（电气工程专业论文）内燃机车增压器监测装置研制.pdf

j e 夏窑追太堂亟堂焦j 金毫旦51b i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ep o w e ro fe n g i n ei sd e c i d e db yt h es t a t eo fs u p e r c h a r g e d d i e s e l ，a l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee n g i n e , w h i c ha f f e c t st h el o c o m o t i v et r a c t i o n p o w e ra n ds a f e t y t h ei n v e s t i g a t i o no fa l lj i n a nr a i l w a ya d m i n i s t r a t i o ns h o wt h a tt h e m a n u a ls u p e r c h a r g e rf a u l t b r e a k i n ga c c i d e n t sa c c o u n t e df o r3 0 4 0 s u p e r c h a r g e r f a u l tn o to n l ys e r i o u s l ya f f e c t st h es a f eo p e r a t i o no fw a i n sa n dd i s r u p t sr a i lt r a n s p o r t o r d e rb u ta l s oe n d a n g e r st h eh e a l t ho fp a s s e n g e r s ，c a u s i n gas u b s t a n t i a li n e a s ei n m a i n t e n a n c ec o s t s t h e r e f o r e i t sav e r yp r e s s i n gi s s u et od e v e l o pt h ef a u l td e t e c t i o n s y s t e mo f s u p e r c h a r g e r ，f o r e c a s ta n da n a l y z ep o t e n t i a lf a u l to f s u p e r c h a r g e rt i m e l ya n d c o r r e c t l y ，d e t e r m i n et h en a t u r eo ff a u l t ，嘴e x t e n t ，c a u s ，l o c a t i o na n de l i m i n a t e p o t e n t i a la c c i d e n t s ，a n de n s u r es a f eo p e r a t i o no f t h es u p e r c h a r g e r t h em a i nf a u l t so fs u p e r c h a r g e ra r er o t o rf a u l tr u p t u r e ，b e a r i n gb u r n i n g , o i ls e a l l e a k a g e , r o t o rc a r ds t a g n a t i o n , s o l i dd e a t hr o t o rb l a d e sd a m a g e d , d e f o r m a t i o na n ds o o n t h er e p a i ro fs u p e r c h a r g e rf a u l tl e a d st oas e r i o u sw a s t eo fr e s o u r c e s ，a n dt h e a n n u a lm a i n t e n a n c ec o s ta sm u c ha st e n so fm i l l i o n so fr m b t h ei n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e st h a tt h ew h o l er o a dd i e s e lt u r b o c h a r g e rf a u l to ft h em a c h i n em a k e sa b o u t 3 0 o ft h et o t a lb r e a k i n gm a c h i n e s oi t ss i g n i f i c a n tt os o l v et h ep r o b l e mo f s u p e r c h a r g e dd i e s e l s u p e r c h a r g e r f a u l td e t e c t i o ns