的发动机进气歧管19位置处，用于测量发动机进气歧管瞬时压力；进气瞬态压力传感器8的信号输出线连接至第二电荷放大器3，所述第二电荷放大器3的信号输出线连接至信号采集系统10。

GPS车速传感器9固定在机车上，用于测量机车整车的实时车速，GPS 车速传感器9的信号输出线与信号采集系统10相连。

拉力传感器Ⅰ11、拉力传感器Ⅱ12、拉力传感器Ⅲ13分别安装在机车 17的机车下拉杆Ⅰ20、机车上拉杆21和机车下拉杆Ⅱ22上，用于测量机车牵引农具25移动的实时拉力，它们的信号输出线分别连接到信号采集系统10。

扭矩转速传感器14的一端通过过渡法兰与机车PTO的扭矩输出轴23 连接，另一端通过花键轴与农具扭矩输入轴24连接，用于实时测量机车PTO 的输出扭矩和输出转速；扭矩转速传感器14的信号输出线与信号采集系统 10相连。

信号采集系统10置于机车17上，如机车的驾驶室中；或者信号采集系统10置于测试现场内任意避风雨的环境中，如测试现场的电气柜中。

为了进一步依据信号采集系统10采集到的信息计算机车作业状态下的相关功率参数，本实用新型还包括电脑15。该电脑15中内置有载荷谱生成装置。该载荷谱生成装置可以采用现有的载荷谱分析软件实现。

上述的信号采集系统10具有无线信号收发器，该无线信号收发器通过 wifi可以与所述电脑15建立通信通道并通过该通信通道传输信号采集系统 10采集到的机车作业时的负载参数。上述的信号采集系统10也通过线路与电脑15直接相连。

电脑15可以布置在远端的操控室中，也可以布置在测试现场。电脑15 根据信号采集系统10采集到的信息，通过内置的载荷谱生成装置生成机车的工作负载谱，并通过显示器将信号采集系统10收集到的采集信号以及所述机车的工作负载谱呈现出来。

按照上述连接好各个零部件后，将机车置于测试现场。在机车处于正常作业状态时，通过本实用新型的测试系统布置的各个传感器采集相应的压力信号、曲轴转角信号、机车车速、发动机转速、发动机实时空燃比、机车PTO输出转速及输出扭矩等信号。然后根据这些信号中的有效信息进行如下计算：

一、根据采集到的发动机实时气缸压力信号和曲轴转角信号，根据缸内示功图积分计算出每工作循环周期的发动机指示功率P_i，如公式(1)所示：

其中，P_i为发动机指示功率，其单位为kW；p为发动机气缸压力，其单位为MPa；V为发动机气缸容积，其单位为L；d为发动机缸径，其单位为m；r为发动机曲柄半径，其单位为m；l为发动机连杆长度其单位为m；为发动机曲轴转角；V_c为发动机气缸余隙容积，其单位为L。

二、根据每工作循环周期的发动机指示功率P_i与该转速下发动机摩擦损失功率P_m之差，计算并得到发动机在该工作循环所输出的输出功率P_e。具体计算公式如下：

P_e＝P_i-P_m (2)

其中，P_e为发动机输出功率，其单位为kW；P_i为发动机指示功率，其单位为kW；P_m发动机摩擦损失功率，其单位为kW，由实验室对发动机进行倒拖试验测得。

三、基于发动机输出功率P_e、发动机转速n、发动机输出扭矩T三者换算关系，计算并得出发动机实时输出扭矩T，具体计算公式如下：

P_e＝Tn/9550 (3)

其中，P_e为发动机输出功率，其单位为kW；T为发动机实时输出扭矩，其单位为Nm；n为发动机转速，其单位为r/min。

四、根据测试系统各拉力传感器实时采集到的输出拉力值F₁、F₂、F₃，以及各拉力传感器所示拉力方向与机车水平前进方向的夹角θ₁、θ₂、θ₃，求得各拉力在水平前进方向的分力，对各水平前进方向的分力求和，得到机车牵引农具移动的实时拉力F_pull，具体如式(4)所示：

F_pull＝F₁ cosθ₁+F₂ cosθ₂+F₃ cosθ₃ (4)

其中，F_pull为机车牵引农具移动的拉力，其单位为kN；F₁、F₂、F₃分别为各个拉力传感器测量的拉力，其单位为kN；θ₁、θ₂、θ₃分别为各拉力传感器所示拉力方向与机车水平前进方向的夹角。

五、根据式(4)计算得到的F_pull，结合机车车速v，计算得到机车牵引农具移动消耗的功率P_pull。具体如式(5)所示：

P_pull＝F_pullv (5)

P_pull为机车牵引农具移动所消耗的功率，其单位为kW；F_pull为机车牵引农具移动的拉力，其单位为kN；v为机车车速，其单位为m/s。

六、根据测试系统实时采集到的机车PTO输出转速n_PTO以及输出扭矩 T_PTO，计算得到机车通过PTO驱动农具工作所消耗的功率P_PTO。具体计算如式(6)：

P_PTO＝T_PTOn_PTO/9550 (6)

