柴油機(jī)液壓調(diào)速器通用試驗(yàn)臺(tái)研制

張友榮 張衛(wèi)東 姚曉山 歐陽(yáng)光耀

（空軍雷達(dá)學(xué)院軍械通用裝備系1） 武漢 430019） （海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院2） 武漢 430033）

液壓調(diào)速器是柴油機(jī)極其重要的控制部件，其性能的考核與測(cè)試既涉及到調(diào)速器的質(zhì)量檢驗(yàn)、故障修復(fù)，也涉及到與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能.前者能檢驗(yàn)調(diào)速器的生產(chǎn)質(zhì)量，提高故障排除和檢修效果；后者保證柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能具備良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)特性.這兩方面內(nèi)容的綜合結(jié)果保證了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)速品質(zhì).采用系統(tǒng)仿真法進(jìn)行調(diào)速器調(diào)試是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)［1－4］，但在實(shí)際應(yīng)用中普及不夠，特別是液壓調(diào)速器實(shí)驗(yàn)臺(tái).國(guó)內(nèi)部分廠家、研究所和院校所研制和引進(jìn)的調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)，因技術(shù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)或價(jià)格因素都未得到廣泛應(yīng)用.因此，利用計(jì)算機(jī)和機(jī)電一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)能完成調(diào)速器檢測(cè)、整定及修理全過(guò)程的新型通用液壓調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)，將有助于提高國(guó)內(nèi)液壓調(diào)速器的檢測(cè)與調(diào)試水平.

1 通用調(diào)速器仿真試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)

調(diào)速器通用實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)和調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)2部分組成，見(jiàn)圖1.

試驗(yàn)臺(tái)架為鋼架結(jié)構(gòu).其安裝平臺(tái)位于其上部，用于固定安裝被調(diào)試的液壓調(diào)速器以及調(diào)速電機(jī)，調(diào)速電機(jī)通過(guò)電機(jī)聯(lián)軸器、調(diào)速器驅(qū)動(dòng)適配器驅(qū)動(dòng)調(diào)速器旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2.

圖1 調(diào)速器通用實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

圖2 調(diào)速器及伺服電機(jī)安裝

調(diào)速器安裝在平臺(tái)的上表面，利用平臺(tái)上的條形槽、壓板及螺栓予以固定.由于各種調(diào)速器的底座尺寸及驅(qū)動(dòng)軸花鍵尺寸一般并不相同，因而試驗(yàn)臺(tái)必須具備通用性，才能保證同一試驗(yàn)臺(tái)可用于不同液壓調(diào)速器的調(diào)試.解決的技術(shù)方案是采用調(diào)速器通用驅(qū)動(dòng)適配器.驅(qū)動(dòng)適配器中心花鍵孔尺寸不同，以匹配不同類型調(diào)速器的傳動(dòng)軸.而驅(qū)動(dòng)適配器的外周（外六角）尺寸相同，可與電機(jī)聯(lián)軸器上部的內(nèi)六角孔配合.電機(jī)聯(lián)軸器下部帶鍵槽的圓孔則與調(diào)速電機(jī)輸出軸通過(guò)半圓鍵聯(lián)結(jié)，從而將調(diào)速電機(jī)的動(dòng)力傳遞到調(diào)速器傳動(dòng)軸.調(diào)速器底面安裝則以底座適配器加以調(diào)整.

調(diào)速電機(jī)以前端固定方式垂直懸掛安裝在安裝平臺(tái)的下表面，通過(guò)電機(jī)聯(lián)軸器和調(diào)速器驅(qū)動(dòng)適配器直接帶動(dòng)調(diào)速器旋轉(zhuǎn)，不需齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而使整個(gè)調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)更為緊湊.

試驗(yàn)臺(tái)具有液壓油供給系統(tǒng)，由油箱、油泵、油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓油濾清器、供油管路、開(kāi)關(guān)閥門等組成，能提供液壓油濾清、加熱、供油、放油等功能.

設(shè)計(jì)的液壓油供給系統(tǒng)用于為液壓調(diào)速器提供所需的液壓油.由于液壓調(diào)速器的工作特性對(duì)溫度很敏感，為獲得準(zhǔn)確的調(diào)試效果，調(diào)速器應(yīng)在液壓油工作溫度狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)試，為此，液壓油供給系統(tǒng)裝有加溫裝置，以迅速提高油箱中調(diào)速器油的油溫，使其達(dá)到調(diào)速器工作溫度，從而縮短調(diào)試時(shí)間.