y s t e mc o n t a i n s d a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e sa n d c o m p u t e rp r o c e s s i n gs y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c em a i n l ya c q u i r et h ed y n a m i cd a t a o fs u p e r c h a r g e r ，t h es t a t eo fs u p e r c h a r g e dd i e s e lr e f l e c t sb ys i xt e c h n i c a li n d i c m o m ， s p e e d d i e s e l e n g i n e 。 m r b o c h a r g e rs p e e d , t e m p e r a t u r e t u r b i n e j i n , o i l p r e s s u r e ，s u p e r c h a r g e ra i ro u t l e tp r e s s 哪ea n dv i b r a t i o n , w h i c hc o l l e c t e db yt h ec p u t h r o u g ht h es e n s o ra u t o m a t i c a l l y t om e e tt h en e e d so fd a t as t o r a g ea n dd i s p l a yg r a p ho fd a t a , i t 眦s1 m b ”eo f m e m o r ya n d t h e c o r r e s p o n d i n g c i r c u i ta n d h i g h l e v e ll a n g u a g ew i t h v i s u a l b a s i c a c c o r d i n gt 。t h ei n t e r r e l a t i o n s h i po fi n d i c a t o r s i tj u d g ew h e t h e rs u p e r c h a r g e d d i e s e li sn o r m a la n dp r o v i d ei tt ot h et e c h n i c a ls t a f f a sar e f e r e n c e c u r r e n t l y ，j u d g m e n to fs u p e r c h a r g e rs t a t eb ym e a s u r i n gi d l et i m ea n db a l a n c i n g c a no n l yb ei m p l e m 跖t e do nt h eg r o u n d d u ct ot h el a c ko f p e r f o r m a n c eo f i t sd e t e c t i o n , i tc a nn o tc o m p l e t l ya n da c c u r a t l ye v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e s ow ed e v e l o p e daz g j 一1 d i e s e ll o c o m o t i v es u p e r c h a r g e rf a u l td e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hm a yd e t e c tk e y p a r a m e t e r s i nl o c o m o t i v em a i n t e n a n c e ，s u c h 舔s u p e r c h a r g e rs p e e d ，v i b r a t i o n ，o i lp r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e t u r b i n ej i n , s u p e r c h a r g e rp r e s s u r eo nt h ee x p o r ta n ds oo n o n c e s u p e r c h a r g e dd i e s e lw o r k su n n o r m a l l y , t h ep o l i c ev e h i c l ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ea l a r m i m m e d i a t e l yr e m i n d e da t t e n d a n t st a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s