農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)的研制

鄭凱仁，梁朝通，林敘彬，蔣姣麗，蔡慶進，宋瑜清，黃啟鋒

（廣東省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，廣州 510535）

0 引言

農(nóng)用動力機械包括汽油機、柴油機、煤氣機等，是農(nóng)業(yè)機械的“心臟”，為大部分的拖拉機、收獲機械、排灌機械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機械提供動力。動力性能的優(yōu)劣直接影響到整機的性能，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動能否高效、環(huán)保的重要保障。

在當今節(jié)能減排的大環(huán)境下，不僅僅對道路機動車排放標準日益嚴苛，對非道路移動機械的排放標準也日漸提高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國非道路用柴油機每年新增約200萬臺左右，在全國每年超過1億t的柴油消耗總量中，約有20%用于各類非道路移動機械。這些非道路移動機械是氮氧化物的重要排放源，每年約排放氮氧化物200萬t以上[1]。由于非道路移動源的污染問題越來越嚴峻，因此有必要檢測和控制非道路移動機械的污染物排放成分和含量，以減輕由該類產(chǎn)品使用量和保有量的持續(xù)增長而給環(huán)境帶來的壓力。

自2016年4月1日起，所有制造、進口和銷售的整機機械都要裝用符合國Ⅲ標準的非道路移動機械用柴油機[2]。根據(jù)國家標準GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段)》的規(guī)定：氣體排放（主要是碳氫（HC）+氮氧化物（NOX）+顆粒（PM））的排放限值比第二階段分別加嚴了21%和25%，而且國Ⅲ標準必須嚴格通過750 h的排放耐久考核。隨著非道路移動機械車輛的排放標準的日益提高，發(fā)動機的測試技術(shù)應(yīng)用要求也相應(yīng)提高，這給農(nóng)用動力機械性能的檢測帶來了新的挑戰(zhàn)。

廣東省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站原有的農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)的功率測試范圍有局限性，檢測能力達不到標準要求。為了適應(yīng)形勢發(fā)展，我們對原有的動力性能檢測系統(tǒng)進行升級改造，改造后的農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)的檢測能力有了大幅度的提升，能滿足現(xiàn)在及未來一段時間內(nèi)的檢測需求。該農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)檢測精度高、測量范圍廣，能夠進行100 kW以下的農(nóng)用機械動力臺架試驗檢測。檢測內(nèi)容包括內(nèi)燃機的多項性能指標和尾氣排放物（HC、NOX、PM）的排放值，為判定農(nóng)用機械動力性能的相關(guān)指標是否符合標準要求提供了重要的支持。

1 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計

農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)主要由負載系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺、油耗檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通過直流電作為轉(zhuǎn)換元件，實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換，并以轉(zhuǎn)矩形式為承載電機加載。通過軸連接器與被測動力同軸對接，轉(zhuǎn)矩通過傳感器將力的大小轉(zhuǎn)換成電信號輸出，用來模擬和控制被測電機的負載，以測量電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以及其他特殊的動力試驗測試項目，如安全性試驗、動平衡試驗和可靠性試驗等。

圖1 農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)

1.1 基礎(chǔ)平臺的設(shè)計和安裝

該系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺主要是指測功機和發(fā)動機的安裝、傳動軸及防護罩等工裝。根據(jù)試驗室的實際情況，按照3個發(fā)動機試驗臺架的設(shè)計，在試驗間重新規(guī)劃出3個臺架的平板位置，在安裝平板的地面，打鋼筋砼基礎(chǔ)，滿足3塊平板安裝后與設(shè)計的試驗間地面平齊。如圖2所示，發(fā)動機和測功機的聯(lián)接點需要承受一定的靜載荷和動載荷，將發(fā)動機和測功機的聯(lián)接點固定在同一塊底板上，在安裝前用精密水平儀來校正底板面的水平度，以保證測功機和發(fā)動機的安裝足夠穩(wěn)定可靠。