液壓油泵設(shè)計(jì)從油箱中部吸油，從而使油面能始終高于加熱器，避免造成干燒現(xiàn)象.油管接頭設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)后側(cè)面，防止油管破裂后熱油濺出傷人.由于不潔液壓油是導(dǎo)致調(diào)速器故障的主要原因，為保證加注、使用液壓油時(shí)的清潔，液壓油加注、回油通道都加有濾網(wǎng)和濾清器.液壓油加熱溫控系統(tǒng)由插入式加熱器、溫控器及溫度傳感器等組成.加熱器功率為2 000W，由2個(gè)1 000W加熱管組成.加熱溫度根據(jù)不同液壓調(diào)速器工作溫度設(shè)定，最高可達(dá)100℃.溫度控制以PID方式控制可控硅導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn).

安裝平臺(tái)下部設(shè)計(jì)有液壓油回流孔，回油孔通過(guò)油管與油箱底部相連.當(dāng)試驗(yàn)完成后，可將調(diào)速器中的液壓油放出，通過(guò)此回油孔流回液壓油箱.安裝平臺(tái)四周裝有鋼板濾網(wǎng)，防止異物進(jìn)入.

1.2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)用于模擬實(shí)際的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng).在仿真過(guò)程中，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算，獲得相應(yīng)工況的轉(zhuǎn)速數(shù)值，該轉(zhuǎn)速值經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成控制電壓，送至調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器改變調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使液壓調(diào)速器轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，液壓調(diào)速器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角隨之變化.利用拉繩式位移傳感器將其變換成柴油機(jī)噴油泵齒桿位移反饋給計(jì)算機(jī)完成在環(huán)仿真.計(jì)算機(jī)根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行工況和輸入的齒桿位移量計(jì)算出新的轉(zhuǎn)速，再次輸往調(diào)速電機(jī).在這個(gè)過(guò)程中，液壓調(diào)速器對(duì)于調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制模擬了對(duì)真實(shí)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，從而能實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的閉環(huán)調(diào)試.

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)采用美國(guó)NI公司的PXI實(shí)時(shí)硬件，其循環(huán)控制時(shí)間波動(dòng)可達(dá)μs級(jí)，因而具有很強(qiáng)的運(yùn)行確定性.實(shí)時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)主要包括機(jī)箱、嵌入式8187RT控制器和6229多功能數(shù)據(jù)采集卡等.硬件在環(huán)仿真時(shí)，只需將仿真模型和通訊程序下載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中，相應(yīng)的I／O和模型仿真運(yùn)算就不再受上位機(jī)的干擾，以保證在環(huán)模擬過(guò)程與柴油機(jī)實(shí)際調(diào)速過(guò)程一致.主機(jī)通過(guò)軟件調(diào)用訪問(wèn)實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)的實(shí)時(shí)程序，通訊采用百兆TCP／IP Ethernet，保證了主機(jī)與副機(jī)交互的快速性.

6229數(shù)據(jù)采集卡包括16通道模擬差分輸入（16－bit A／D），采樣頻率250kS／s.4通道模擬輸出，48通道數(shù)字量輸入輸出以及2個(gè)記數(shù)器.通過(guò)6229多功能數(shù)據(jù)采集卡，可采集位移、轉(zhuǎn)速、壓力信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速控制指令，同時(shí)，仿真控制柜上控制面板的操控信號(hào)也通過(guò)6229多功能數(shù)據(jù)采集卡完成輸入輸出.

編程軟件選用NI公司的虛擬儀器Lab－VIEW、仿真模塊Simulation Module、能進(jìn)行編譯下載實(shí)時(shí)模型的實(shí)時(shí)模塊Real－Time Module.Simulation Module能實(shí)現(xiàn)集中與分布參數(shù)模型、線性與非線性模型、時(shí)變與非時(shí)變模型、連續(xù)與離散模型的仿真計(jì)算，既可實(shí)現(xiàn)固定步長(zhǎng)運(yùn)算，也可實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)運(yùn)算.由于柴油機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，即使在不考慮非線性因素并進(jìn)行很大簡(jiǎn)化的條件下，其中很多系數(shù)也難以確定，因此柴油機(jī)的辨識(shí)模型更為真實(shí)有效.本文以6135柴油發(fā)電機(jī)組的辨識(shí)模型［5－6］作為試驗(yàn)臺(tái)的內(nèi)嵌模型.為滿足通用試驗(yàn)臺(tái)的要求，只需將液壓調(diào)速器的配機(jī)模型更換成不同機(jī)組的仿真模型即可.6135柴油發(fā)電機(jī)組的辨識(shí)模型見(jiàn)式（1）.