a c q u i s i t i o no fs u p e r c h a r g e ro p e r a t i n gd a t ac a l lb es t o r e dm o r et h a nam o n t h ，a n d g e n e r a t ec o r r e s p o n d i n gc h a l tt h r o u g ht h ed a t ao fb o x e sa n dg r o u n d - a n a l y s i ss o f t w a r e h a n d l i n g , i tp r o v i d e sd e t a i l e do p e r a t i o n a li n f o r m a t i o n t ot h em a i n t e n a n c es t a f fa n d i n s t r u c t ss u p e r c h a r g e rm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：s t a t ei n s p e c t i o nf a u l td e t e c t i o ng r o u n dd a t ap r o c e s s i n g d a t a i n i t e r r a c e c l a s s n o ；u 2 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 j e 塞窑堑盍堂亟堂僮j 金塞独剑丝虚盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：张健 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月2 0 日 6 0 致谢 本论文的工作是在我的导师电气工程学院刘明光教授的悉心指导下完成的。 刘教授严谨的治学态度和科学的工作方法给予我极大的帮助和影响。在此对刘明 光老师三年来给予我的关心、指导、帮助表示衷心感谢。 感谢济南铁路局陈功局长，感谢铁路局人事处及原青岛铁路分局干部分处的 各位领导同志。正是他们站在全局发展的高度，以超前的眼光和极大的魄力促成 了铁路局与北京交通大学的合作，给我提供了一个学习、提高、发展的好机会。 还要诚挚的感谢电气工程学院的各位老师几年来不辞劳苦，到青岛来为我们 授课和指导；也感谢青岛党校给我们的学习生活提供便利条件，使我们的学业得 以顺利完成。 最后，特别要感谢我的家人。她们为我付出了很多，她们的理解和支持是我 能够坚定信心、坚持完成学业的强大的动力源泉。 j e 基窑通太堂王捏亟茔焦论塞i l直 1 1 增压器在线监测的意义 l 引言 随着国民经济的不断发展，人民群众对铁路运输提出了更高的要求( 客运安 全正点，快速舒适，货运更加快捷方便) 。为了满足这一要求，提高铁路在运输 市场的竞争力，近些年来铁路采取了更新装备、运用高科技产品来确保列车安全 运行，提高列车运行速度，改善客货运服务质量等一系列有效措施，扭转了经济 效益连年下滑的被动局面，提前实现了扭亏为盈的奋斗目标。随着列车运行监控 器( 黑匣子) 的普及和运用，行车安全有了可靠的设备保障，使得行车事故大幅减 少。但是全国铁路连续几次大面积提速以来，列车运行速度不断提高，机车的检 修质量已经成为影响客、货列车运行可靠性和安全性的主要因素，机车检修部门 承受着巨大的压力。如何提高机车的检修质量，确保机车以良好的质量状况运行 已经成为全路机务系统广泛关注的新问题。这个问题直接影响着铁路运输安全、 服务质量和经济效益，关系到铁路运输企业在当今日益细分的运输市场中的核心 竞争力。例如，济南铁路局济南机务段配属的d f 。型内燃机车，其装车功率和构造 运行速度完全能满足目前特快列车牵引的动力需求，但是为了防止内燃机车在运 行途中发生质量问题，保证进京特快列车的安全正点，被迫采取两台d f 型内燃机 车重联牵引，其中一台热机状态备用。这种方式给机务系统在人力、物力、财力 方面带来巨大浪费。因此，必须采取切实可行的措施，杜绝内燃机车在牵引列车 运行的过程中发生故障，确保机车质量可靠，这是解决问题的根本出路。 增压系统是内燃机车柴油机的重要组成部分，其功能是向燃烧室供应充足、 新鲜的压力空气，保证喷入的燃油充分燃烧。因此，增压系统的性能优劣，直接 影响柴油机的经济性和动力发挥。内燃机车在运用过程中经常出现排温高、冒黑 烟、甚至排气总管被烧红的故障，夏季表现尤为突出。其主要原因是增压系统增 压性能降低，造成过量空气系数降低，燃油不能充分燃烧，导致柴油机输出功率 下降，油耗增加，污染环境等不良后果。更为严重的是，内燃机车涡轮增压器一 旦发生转子轴断裂、喷油、轴承烧损、涡轮叶片甩片故障时，会导致柴油机冒黑 烟、喷火、油锤等故障，机车不能继续牵引列车，严重影响客、货列车运行安全， 同时内燃机车大部件破损还会造成修车成本大幅超支。因此，实时地监测增压系 统的工作状态，及时准确地诊断、预报增压器故障的性质、部位和原因，为增压 器检修提供可靠依据，使柴油机始终在良好状态下工作，具有重要意义。 