圖2 測功機安裝圖

傳動軸是由聯(lián)軸器、高彈聯(lián)軸器、工業(yè)傳動軸等組成，用于測功機與發(fā)動機之間的對接。采用可伸縮彈性聯(lián)軸器與發(fā)動機聯(lián)接，聯(lián)軸器中段為整體式結(jié)構(gòu)，具有軸向及徑向偏差補償能力。

安全防護罩用6 mm的鋼板制造，防護罩的下半部分支架通過組合緊固在鐵底板上面。防護罩包裹在傳動軸外，避免人員和設(shè)備與旋轉(zhuǎn)連接軸系統(tǒng)接觸，防止軸斷裂時部件飛濺而造成的危險。

1.2 油耗檢測系統(tǒng)

該農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)采用智能油耗儀測油耗，用于測量各種發(fā)動機的燃油消耗。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

智能油耗儀通過控制一個常閉式二位二通電磁閥，能夠很好地控制充油和放油過程。電磁閥在打開狀態(tài)下，油箱在向油杯供油的同時也向發(fā)動機供油，而當油杯的油面到達所設(shè)定的上限的時候，電磁閥會自動關(guān)閉，同時油箱不再向發(fā)動機供油，由油杯直接向發(fā)動機供應(yīng)燃油。當油杯中的油面降到系統(tǒng)預(yù)定的位置時，儀表就會開始測量。當測量結(jié)束的時候，儀表會自動顯示在測量時間內(nèi)油杯的容量變化，并且電磁閥會同時開啟，進入下一個測量過程。

同時，在油耗儀進油端的油路上安裝一個開關(guān)閥門和燃油濾清器，在油耗儀溢油或系統(tǒng)故障等情況下能自動切斷油路，防止安全事故發(fā)生。

1.3 發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)

3個試驗臺架共用一套尾氣排放系統(tǒng)。該系統(tǒng)將發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的廢氣，通過試驗室內(nèi)部管道和外部管道，在耐高溫排煙風機抽吸作用下，經(jīng)過排氣消聲器降噪，在尾氣凈化器對有害氣體、碳排放顆粒進行處理后，最終排放到室外。在發(fā)動機試驗臺鑄鐵平板的一邊，離地面300 mm處，預(yù)留管徑DN125的碳鋼排氣管道和連接法蘭盤，連接管道地下部分與主管道連接，采用隱蔽工程預(yù)埋，連接到室外。在室外采用DN125組合絕熱管道，并且加裝防雨帽，在試驗室管路上配置耐高溫排氣背壓調(diào)節(jié)閥。

2 硬件選擇

發(fā)動機作為配套動力，在實際使用中不同工況的能耗有所不同，因此合理配型對于機器的性能以及油耗都是至關(guān)重要的[3]。為了更好地對農(nóng)業(yè)用的配套動力進行技術(shù)參數(shù)、產(chǎn)品性能等質(zhì)量評價，在選用農(nóng)用動力檢測系統(tǒng)的硬件時主要考慮測功機、變頻控制器、扭矩傳感器、尾氣排放系統(tǒng)等儀器性能和精度問題。

采用了100 kW、30 kW和10 kW共3套測功機測試系統(tǒng)，測量范圍為：功率0～100 kW，轉(zhuǎn)速0～4 000 r/min，扭矩0～500 N·m，油耗0～500 g。準確度范圍為：扭矩±0.2%（FS），油耗±0.4%（FS）。檢測功率范圍和精度范圍都處于合理空間，極大地提高了試驗的準確度和科學性。

變頻控制器采用帶有手動定轉(zhuǎn)速、定電流的設(shè)定裝置，并且具有計算機檢測和控制的通用數(shù)字接口，具有完整的通訊接口協(xié)議的控制器，其諧波電壓＜2%，諧波電流＜5%，正常運行時效率＞98%。其安全保護措施符合IP21的要求，包括過流、過壓、失壓保護，限速、限溫保護，跳閘保護功能。這樣就能保證電機在各種工況下運行時，都能保證所有試驗儀器設(shè)備相互間均不受電力干擾，能正常運行使用。