將模型置于能運(yùn)行于目標(biāo)機(jī)的LabVIEW仿真循環(huán)（simulation loop）中，并建立與調(diào)速器硬件的I／O聯(lián)系.由于柴油機(jī)模型及其輸入輸出必須滿足確定性要求，因此I／O的采樣時(shí)間與仿真計(jì)算的步長(zhǎng)必須一致，I／O采樣必須采用單點(diǎn)采樣方式，仿真循環(huán)只能采用固定步長(zhǎng)運(yùn)算，即在每一次數(shù)據(jù)輸入輸出過(guò)程中，完成一次仿真運(yùn)算的數(shù)值更新.在simulation loop上有仿真參數(shù)設(shè)置框，可取出仿真參數(shù)設(shè)定中的time step，取倒數(shù)后送于模擬輸入（AI voltage），模擬輸出（AO voltage）的sample clock VI中的rate端，以使模擬輸入、模擬輸出的采樣時(shí)間與仿真步長(zhǎng)相同，同時(shí)，在模擬輸入（AI voltage）的sample clock VI中，其sample mode被設(shè)置成 Hardware timed Single Point采樣方式.模擬輸入采用差分方式接受位移傳感器信號(hào).模擬輸出則將控制信號(hào)輸出至調(diào)速電機(jī)控制器，其輸出范圍為－10～10V.其中，0～10V控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，－10～0V控制電機(jī)反轉(zhuǎn).

LabVIEW RT系統(tǒng)通過(guò)在普通的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中增加RT模塊，可將在仿真模塊開(kāi)發(fā)完成的柴油機(jī)模型下載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中［7］.Lab－VIEW RT包括3部分：LabVIEW，RT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和RT引擎.其中LabVIEW，RT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)軟件，RT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供將LabVIEW的VI程序編譯下載并提供數(shù)據(jù)通信功能；而RT引擎、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)則安裝在實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中，RT引擎在目標(biāo)環(huán)境上提供實(shí)時(shí)運(yùn)行VI程序的能力.

在LabVIEW的仿真模塊中完成柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)后，對(duì)其進(jìn)行編譯將產(chǎn)生3個(gè)文件：Host，NPL和TCL.其中Host文件為上位機(jī)運(yùn)行VI，可嵌入到上位機(jī)主程序，通過(guò)通訊獲得柴油機(jī)模型計(jì)算數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速曲線顯示和特征參數(shù)提取.NPL通過(guò)以太網(wǎng)下載到目標(biāo)機(jī)并駐留在其中運(yùn)行，TCL為上位機(jī)和目標(biāo)機(jī)的通訊程序.

調(diào)速電機(jī)應(yīng)能實(shí)時(shí)跟隨柴油機(jī)模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)速變化.調(diào)速電機(jī)選用日本松下MDMA系列全數(shù)字永磁同步交流伺服電機(jī)，功率4.0kW.交流伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，在快速加減速時(shí)能提供很高的沖擊轉(zhuǎn)矩，能提供精確的速度控制.同時(shí)其自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器還可用于高精度的轉(zhuǎn)速測(cè)量，無(wú)需另裝轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的控制器連接器（CN I／F）可將其狀態(tài)信號(hào)及控制信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連接，通過(guò)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制.

在計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)的機(jī)柜前控制面板上還提供了各種控制功能，如液壓油加熱控制、供油泵啟?？刂?、遙控控制及手動(dòng)調(diào)試控制等.其主要功能包括伺服電機(jī)手動(dòng)調(diào)速、伺服電機(jī)啟停控制、增益調(diào)整、負(fù)荷大小調(diào)整、開(kāi)環(huán)及閉環(huán)狀態(tài)選擇、遙控試驗(yàn)控制、液壓油供油泵控制、液壓油加熱器控制以及總電源開(kāi)關(guān)等.

1.3 圖形化功能界面

上位機(jī)利用圖形化編程軟件LabVIEW以組態(tài)方式建立了良好的人機(jī)界面，提示操作規(guī)范和調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)操作人員正確完成調(diào)試過(guò)程.程序引導(dǎo)將體現(xiàn)調(diào)速器出廠測(cè)試的全部?jī)?nèi)容，包括調(diào)速器安裝、磨合試驗(yàn)、常規(guī)檢查及泄漏檢查、最低最高轉(zhuǎn)速整定、調(diào)速器工作油壓測(cè)試、瞬時(shí)調(diào)速率及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試、穩(wěn)態(tài)調(diào)速率測(cè)試、轉(zhuǎn)速波動(dòng)率測(cè)試等.同時(shí)，“數(shù)據(jù)回放”界面可將試驗(yàn)過(guò)程中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、曲線按試驗(yàn)編號(hào)、試驗(yàn)時(shí)間檢索調(diào)用，用于調(diào)速器工作狀態(tài)的進(jìn)一步分析.