j e 夏窑垣盔芏王捏亟堂僮i 金塞到 言 1 2 国内外发展现状 目前，我国的机车修理制度仍然采取计划预防修。这种修理体制有许多弊端， 如果修理周期安排不当会出现各种问题：其一修理周期过长可能因机车施修不及 时，出现故障，影响机车的运用，甚至造成重大交通事故：其二若修理周期过短， 可能出现机车过剩修理，造成人力和物力的浪费。对机车修理制度进行改革，采 取状态修理制度，是避免采用计划预防修出现的欠修或过剩修的有效措施。采用 状态修的前提是必须有能够对机车设备进行状态检测和诊断的仪器，能够及时准 确地对机车的状态进行诊断，为合理地制定修程提供依据。研制简单、实用、准 确的检测诊断设备是实现状态修的物质基础和保证。由于增压系统结构复杂，零 部件较多，又缺乏必要的检测诊断设备，目前维修部门仍主要采用眼看、手摸、 耳听等传统的方法、由人工凭经验进行故障判断，因此对内燃机车柴油机增压系 统的检修仍处在解体、更换“试探修”的水平上，具有较大盲目性。检修工作环 境恶劣，劳动强度很大，库停时间长，己经不能满足日益繁忙的运输生产需要。 随着计算机技术的不断发展及高性能传感器、模数和数模转换器的涌现， 国外以微机为核心组成的机车控制、诊断监视系统己在机车上大量使用。例如：德 国的l ( m d i r e k t 微机控制系统就设有自诊断装置：美国涡轮增压器公司为产品开发 了柴油机涡轮增压器状态监视系统等。这些系统极大地提高了机车的可靠性，带 来了很高的经济效益。日本机械设备维修协会提出了。掌握设备当前的状态参数， 以预知预测有关异常和故障原因及对未来的影响，并指出必要的对策”的设备诊 断技术的概念。 增压系统是内燃机车柴油机的重要组成部分。柴油机增压是提高柴油机功率、 改善柴油机经济性的有效途径。在一定的结构尺寸和一定的转速下，柴油机输出 功率的大小主要决定于进入气缸内的燃油和空气的数量以及热能的有效利用程 度。如要向气缸内喷入更多的燃油并使其能够充分燃烧，则必须同时增加进入气 缸的空气量( 充量) 。在气缸容积不变的条件下，要增加空气量，就必须增加空气 的密度。气体的密度与其压力、温度有关，增加压力和降低温度，都能使气体密 度增加。因此，在内燃机车柴油机上采用增加进气压力的同时采用空气中间冷却 器，降低进气温度，以达到增大进气密度的目的。概括起来，增压系统的主要作 用有：保证进气的清洁，防止由于沙尘等进入气缸造成活塞和气缸套的磨损和拉伤 提高进气压力、降低进气温度，增加空气密度，保证有充足的空气进入气缸，以 满足燃烧的需要；充分利用柴油机排出的燃气能量，以提高柴油机功率。 增压系统主要由空气滤清器、增压器、空气中间冷却器和迸、排气管等组成。 增压系统示意图如图卜1 所示。 2 j e 塞窑逼太堂提硒堂僮论塞i l直 柴油机工作时，各缸经排气门排出的燃气，首先通过排气支管进入v 形夹角上 部的排气总管内，然后进入柴油机顶部两端的涡轮增压器内驱动涡轮并带动压气 机工作，最后从机车项部排入大气。增压器离心压气机从安装在机车车体上的空 气滤清器吸入空气，空气经过压气机压缩后，通过扩散弯管进入空气中间冷却器 内冷却，然后从空气中间冷却器下方的收敛弯管进入v 形夹角间内的进气稳压箱， 最后从进气稳压箱两侧的进气支管经进气门进入气缸。 图1 - 1 增压系统示意图 在增压系统中，为了使增压器的轴承和轴系能够保持正常的工作温度，对涡 轮进气壳采用和柴油机共用的高温冷却水进行冷却：对空气中间冷却器采用单独 工作的低温冷却水进行冷却，以降低进气温度：在中冷器前后分别采用逐渐扩散和 收敛的扩散弯管和收敛弯管，以减少空气进出空气中间冷却器时的膨胀和节流损 失。 为了提高我国机车的运用可靠性和检修部门的检修效率，减少停车检修时间， 提高机车运用效率，降低检修劳动强度，促进我国机车检修工作向“状态修理” 的转变，本文提出了一套基于模糊综合评判法的便携式增压系统状态检测仪设计 方案，帮助检修部门迅速准确地判断增压系统的状态、故障原因和部位，以实现 增压系统的不解体诊断。对柴油机增压系统状态诊断方法和诊断仪器的研制进行 了有益的探索。 1 3 本课题的目的和任务 内燃机车增压器运行监测装置主要由车载数据采集报警装置和地面数据处理 系统组成，前者包括数据转存盒、接线盒和传感器等，能够完成对增压器和柴油 机转速、振动、机油压力、涡轮机进气温度、增压器空气出口压力6 个参数的测量、 显示和记录，可实时地对各种异常状态作出诊断并发出指令报警；配套的地面分 析软件可对车载数据采集报警装置中的数据进行分析和处理，及时发现问题，保 证增压器的可靠运行。拟达到的目标是研制增压器运行监测装置，对增压器可能 发生的故障进行分析、判断和预报，确定故障的性质、类别、部位、程度、原因。 本课题的主要工作是： ( 1 ) 分析涡轮增压器的结构和工作原理以确定状态监测方案； ( 2 ) 根据铁路局以往增压器故障记录，分析增压器故障的主要原因以确定软 件分析思路： ( 3 ) 运用8 9 c 5 1 单片机作为主控制器，实现现场数据采集电路；。 ( 4 ) 选择适当的通讯方式，并设计串行通讯电路； ( 5 ) 设计车载数据信息采集系统电路，实现数据的存储和显示； ( 6 ) 设计地面数据处理系统电路，完成该系统软、硬件设计； ( 7 ) 编写数据接口子程序和图形显示子程序，达到数据处理的目的； ( 8 ) 将系统投入运行，根据现场采集的数据分析增压器的故障以验证系统的 可行性。 