扭矩傳感器采用500 N·m傳感器，其技術(shù)參數(shù)為：額定扭矩500 N·m；轉(zhuǎn)速范圍0～6 000 r/min，測量精度±0.2%FS，轉(zhuǎn)速測量精度±1 r/min。具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。

3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用了CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，可以將各種形式的傳感器進行信號轉(zhuǎn)換；而數(shù)據(jù)處理模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、控制、處理、儲存、報表、繪圖，從而使測試的結(jié)果更加科學合理。

進行發(fā)動機臺架試驗時，試驗人員根據(jù)標準和操作規(guī)程的要求，調(diào)節(jié)發(fā)動機的各項參數(shù)來完成各項指標的檢測。除了需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量發(fā)動機溫度、壓力、大氣壓力、環(huán)境溫度和相對濕度等信號外，還要測量油耗、扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。試驗完成后系統(tǒng)自動出具試驗報告。

該系統(tǒng)能夠按照用戶定義好的試驗過程自動完成整個試驗，實現(xiàn)對測功機出水溫度、發(fā)動機冷卻液機油溫度、燃油溫度、進排氣溫度、機油壓力、大氣壓力、環(huán)境溫濕度等諸多參數(shù)的測量、顯示，并且進行相應(yīng)的處理、儲存、報表、繪圖等。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中所涉及的各種型號的傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 試驗測試

根據(jù)GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機 第2部分：試驗方法》的要求，進行了內(nèi)燃機臺架試驗。在臺架試驗中，經(jīng)過調(diào)試，環(huán)境條件符合GB/T 6072.1—2000《往復式內(nèi)燃機 性能 第一部分：標準基準狀況，功率、燃油消耗和機油消耗的標定及試驗方法》的規(guī)定，各測點傳感器的分布符合GB/T 1105.3—1987《內(nèi)燃機臺架性能試驗方法 測量技術(shù)》的規(guī)定，試驗應(yīng)滿足以下試驗條件：

1）負載（發(fā)動機）應(yīng)帶自身運轉(zhuǎn)所需的附件，不帶空氣濾清器、消聲器等；

2）試驗用油：標準柴油和CD級15W/30號柴油機油；

3）確認傳感器的分布、環(huán)境條件等外界因素符合標準的要求；

表1 傳感器的技術(shù)參數(shù)

4）試驗時發(fā)動機進氣狀況應(yīng)調(diào)節(jié)到標準狀態(tài)：進氣溫度25℃，相對濕度30%，進氣壓力100.0 kPa。

圖4 臺架試驗室效果圖

在上述的試驗條件確定后，如圖4臺架試驗室效果圖所示，調(diào)節(jié)發(fā)動機到標定工況，然后開始進行發(fā)動機臺架試驗、燃油消耗率、廢氣排放等性能檢測。根據(jù)GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機 第2部分：試驗方法》進行發(fā)動機臺架試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 變速試驗記錄

5 結(jié)論

農(nóng)用動力機械性能檢測系統(tǒng)的成功研制解決了兩大問題：一是該系統(tǒng)自動化程度較高，操作界面簡單明了，可以節(jié)省大量人力物力；二是可減少環(huán)境條件等客觀因素對檢測過程的影響，從而保證了試驗數(shù)據(jù)的客觀真實。因此，該系統(tǒng)能為生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)定型、出廠檢驗和委托檢測等方面提供有效的手段，促進了廣東省的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展，也能為農(nóng)戶和主管部門選擇推廣先進適用的農(nóng)業(yè)機械提供技術(shù)支持及決策參考。

[1]楊紅英. 非道路柴油機國Ⅲ標準執(zhí)行 國Ⅳ尚無時間表[N]. 中國工業(yè)報社，2014-11-10.

[2]新農(nóng)村網(wǎng). 遭遇四大挑戰(zhàn)玉米機市場忽現(xiàn)撲朔迷局[J]. 新農(nóng)村：黑龍江，2015，（12）：60-61.

[3]王淑紅, 柳得山. 談發(fā)動機與農(nóng)機具的合理匹配[J]. 科技與企業(yè)， 2013，（2）：276-276.