P_PTO为机车PTO驱动农具工作所消耗的功率，其单位为kW；T_PTO为机车PTO输出扭矩，其单位为Nm；n_PTO为机车PTO输出转速，其单位为r/min。

七、根据机车牵引农具移动所消耗的功率P_pull与机车PTO驱动农具工作所消耗的功率P_PTO之和，计算并得到农具消耗功率P_tool，具体如式(7)所示：

P_tool＝P_pull+P_PTO (7)

其中，P_tool为农具消耗功率，其单位为kW；P_pull为牵引农具移动所消耗的功率，其单位为kW；P_PTO为机车PTO驱动农具工作所消耗的功率。由公式(7)可见，机车牵引农具移动所消耗的功率P_pull与机车PTO驱动农具工作所消耗的功率P_PTO之和即为农具消耗功率P_tool。

八、根据机车输出功率与农具消耗功率，计算机车行驶所消耗功率，具体如式(8)所示：

P_drive＝P_e-P_tool (8)

其中，P_drive为机车行驶所消耗功率，其单位为kW；P_e为发动机输出功率，其单位为kW；P_tool为农具消耗功率，其单位为kW。

由公式(8)可见，机车实时输出功率与农具消耗功率之差即为机车行驶所消耗功率。

九、根据实时监测记录的机车PTO输出扭矩、拉力以及计算得到的各功率等参数值，生成机车作业时实时详细的工作负载谱。

由上述可以看出，通过本实用新型能准确测量机车作业状态下的多个负载参数，并计算机车作业状态下的发动机实时输出功率扭矩，获取工作载荷谱；能实时获取功率分配比例；量化各项功率损失，如实时行驶消耗功率，农具实时消耗功率，农具实时消耗功率；又可具体获取牵引农具移动实时消耗的功率与通过PTO驱动农具工作消耗的功率；发动机实时输出的功率扭矩变化范围即为机车的工作负载谱，准确的工作负载谱能为发动机的性能开发提供目标；详细且量化的功率分配能为机车的发动机-农具匹配提供指导，能为机车整车性能优化提供方向。

本实用新型除用于如拖拉机等农机具测试外，还可用于其它农业机械，以及非道路和道路用整车及发动机的性能测试。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本实用新型。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种采集机车工作负载谱的测试系统，所述机车牵引农具行走并通过动力输出装置PTO驱动所述农具工作，其特征在于，所述测试系统包括：

气缸压力传感器(1)、氧传感器(4)、空燃比分析仪(5)、发动机曲轴转速传感器(6)、电子角标仪(7)、进气瞬态压力传感器(8)、GPS车速传感器(9)、信号采集系统(10)、拉力传感器、扭矩转速传感器(14)和电脑(15)；

气缸压力传感器(1)安装在机车的发动机(16)的气缸预热塞位置，其感应端伸入发动机气缸内测量发动机缸内压力变化，信号输出线连接至信号采集系统(10)；

氧传感器(4)安装在机车的发动机排气管(18)处测量发动机实时空燃比，其信号输出线与空燃比分析仪(5)相连；所述空燃比分析仪(5)的信号输出线与信号采集系统(10)相连；

发动机曲轴转速传感器(6)设置在机车的发动机曲轴附近；其信号输出线与电子角标仪(7)相连；电子角标仪(7)的信号输出线连至信号采集系统(10)；

进气瞬态压力传感器(8)安装在机车的发动机进气歧管(19)位置处测量发动机进气歧管瞬时压力；其信号输出线连接至信号采集系统(10)；

GPS车速传感器(9)固定在机车上测量机车整车的实时车速，其信号输出线与信号采集系统(10)相连；

机车下拉杆Ⅰ(20)、机车上拉杆(21)和机车下拉杆Ⅱ(22)分别设置有拉力传感器；所述拉力传感器的信号输出线分别连接到信号采集系统(10)；

扭矩转速传感器(14)的一端与机车PTO的扭矩输出轴(23)连接，另一端与农具扭矩输入轴(24)连接，其信号输出线与信号采集系统(10)相连。

2.根据权利要求1所述的一种采集机车工作负载谱的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

装有载荷谱生成装置的电脑(15)；

所述信号采集系统(10)与所述电脑(15)相连；所述电脑(15)通过载荷谱生成装置生成机车的工作负载谱，并通过显示器将信号采集系统(10)收集到的采集信号以及所述机车的工作负载谱呈现出来。

3.根据权利要求1或2所述的一种采集机车工作负载谱的测试系统，其特征在于，

所述信号采集系统(10)安装至机车上或者测试现场内。

4.根据权利要求2所述的一种采集机车工作负载谱的测试系统，其特征在于，

所述信号采集系统(10)具有无线信号收发器，通过wifi与所述电脑(15)通信；

或者，

所述信号采集系统(10)通过线路与电脑(15)相连。

5.根据权利要求1或2所述的一种采集机车工作负载谱的测试系统，其特征在于，

所述气缸压力传感器(1)与信号采集系统(10)之间连接有电荷放大器。

6.根据权利要求1或2所述的一种采集机车工作负载谱的测试系统，其特征在于，

所述进气瞬态压力传感器(8)与信号采集系统(10)之间连接有电荷放大器。