1 4 本章小结 本章首先提出增压器对于内燃机车的重要性，增压器故障给铁路运输带来重 要影响，因此得出本课题的必要性：对增压器状态的在线监测对保障铁路运输有 着十分重要的意义。随后简要阐述了国内外在增压器监测领域的发展状况。最后 提出本课题任务与目的。 4 2 增压器工作原理与运行监控 2 1 增压器结构与工作原理 近3 0 年来，柴油机的主要发展趋势是提高柴油机的功率，又不使柴油机的重 量和体积相应有较大的增长，也就是不断提高单位气缸容积所发出的功率( 升功 率) 。柴油机的升功率与平均有效压力p e 、速度n 成正比，与柴油机的冲程数成反比。 如提高柴油机转速，将会使运动件的惯性力增大，零件加速磨损，柴油机使用寿 命缩短，工作可靠性降低：转速过高会使充气效率降低，使缸内工作过程恶化， 因而转速的提高有一定的限度。如采用二冲程柴油机来提高功率，假如其转速与 四冲程柴油机相同，则由于行程损失及扫气泵等因素，二冲程柴油机的功率并不 成倍增加，且其经济性不如四冲程柴油机。提高平均有效压力p e 是大幅度提高柴 油机功率的一个有效途径。当然，也可以增加气缸数目或加大缸径来提高柴油机 的功率，但这些又受到机车内空间及轴重等因素的限制。 影响p e 的因素很多，它与充入气缸的空气密度ps 、充气效率n v 、指示效率n i 以及机械效率n m 成正比，与过量空气系数a 成反比，其中最有效的途径是大幅 度地提高ps ，这样可在o 值基本保持不变的情况下加大每一循环的燃油供应量， 使柴油机的平均有效压力( 指示压力) 或有效功率( 指示功率) 随ps 的提高而大幅度 增长。提高ps 的具体方法可将充入气缸的空气在缸外进行预压缩，以提高进气压 力，并对预压缩后的进气加以冷却后送入气缸，这种方法称为柴油机增压。 图2 1 涡轮增压器 韭夏窑垣左堂至捏亟堂焦监塞缝压墨佳厘堡皇运红堕蕉 根据驱动增压器能量的来源，增压的方式可分为机械增压、废气涡轮增压和 复合式增压三种。涡轮增压器结构如图2 1 所示。 1 6 v 2 4 0 z j b 型柴油机采用废气涡轮增压系统，利用排出气缸的具有一定能量的 废气导入涡轮机中膨胀作功，再由涡轮机带动压气机将新鲜空气压缩。空气在压 力升高的同时温度也随之升高，为进一步增加气缸的充气量，废气涡轮增压系统 中设置有冷却增压空气的冷却器，使空气密度得到进一步提高，并减少压力损失。 这种增压系统中，增压器与柴油机曲轴之间无机械联系，由于回收利用废气能量， 所以增压柴油机降低了燃油消耗率，提高了工作经济性。废气涡轮增压系统与其 它增压系统相比，省去了柴油机对增压器的驱动机构，故结构简单紧凑：又利用 了废气能量而提高了柴油机的经济性；并由于进气压力的提高，在换气过程气门 重叠期对燃烧室进行扫气，这样既提高充气效率，又降低活塞、气缸盖和气门的 热负荷，还降低了涡轮叶片的工作温度，因而得到了广泛的应用。涡轮增压器工 作原理如图2 - 2 所示。 图2 2 涡轮增压器工作原理 在废气涡轮增压系统中，根据对废气能量利用方式的不同，又可分为恒压( 定 压) 增压、脉冲增压和脉冲转换增压三种。 1 、恒压涡轮增压系统 恒压涡轮增压系统是指涡轮前排气管内压力波动很小，燃气压力基本上恒定。 在这种增压系统中。柴油机各缸排出的废气都通入一根排气总管内，然后再导入 涡轮的喷嘴环。这样由于排气总管的截面和长度较大( 即容积较大) ，同对各缸捧气 交替补充，使排气总管内的压力波动较小，进入涡轮的燃气压力基本上恒定，因 6 此，这种增压系统称为恒压涡轮增压系统。由于排气总管内的压力趋近于一平均 值，因此在排气门开启初期，缸内压力远高于排气总管内的压力，大部分燃气畅 快地排出，使燃气在流经排气门和进入排气总管时出现节流和自由膨胀，产生较 大的涡流和摩擦损失。涡流和摩擦损失产生热量，使燃气温度有所升高，虽然可 以回收一部分能量，但大部分燃气的能量没有得到充分利用。恒压涡轮增压系统 示意图如图2 3 所示。 i 废上t 图2 - 3 恒压涡轮增压系统示意图 压量 2 、脉冲涡轮增压系统 在脉冲涡轮增压系统中，将间隔发火的2 个或3 个气缸连接到一根截面较小、 长度较短的排气管上，再和涡轮增压器相接。因排气管容积较小，在排气门开启 初期，排气管内的压力迅速升高，接近于缸内燃气压力。由于在同一根排气管内 没有其它气缸同时排气，因此随着燃气进入涡轮，缸内压力和排气管内压力一起 迅速下降，形成排气管内压力周期性脉动变化。涡轮是在进口压力有较大脉动的 情况下工作的，这种增压系统称为脉冲涡轮增压系统或变压涡轮增压系统。在脉 冲涡轮增压系统中，排气门刚打开时，气缸内与排气管内的压力差较大，涡流和 节流损失也较大，但由于排气管内的压力迅速升高，与气缸内压力差随之减小， 因而气流总的节流损失大为减少，这样使可利用的燃气能量增加。同恒压涡轮增 压系统相比，当排气管内平均压力相同时，脉冲增压系统涡轮的功率约大3 0 。 通常四冲程柴油机的排气持续期约为2 4 0 0 曲轴转角。为得到良好的扫气效果，必须 避免各缸压力波的相互干扰，因此使连接在一根排气管上的各缸发火顺序错开， 每根排气管连接的气缸数不超过3 个。