測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置研究

蘇陽(yáng) 曹進(jìn) 王麗芳 黃星

摘? ?要：本文對(duì)測(cè)功機(jī)校準(zhǔn)裝置的工作原理進(jìn)行分析，根據(jù)測(cè)功機(jī)的測(cè)試裝置“靜檢動(dòng)用”的現(xiàn)狀，從動(dòng)態(tài)工況的角度入手，在扭矩和轉(zhuǎn)速兩方面通過(guò)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)的方式，構(gòu)建信號(hào)模型，針對(duì)不同測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試中的關(guān)鍵參數(shù)和測(cè)試結(jié)果在動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和靜態(tài)校準(zhǔn)下的差異，并分析差異發(fā)生的原因和規(guī)律，為扭矩和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置的研究提供數(shù)據(jù)和理論支持。

關(guān)鍵詞：測(cè)功機(jī)? 扭矩? 轉(zhuǎn)速? 校準(zhǔn)裝置

中圖分類號(hào)：TM32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0064-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展之下，測(cè)功機(jī)的產(chǎn)品更新和新技術(shù)應(yīng)用速度逐步加快，計(jì)量檢測(cè)作為產(chǎn)品質(zhì)量保障中的重要一環(huán)，應(yīng)該發(fā)揮出應(yīng)有的功效，為汽車工業(yè)保駕護(hù)航。本文根據(jù)測(cè)功機(jī)的測(cè)試裝置“靜檢動(dòng)用”的現(xiàn)狀，從動(dòng)態(tài)工況的角度入手，對(duì)測(cè)功機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)進(jìn)行分析和研究，為扭矩和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置的研究提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1? 校準(zhǔn)裝置基本原理和指標(biāo)

1.1 工作原理

扭矩的測(cè)量：扭矩是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩，目前使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近（磁或光）傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測(cè)量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào);缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。本裝置擬采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù) ，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。

轉(zhuǎn)速的測(cè)量：目前國(guó)內(nèi)的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x有點(diǎn)燃式測(cè)功機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式、機(jī)動(dòng)車電瓶充放電電壓脈動(dòng)式、測(cè)功機(jī)振動(dòng)感應(yīng)式測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x幾大類。裝置擬采用磁脈沖傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。磁脈沖傳感器是由磁頭，脈沖整形放大電路，頻率——電壓轉(zhuǎn)換電路及濾波電路組成。磁頭是產(chǎn)生脈沖信號(hào)的部件，它產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速成比例，在主機(jī)的主軸或凸輪軸上裝一個(gè)齒輪（可利用盤(pán)車的齒輪）把磁頭對(duì)準(zhǔn)齒頂固定，磁頭與齒頂之間保持一個(gè)較小的間隙。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁頭將交替對(duì)準(zhǔn)齒頂和齒槽，即可輸出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

在校準(zhǔn)工作中，采用350Nm扭矩轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置，包括傳感器、數(shù)據(jù)分析、軟件處理與高速采集等系統(tǒng);在測(cè)量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉(zhuǎn)速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉(zhuǎn)速為±0.05%;示值重復(fù)性分別為：扭矩為0.3%、轉(zhuǎn)速為0.05%;扭矩信號(hào)最大采樣頻率為500kHz，在扭矩轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法研究中，采用行業(yè)內(nèi)部通用校準(zhǔn)規(guī)范[1]。

2? 信號(hào)模型構(gòu)建及分析

以轉(zhuǎn)速為例，根據(jù)測(cè)功機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其主要依靠各個(gè)缸輪燃燒的方式作功，促進(jìn)其旋轉(zhuǎn)，在指示扭矩方面以波動(dòng)變化為主，即便測(cè)功機(jī)負(fù)荷處于恒定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速也具有一定的周期性波動(dòng)特征。在測(cè)功機(jī)發(fā)電過(guò)程中，轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過(guò)1%，對(duì)于車輛、艦船等主動(dòng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)速波動(dòng)方面應(yīng)更大一些。假設(shè)在測(cè)功機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速用公式表示為：

式中，n0代表的是測(cè)功機(jī)平均轉(zhuǎn)速，單位為r/min;△n代表的是轉(zhuǎn)速波動(dòng)數(shù)值，單位為r/min;f代表的是平均轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，單位為Hz;z代表的是缸數(shù)。通常情況下，可根據(jù)測(cè)功機(jī)齒輪對(duì)其平均轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，公式為：

