低速双冲程柴油机瞬时转矩和角速度变化的测试与分析外文翻译资料

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机械系统及信号过程

低速双冲程柴油机瞬时转矩和角速度变化的测试与分析Francisco ].Jimeacute;nez Espadafor , Joseacute;A.Becerra Villanueva Daniel Palomo Guerrero，Miguel Torres Garciacute;a a, Elisa Carvajal Trujillo，Francisco Fernaacute;ndez Vacas

塞维利亚大学能源工程系， S/N，Sevilla 41092，Spainensa，Rivera de Loira60，28042

摘要：

这篇论文介绍了一项关于直接测量发动机扭矩诊断方法的调查，这种方法应用于发动机的诊断，介绍了低速二冲程十缸柴油机瞬时转矩、发电机输出端角位移和自由端角位移的测量与分析方法。角速度振荡方法常用于内燃机的诊断，但不能直接测量发动机功率，而且对于带有大惯量发电机，比如发电厂使用的发电机，角速度振荡非常低，具有较低的信噪比，因此在进行瞬时角速度的评估时，噪声的影响很大。我们在这里工作是，通过对扭矩和角位移的测量进行了比较，在相同的点和发动机的条件下，可以得到什么方法更好的测量扭矩。谐波分析扭矩方法，可以清楚地表明和识别具有良好的动态特性的柴油组，测量得到的信号也可以作为分析激发隐微晶质的工具，分析燃烧故障或系统的机械特性和曲轴刚度。由力矩信号，我们还可以观察到由于磁极对的不连续性而引起的发电机的转矩畸变，因此转矩信号可以用来识别发电机的故障。

关键字：测量，格兰沙夫，扭转振动，瞬时转矩

1. 引言

低速二冲程柴油机广泛用于船舶的推进和发电，尽管柴油动力占总动力的比例很低，但这些发动机经常在岛屿上使用，而且在大多数情况下，它们是唯一可用的原动机。虽然天然气发动机作为正在增长的主要推动者，但是对于大型船舶而言，低速柴油机几乎代表了所有的推进解决方案[1]。柴油发动机的效率通常接近50%，有些型号超过了这个水平。只有大型发电厂的额定功率能够高于100-150MW，可以做到比那些二冲程柴油发动机[2]更高的效率，这是因为大型发电厂远远高于大型柴油机的最大功率。而且，这些发动机对大气变化的敏感性低，在低负荷下运行时效率会降低，但它可以使用低成本的重油，也具有可以用纯植物油的优点，而大型电厂或涡轮在这些方面有明显的缺点。[3]

从开发的角度来看，这些发动机确实存在缺陷：

1. 维护方法通常基于纠正或预防措施，这会增加成本。
2. 虽然具有良好的预防计划，但灾难性故障相对来说还是很常见的[4-6]。

由于平稳运行的内燃机在发动机循环内是可变的，所以其角位移不是恒定的[7]。振荡的幅度和角位移的相对最大值取决于发动机的负载特性和负载、工程设计和扭转系统的动力学等方面[8]。瞬时角位移与扭转系统动力学之间的这种关系导致了这个领域具有大量研究工作，为了从瞬时角速度中提取可用于发动机诊断信息，这些研究还将进行下去[8-10]。

对于低速长冲程的柴油发动机（如用于发电的大型交流发电机），就意味着振幅的振荡频率非常低，因此角位移信号会有一个低信噪比。如果轴具有一个大的扭转，那么高剪切载荷就会在轴表面产生高应变，这些应变可以通过应变仪测量。如果消除了畸形变形，就可以测量发动机的动态扭矩，这个信号（瞬时发动机扭矩）包含的信息可用于诊断。虽然扭矩、角位移或速度都包含与系统动力学密切相关的信息，但发动机扭矩也包含一定的信息，这使得该信号更适合于系统应用程序识别 [11]。这一特性与瞬时角位移的测量相结合，可以测量从发动机传递到发电机的机械功率，从而完成发动机的能量平衡。如果每个气缸的燃烧压力都被测量，那么气缸传递的总能量是已知的，因此测量的扭矩可以用来估计发动机的机械损失。

本文研究用于发电的二冲程低速柴油机轴系的振动特性，为了达到研究目的，我们同时测量曲轴前部和自由端处的角位移和前部的扭矩。同时从测量的两个角位移表明，用扭转动力学的观点来看，不能认为系统是刚性的[12]。如果将监测技术应用于曲轴的扭矩和角度位移特性上，将其与发动机健康状态下的模板进行比较，就可以用于发动机诊断。