燃气经各排气管进入涡轮，涡轮虽然在脉动 压力下工作，但涡轮喷嘴环的进气是连续的。 3 、脉冲转换涡轮增压系统 在脉冲转换涡轮增压系统中，各缸排气管分组原则与脉冲涡轮增压系统相同， 7 j e 夏至塑盍堂工程亟堂焦诠皇擅压墨王佳厘堡兰运短堕撞 所不同的是排气管道中增设脉冲转换器。排气管接在脉冲转换器上，燃气在脉冲 转换器内实现压力能与动能问的转换，这种增压系统称为脉冲转换涡轮增压系统。 脉冲转换器由引射管、混合管、扩压管和稳压器组成。在脉冲转换器中，从一根 排气管来的排气脉冲流过截面渐缩的引射管时，气流速度进一步提高，即把压力 能转换成动能。这股高速气流对另一根引射管产生引射和抽吸作用。如果连接另 一根引射管的气缸正处于扫气阶段，可使该缸具有较低的排气背压而进一步改善 扫气效果。从各引射管来的不同流速的气流在混合管内相互混合，然后进入扩压 管，将动能转换成压力能。进入稳压管后，废气的压力波动得到进一步稳定，然 后进入涡轮，因此脉冲转换涡轮增压系统的涡轮机与恒压涡轮增压系统的涡轮机 都具有较高的效率。脉冲转换涡轮增压系统示意图如图2 - 4 所示。 i 量气 图2 4 脉冲转换涡轮增压系统示意图 比较上述三种增压系统，恒压涡轮增压系统的优点是涡轮前气流较稳定，高 负荷下涡轮效率较高，排气管结构简单，缺点是气流的节流和自由膨胀损失大， 排气脉冲能量不能有效地加以利用；在柴油机部分负荷时，因缸内排出燃气的能 量较低，增压压力亦较低，扫气效果较差，需要活塞协助排出废气。此外，涡轮 的加速性能较差。脉冲涡轮增压系统由于在排气门开启初期，排气管内的压力迅 速上升到接近气缸内的压力，因此气流节流损失较小，排气脉冲能量能部分地传 递给涡轮加以利用，但在高增压时此优点并不突出；在排气门开启期间，排气管 内平均压力较低，因而活塞泵气损失小，扫气压差大，效果较好，其缺点是涡轮 因流动损失和冲击损失较大，涡轮效率较低：同时排气管结构复杂，总体布置困 难，组装和检修较困难。脉冲转换涡轮增压系统兼有脉冲及恒压涡轮增压系统的 优点，既能有效地利用排气的脉冲能量，又能使气流稳态进入涡轮，从而提高了 涡轮效率。目前国内使用的内燃机车采用第一种方式。 2 2 增压器的主要故障原因 通过相关机务段的故障统计分析，增压系统故障主要有： ( 1 ) 增压空气压力偏低： ( 2 ) 柴油机排气温度过高； ( 3 ) 涡轮增压器转速降低或转速过高； ( 4 ) 涡轮增压器窜油； ( 5 ) 涡轮增压器回油温度过高： ( 6 ) 涡轮增压器产生不正常噪音和振动； ( 7 ) 涡轮增压器压气机喘振等。 与其相对应根据增压器的原理及结构分析，可以得出以下原因： a ) 增压压力低的主要原因有： ( 1 ) 空气滤清器严重堵塞使进入增压器空气量少、 ( 2 ) 涡轮增压器压气机气道玷污，有时油垢可达2 m 以上，这种现象常见于 风沙较大地区； ( 3 ) 空气滤清器清洗后浸油情况严重； ( 4 ) 柴油机进气管各接头有漏气处所，造成压力损失； ( 5 ) 空气中间冷却器气道玷污，主要由冷却水质问题或水中进油引起； ( 6 ) 涡轮增压器转子和静止零件间严重积碳，使旋转阻力增加造成增压器转 速下降，甚至低速气滞； ( 7 ) 涡轮增压器叶片变形或喷嘴环变形造成增压器喷嘴出口面积增大，降低 了能量转换效率，并导致柴油机热负荷增加； ( 8 ) 涡轮增压器轴承损坏。 b ) 排气温度过高的主要原因有： ( 1 ) 由于喷油提前角减小或喷油器雾化不良造成柴油机后燃严重； ( 2 ) 由于油环装反，缸套与气、油环配合间隙大或配合压力不合适等造成机 油参与燃烧； ( 3 ) 涡轮增压器喷嘴环面积减小，排气阻力大，背压高。 c ) 涡轮增压器转速降低或过高的主要原因有： ( 1 ) 增压器转子和静止零件间接磨，使旋转阻力增加，转速下降； ( 2 ) 喷嘴叶片超温发生变形，使喷嘴出口面积增大，造成转速下降； ( 2 ) 增压器轴承损坏使增压器转子卡滞： ( 4 ) 柴油机排温高，使涡轮转速过高； ( 5 ) 柴油机超速； ( 6 ) 运用地区大气压力低； ( 7 ) 喷嘴叶片或涡轮叶片积碳，使燃气通道减小。 9 d ) 涡轮增压器窜油的主要原因有： ( 1 ) 涡轮增压器压气机端油封轴承座问垫片漏油； ( 2 ) 进油道工艺堵漏油： ( 3 ) 涡轮端气封圈和轴承座间垫片漏油： ( 4 ) 涡轮轴梯形螺纹和气封圈不同心。 e ) 涡轮增压器回油温度过高的主要原因有： ( 1 ) 机油油压低或机油系统堵塞： ( 2 ) 润滑轴承的机油量不足： ( 3 ) 涡轮端气封圈漏气，使燃气进入润滑油道： ( 4 ) 增压器轴承损坏； ( 5 ) 冷却系统堵塞，使轴承冷却不良： ( 6 ) 机油管路漏泄等原因使润滑油量不足。 f ) 涡轮增压器产生不正常噪音和振动的主要原因有： ( 1 ) 涡轮增压器转子部分和静止零件相碰接磨； ( 2 ) 增压器转子积碳严重，使动平衡破坏； ( 3 ) 涡轮轴或轴承磨损严重； ( 4 ) 涡轮增压器安装松动。 