式中，ω代表的是測(cè)功機(jī)齒輪角速度;n代表的是轉(zhuǎn)速。

2.1 轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)仿真分析

為了對(duì)轉(zhuǎn)速裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，本文根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，對(duì)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)進(jìn)行仿真分析。在仿真過(guò)程中，針對(duì)某一個(gè)6缸測(cè)功機(jī)作為研究對(duì)象，齒輪共有120個(gè)齒，傳感器信號(hào)幅值率為0.2，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率為1%，分別在測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min、1300r/min、1100r/min和900r/min情況下，繪制轉(zhuǎn)速曲線。當(dāng)測(cè)量圈數(shù)固定的情況下，標(biāo)準(zhǔn)差得以減少，平均值與真實(shí)值之間的差距較小，在此情況下，轉(zhuǎn)速越低，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差也隨之減小，意味著測(cè)量誤差更小，與平均值統(tǒng)計(jì)理念更加符合;在以測(cè)量時(shí)間間隔為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，時(shí)間間隔越大，說(shuō)明誤差越小，當(dāng)間隔不超過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間時(shí)，誤差大幅增加，當(dāng)間隔超過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間時(shí)，誤差減小，逐漸接近真實(shí)數(shù)值。此外，在測(cè)量時(shí)間間隔固定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越低，說(shuō)明誤差越大。

為了對(duì)上述理論分析的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。采用350Nm扭矩轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置，包括傳感器、數(shù)據(jù)分析、軟件處理與高速采集等系統(tǒng);在測(cè)量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉(zhuǎn)速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉(zhuǎn)速為±0.05%;示值重復(fù)性分別為：扭矩為0.3%、轉(zhuǎn)速為0.05%;扭矩信號(hào)最大采樣頻率為500kHz。通過(guò)對(duì)波形的分析可知，測(cè)功機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)交波動(dòng)間存在緊密聯(lián)系，主要由于載荷與燃燒具有隨機(jī)波動(dòng)性特征，因此轉(zhuǎn)速數(shù)值也具有波動(dòng)性;在準(zhǔn)確獲取測(cè)功機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的情況下，測(cè)量?jī)x表數(shù)值處于轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍內(nèi)則說(shuō)明儀表具有可用性，反之則需要采取措施對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行處理和控制[3]。

3? 動(dòng)態(tài)高速采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的扭矩轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)測(cè)試校準(zhǔn)裝置中的動(dòng)態(tài)高速采集系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微機(jī)接口電路等部分共同組合而成。其中數(shù)據(jù)采集器當(dāng)中包括多路開(kāi)關(guān)與測(cè)量放大器等重要部件，負(fù)責(zé)逐一對(duì)眾多現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)其進(jìn)行量化處理使之成為數(shù)字信號(hào)，再將其傳輸至計(jì)算機(jī)中[1]。數(shù)模轉(zhuǎn)換器則主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換經(jīng)由微機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，使之成為模擬信號(hào)，便于系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)任務(wù)要求、任務(wù)情況的鞥進(jìn)行準(zhǔn)確記錄顯示和靈活控制。當(dāng)系統(tǒng)采集獲得時(shí)域信號(hào)后，首先需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，使得時(shí)域信號(hào)被放大成電信號(hào)，而后通過(guò)模擬濾波分析出信號(hào)當(dāng)中，以頻率為主要成分的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使之成為數(shù)字信號(hào)，最后傳輸至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)分析處理即可。

由于測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)本身涉及眾多測(cè)量參數(shù)，對(duì)測(cè)量實(shí)時(shí)性有較高要求，因此在實(shí)際開(kāi)展機(jī)械性能模擬測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)不僅需要支持正確設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)測(cè)功系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)信息并對(duì)其進(jìn)行有效處理，完成動(dòng)態(tài)、在線監(jiān)測(cè)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，確保測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效、安穩(wěn)運(yùn)行[2]。

4? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)測(cè)量圈數(shù)固定的情況下，轉(zhuǎn)速越低，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差也隨之減小，誤差更小;當(dāng)測(cè)量時(shí)間間隔越大，說(shuō)明誤差越小。綜上所述，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩的校準(zhǔn)方法進(jìn)行分析，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置從扭矩、轉(zhuǎn)速兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)著手，在實(shí)際工況中前端能夠?qū)崿F(xiàn)定扭矩、定轉(zhuǎn)速、零轉(zhuǎn)速、恒扭矩、自動(dòng)加載、瞬態(tài)加載、反拖切換、動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)、帶載啟動(dòng)等方式下的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。后端平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，利用各種先進(jìn)、專業(yè)的應(yīng)用軟件，以人機(jī)交互的方式可以有效完成對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)的高速采集、控制、調(diào)試，自動(dòng)完成對(duì)采集得到的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)及信號(hào)分析處理與分類存儲(chǔ)。通過(guò)本文研究，對(duì)動(dòng)態(tài)工況下扭矩校準(zhǔn)等技術(shù)難題得到有效解決，對(duì)我國(guó)裝備制造水平提升具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

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