1. 工厂布局描述

本文以二冲程低速柴油机为研究对象，对十缸、十字头布置进行了研究，主要数据如表1所示。这些发动机执行一个完整的周期是360°。

表1

主要数据：

空气在涡轮增压器中被压缩（有两个单元），最大压缩比接近3.5:1，这意味着空气温度增加超过250°C。为了有足够的空气密度来增加发动机的功率，空气温度必须被降低。压缩后的空气在空气-水热交换器中冷却，从冷却器出来的空气进入发动机的稳压室，冷却后的空气通过位于每个气缸底部的进气口进入气缸。当活塞打开时，被冷却的空气从气垫进入气缸；当活塞上升时，关闭这些端口并压缩气缸内的空气。在上止点前的5°时，喷射系统开始将燃油引入气缸内，在短时间的延迟后，燃烧开始，在燃烧室内产生了巨大的压力，这个压力施加在活塞的顶部，通过曲轴-连杆机构转换为扭矩。在燃烧后，大约在上止点110°之后，位于气缸顶部的一个排气阀开始打开，来自每个气缸的燃烧气体供给连接在同一轴上的轴流式涡轮机到压缩机。排气阀关闭大约90°后，进气口关闭。柴油机有两台涡轮增压器，每一台都是由五个汽缸排出的废气供应的。发动机曲轴直接与发电机连接，没有任何减震装置。发电机直径约10米，它有一个巨大的惯性(853600kgmsup2;)

图1.

发动机-发电机布置示意图如图1所示，以及用于测量前端和自由端角位移、发电机端扭矩和各缸燃烧压力的设备。在不同的系统负载下进行测量，同时测量各负荷下各缸的角位移、转矩和燃烧压力。在维持电力负荷平稳时，并测量其余气缸的燃烧压力。从探测到触发器上升边缘的时刻开始测量，记录长度是在采集频率为100kHz时一个完整的发动机循环所需的时间。由于发动机是二冲程系统，一个完整的循环是360°，相当于每个信号48000点，为每个信号和负载条件收集100条记录。

1. 测量系统

3.1角位移测量

在发电机端，发动机有一个高惯性齿轮的飞轮，用于发动机启动和增强发动机的规律性。虽然使用飞轮齿作为编码器很常见，但由于加工误差、齿廓损坏和减少的齿数(在这种情况下只有50个齿)等情况，使得达不到符合要求的精度。通过将180个齿的精确极带绑在轴上测量发动机前端的角位移，该极带由铁磁材料制成。为了收集信号，在允许的径向间隙范围内(最大4mm)安装感应传感器，在传感器与极带之间，传感器会产生一个等幅的方形信号，所以任何飞轮周向的不规则性或同心度的不足都不会影响到它的尺寸。在飞轮旁边，曲轴每转一圈就有一个参考标记，用于触发对所有通道的获取。

光电增量编码器安装在曲轴的自由端，编码器给出的矩形电压信号在0到5v之间，分辨率为0.351°，即1024脉冲，见图1。

3.2角位移处理

采用纯软件法计算瞬时角位移，即无需附加硬件。在发动机循环中，曲轴的角位移振荡表现为频率调制信号，因此尽管发动机的平均转速是恒定的（在本系统中为125rpmplusmn;0.5%），但连续脉冲之间的时间是可变的，傅里叶级数分解表示为125/60主发动机频率，因此谐波1表示每个发动机转数1次，谐波2表示每个发动机转数2次，以此类推。

扭转振动表示轴转速的周期性变化，所以在信号幅值恒定的情况下，扭转振动会引起载波信号频率的变化。表2描述了该过程。

表二：

角位移测量的信号处理方案：

按表2处理方案，在恒轴角和谐波的基础上对发电机端和自由端信号进行处理，如图2-4所示。这些信号是在一个完整周期内测量轴部分的瞬时角度(见图1)。从这些图片可以得出几个结论：

1. 瞬时角的主要谐波是发动机两端的1、5、7、10次谐波。
2. 可以看出，五次谐波明显地控制了瞬时角位移，发动机负载与谐波模量之间存在正相关关系，且这种关系几乎是线性的(见图3和图4)，这种单调的对应关系可以表现在发动机两端。
3. 对于其余的谐波，谐波振幅与系统负载之间没有明显的关系。
4. 自由端瞬时角的最大振幅明显要高2到4倍(见图2)，各曲线的最大值不处于相同的轴角。这显然意味着，不能认为扭转系统是无限刚性的。这表明，动态模型达到诊断的目的。

图二：发电机端和自由端的角向瞬时位移

图三

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