g ) 涡轮增压器压气机喘振的主要原因有： ( 1 ) 空气滤清器或空气中间冷却器气道堵塞，使空气流量减少； ( 2 ) 增压器压气机流通面积减小； ( 3 ) 柴油机在高温环境下工作，空气流量减少： ( 4 ) 柴油机负荷突然降低或紧急停车，增压器转子由于惯性转速不能立即降 低造成瞬时喘振； ( 5 ) 由于气门机构故障，使燃气窜入进气道。 2 3 增压器检修标准 2 3 1 试验条件 ( 1 ) 油、水温度：机油压力按增压器设计要求。机油进口温度应为4 0 c 7 5 。回油温度不得超过l o o 。出口水温不应超过9 0 。 ( 2 ) 进排气压力：增压器压气机进气负压不大于2 5 k p a ，增压器涡轮捧气 背压不大于2 k p a 。 l o j 夏窑重太堂工程亟芏焦监塞缝匡墨兰往厦堡皇运堑些建 2 3 2试验规则 增压器试验分为型式试验和出厂试验。试验的各项数据应符合t b t1 3 8 3 的 规定。 ( 1 ) 型式试验 增压器有下列情况之一，应做型式试验： 曲新产品试制完成时： b ) 转厂生产的产品试制完成时； c ) 停产满一年再重新生产时； d ) 产品结构、工艺或材料有重大改变时； e ) i e 常生产的产品每生产1 0 0 0 台或生产满3 年时； f ) 质量监督检验部门提出检验要求时。 供型式试验的增压器，应具备下列文件： 幻转子动平衡试验记录； b ) 主要零部件探伤检查记录； c 1 主要装配尺寸及间隙记录： d ) 主要零部件材料的理化试验证明； e ) 主要零部件尺寸检查记录； f ) 出厂试验记录。 型式试验包括性能试验和耐久性试验，下面分别介绍。 性能试验包括以下内容： 其一是压气机特性试验： 应在压气机试验台或增压器试验台上用外风源进行试验。允许采用自循环方 法进行部分性能试验。试验结束后按附录b 填写试验记录和附录c 绘制出性能曲线。 等转速线分挡：最低起始转速不应高于标定转速的6 0 ，然后每隔1 0 0 0r m i n 作一条等转速线，直到标定转速的l l o 。 流量测点分挡：从喘振点起，在每一条等转速线上按流量划分，不应少于五 点。 其二是涡轮特性试验： 可以在增压器试验台上采用外风源方式或自循环方式进行，做自循环线，可 与自循环试验相合( 调节自循环阀，模拟柴油机标定工况点的p k p t 值) ，测取压气 机和涡轮端各参数。 注：p - ( 一压气机出口处总压力； p 下一涡轮进口处总压力。 其三自循环试验： a ) 在自循环试验中，增压器在标定工况下，应模拟柴油机在标定工况时的p k p t 值，按此做自循环试验，以考察涡轮进口温度的变化。在试验中此温度应低 于最高允许值。 b ) 脉冲增压器，试验前允许更换小面积的喷嘴环，以完成自循环试验。 c ) 增压器总效率应按自循环时压气机处于标定点的试验参数进行计算。 d ) 自循环试验时应按压气机特性试验所选定的转速进行，同时测定机组的振 动。 其四惰转试验 在增压器转速为5 0 标定转速时，切断燃油供给，逐渐降低滑油压力测定惰 转时间。 ( 2 ) 耐久性试验要求 提供做耐久试验的增压器应是通过性能试验的同一台增压器。试验前，应核 对增压器各主要零部件的尺寸、间隙和装配记录。 耐久性试验包括以下内容 曲、1 0 0 h 试验 试验方式按自循环试验标准进行。 试验工况按以下工况顺序进行： 1 ) 标定转速试验3 0 h ： 2 ) 交替突变转速试验1 0h ，转速在标定转速和6 0 标定转速之间交变，前 8h 每4m i n 变换一次，后2 h 每2 m i n 变换一次，升降速时间不大于1 0 s ： 3 ) 超速试验2 4 h ，转速为标定转速的1 1 0 ： 4 ) 交替突变转速试验1 0h ，工况同前； 5 ) 标定转速试验2 6 h 。 试验过程中测量和记录各参数，每1h 进行一次。 b ) 、超温试验 在1 0 0 h 试验后进行。增压器在标定转速运转，使涡轮进1 ：3 温度保持在最 高允许温度的10 5 ，时间不少于5 r a i n 。 c ) 、复校性能 1 0 0h 试验后应复校增压器的性能( 在超温试验后进行) 。 d ) 、停车要求 在1 0 0 h 试验中，因非增压器故障( 漏气、漏水、漏油) 而停车不应超过一次， 停车时间不应超过3 0 r a i n ，增压器试验时日j 应按停车时间相应延长。若超过3 0 m i n ， 试验无效。 2 ( 3 ) 拆检 型式试验后进行分解检查，并记录如下项目： a ) 、复校转子动平衡； ”、对涡轮轮盘、主轴、止推垫片及轴承套进行探伤检查： c ) 、检查轴承、轴颈和减振器装置的磨耗情况； 2 3 3试验设备、测量、方法和精度 ( 1 ) 转速测量 用电磁感应测头和电子计数式频率计测量，也可用其他转速测量仪器，测量 精度不低于0 5 。 ( 2 ) 压力测量 测量仪器及测点位置：压气机和涡轮进出口都应使用精度为0 5 级的仪表测 量，测点位置应按气体动力学有关规定 系统压力测量：冷却水和机油系统压力用2 5 级压力表测量。 大气压力测量：试验地点的大气压力用槽式气压计或其他气压计测量。 ( 3 ) 温度测量 压气机进、出口温度测量：用精度为0 2 级的温度计，测点位置应按气体动 力学有关规定设置。 涡轮进、出口废气温度测量：用精度为0 5 级的温度计，测点位置应按气体 动力学有关规定设置。 冷却水和机油温度测量：可使用精度为2 级的温度计测量。 