利用Labview狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合VI動(dòng)態(tài)調(diào)用、子面板調(diào)用、事件結(jié)構(gòu)等完成軟件的組態(tài)，通過(guò)不同的按鈕控件，實(shí)現(xiàn)程序在不同調(diào)試界面、調(diào)試過(guò)程中的轉(zhuǎn)換.

在各調(diào)試界面中，以文字、圖片方式告知方法、調(diào)試步驟和規(guī)范.如在“調(diào)速器安裝”界面中，按下“安裝步驟”按鈕，可查看安裝步驟文字說(shuō)明；按下“安裝圖示”按鈕，可查看相應(yīng)的通用驅(qū)動(dòng)適配器和底座適配器圖片.“最低最高轉(zhuǎn)速”整定，有“無(wú)反饋”和“反饋”2種方式，在“無(wú)反饋”方式中，可整定最低和最高起作用轉(zhuǎn)速，在“反饋”方式中，可整定調(diào)速器工作轉(zhuǎn)速范圍.通過(guò)調(diào)速器工作油壓測(cè)試，可了解液壓調(diào)速器液壓活塞等元件的磨損情況.

在調(diào)速過(guò)程完成后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)入特性參數(shù)計(jì)算提取界面（圖略），在此界面中，分別給出突增負(fù)荷、突減負(fù)荷的調(diào)速曲線，并自動(dòng)計(jì)算提取相應(yīng)的瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時(shí)間等參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定時(shí)間，還可利用圖形控件上的游標(biāo)手動(dòng)提取.若調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性不佳，可參照界面上介紹的調(diào)整整定步驟對(duì)調(diào)速器的補(bǔ)償節(jié)流針閥等調(diào)整元件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以修正液壓調(diào)速器的瞬態(tài)調(diào)速率.

2 試驗(yàn)應(yīng)用

在通用試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)YT555G液壓調(diào)速器進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試.YT555G液壓調(diào)速器的工作轉(zhuǎn)速范圍為400～1 200r／min，輸出軸轉(zhuǎn)角38°，穩(wěn)定調(diào)速率可調(diào)范圍0%～12%，動(dòng)力活塞行程55mm.

施加100%負(fù)荷階躍擾動(dòng)，加載時(shí)，瞬態(tài)調(diào)速率為7.88%，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為3.07%，調(diào)整時(shí)間為2.38s；減載時(shí)，瞬態(tài)調(diào)速率為7.75%，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為2.78%，調(diào)整時(shí)間為2.78s.通用試驗(yàn)臺(tái)上的液壓調(diào)速器的調(diào)速曲線與實(shí)機(jī)調(diào)速曲線的變化趨勢(shì)一致，其瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時(shí)間的變化范圍也相一致.實(shí)踐表明，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成調(diào)試的液壓調(diào)速器在實(shí)際柴油機(jī)上只需就機(jī)微調(diào)即可實(shí)現(xiàn)最佳的匹配性能.

通用試驗(yàn)臺(tái)能及時(shí)查找并排除液壓調(diào)速器的故障，在進(jìn)一步建立液壓調(diào)速器的故障譜后，將有利于提高柴油機(jī)液壓調(diào)速器檢修的技術(shù)水平.

3 結(jié)束語(yǔ)

液壓調(diào)速器通用試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間確定性和抗干擾能力都非常強(qiáng)的硬件在環(huán)仿真，為試驗(yàn)臺(tái)提供了真實(shí)反映柴油機(jī)調(diào)速特性的反饋調(diào)試功能.實(shí)驗(yàn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示調(diào)速曲線，計(jì)算提取調(diào)速特性參數(shù)，使調(diào)速器的調(diào)試更加直觀準(zhǔn)確，更容易利用測(cè)試結(jié)果判斷調(diào)速器工作狀態(tài)；人機(jī)交互能引導(dǎo)操作人員完成調(diào)速器檢測(cè)、整定及修理工作的全過(guò)程，提高了工作效率；調(diào)速器試驗(yàn)臺(tái)解決了通用性、變速驅(qū)動(dòng)、硬件在環(huán)仿真、信號(hào)測(cè)量、性能分析以及供油加熱等問(wèn)題.應(yīng)用通用試驗(yàn)臺(tái)，能及時(shí)查找液壓調(diào)速器故障原因和排除故障，并保證了在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成整定調(diào)試的液壓調(diào)速器在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝運(yùn)行的安全性、匹配性和良好的調(diào)速性能.

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