环境温度测量：可使用精度为0 5 级的温度计测量。 ( 4 ) 空气湿度测量：可使用空气相对湿度计进行测量。 ( 5 ) 流量测量 空气流量：用精度为1 级的孔板流量计或其他流量计测量。 冷却水和机油流量测量：可用浮子流量计测量或用称重法进行测量。 ( 6 ) 测量仪器要求：测试、测量用的压力表、温度计及其他测量工具应有上 一级计量单位颁发的检定合格证。 ( 7 ) 工况点的测量：试验中每工况需稳定5m i n 后方可进行测量，每一工况 应测量2 次，测量数据填入记录表。 ( 8 ) 零部件的测量：增压器零部件的测量由专人负责，使用检定合格的量具 进行测量。试验前后的测量，原则上由同一人在相同的条件下进行。 j e 夏至重盍堂工程亟堂焦监室缝匿墨王挂厘堡皇运红些撞 2 4 本章小结 本章系统的介绍了增压器的工作原理和运行监控的实现。首先以涡轮增压器 为主，介绍其工作原理及其构造，并对其作了整体概述：然后，以增压器与内燃 机检修的关系作为一个重点详细分析了增压器的故障现象及原因，并以增压器的 试验条件及试验规则来说明增压器状态检测的项目及测量精度要求。 1 4 3 监测系统设计 结合本监测系统的功能及实现目的，整体设计分为硬件设计和软件设计两部 分。硬件设计包括系统各部分的电路如何实现，而软件设计则是应用单片机编程 及地面软件编程，实现数据的采集、存储及处理，达到故障判断预测的功能。该 装置系统主要由车载数据采集报警装置、数据转存盒、地面数据处理系统等组成， 车载部分则包括控制盒、接线盒、传感器等。下面分别介绍各组成部分的工作原 理。 3 1 车载数据采集系统 车载数据采集报警装置通过检测柴油机转速、增压器转速、机体振动、废气 排气温度、空气出口压力、机油进口压力以及加载情况等指标，来判断增压器运 行状态的好坏。为保证检测的实时性，系统每秒采集一次数据同时显示该组数据， 如采集数据出现异常则装置报警；柴油机正常工作时每分钟存储一组数据。由于 需要记录惰转时间，因此在柴油机停机过程中装置每秒钟存储一组数据，以便于 记录增压器惰转时间。考虑到增压器是连续工作的，启机工作时间一般为几个小 时甚至十几个小时，数据采集量非常大，经研究计算确定采用1 m b 的存储芯片， 因此该装置能够保存一个月以上的数据和相应的时间信息，并具有数据查询、时 钟调整、机车型号、增压器型号设置、数据清除、数据发送等功能。 3 1 1 车载部分功能介绍 该采集装置主要由传感器、信号取样电路、c p u 控制电路、d c d c 电源模块、 存储器、数据转存盒等组成。采集装置工作时，c p u 不断采集增压器工作数据，根 据采集到的数据来判断增压器工作状态，当c p u 判断出增压器故障后，发出报警 指令，并及时存储数据，以提供故障判断的依据。信号取样电路的设计，使本采 集装置可适用于各种型号的内燃机车，该采集装置有显示、报警、存储、数据转 存等功能，电路设计合理，结构紧凑体积小，抗干扰能力强，显示故障直观。经 试验各项指标均达到使用要求。 车载数据采集报警装置电路原理图如图3 一l 所示： 韭塞窑擅盔堂王猩耍堂焦盗塞 些型丕蕴超让 i i o v + + 2 i v + l 烈；i 图3 一l 车载数据采集报警装置结构图 ( 一) 数据转存盒电路如图3 - 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示： 图3 - 2 数据转存盒电路( a ) 1 6 图3 - 2 数据转存盒电路( b 图3 - 2 数据转存盒电路( c ) ( 二) 接线盒的用途是将各种传感器信号、柴油机转速信号及电源线集中在 一起，然后再由一根屏蔽电缆线与主机连接。如此设计便于接线。 接线盒中信号线在接线排上位置的定义 p l+ 1 i o v p 2 1 1 0 g p 3+ 2 4 v 1 7 p 4n u l l p 5 气压 p 6 油压 p 7+ 1 2 v p 81 2 v p 9 振动 p i og n d p 1 1 加载 p 1 2 柴油机转速 p 1 3 柴油机转速 p 1 4 增压器转速 p 1 5 增压器转速 p 1 6+ 2 4 v p 1 7+ 2 4 v p 1 8 温度传感器十 p 1 9 温度传感器一 p 2 0n u l l ( 三) 传感器： 根据机车各部分设计原理及现场实测，可以得出相关参数的范围如下： l 、柴油机转速：0 1 1 0 0r m i n 2 、增压器转速：0 3 2 0 0 0r m i n 3 、废气进口温度：0 8 0 0 4 、机油进口压力：o 1 0m p a 5 、空气出口压力：o o 5m p a 6 、增压器振动：0 1 8 7m s 2 传感器的选择除考虑量程及精度外，还得充分考虑到机车上振动大、电磁干 扰严重等现场实际问题：测量柴油机转速，利用原车载的柴油机转速传感器cf ( 与机车司机室操纵台的柴油机转速表共用) ，安装于柴油机凸轮轴上：对于增压 器转速传感器选型，由于增压器型号为z n 2 5 4 型，因此传感器采用d w b k 型，安装 在增压器压气机的吸气弯头处；振动传感器型号为s d l 4 n 2 0 ，安装在增压器蜗壳体 上；压力传感器采用b p s 3 1 6 ( 按油压、风压的不同