（机械工程专业论文）铁路发电车柴油机实时监测装置的研究与故障诊断.pdf

摘要 铁路是我国的主要交通形式，是国民经济的大动脉。客运车辆中空调 客车已全面采用，发电车担负着全列空调客车的供电任务，其重要性不言 而喻。 铁路发电车均采用柴油发电机组的形式，柴油机基本采用美国康明斯 ( c u m m i n s ) 公司制造的k t a 一1 9 6 2 柴油机。针对目前柴油机的运行参数只 通过乘务员手动记录的现状，本论文研究的主要目的是研究一种体积小巧、 携带方便、能方便在现有机组上安装使用的参数监测装置，使其能自动记 录机组的运行过程中的水温、油温、油压、转速等动态参数，并通过相应 的软件分析，及时显示与分析机组的运行状态，及时预报故障。 本装置通过n o r m d a q 一5 0 0 1 模数转换卡采集柴油机的相关参数，通过 f l u k e5 7 4 手持式精密红外线测温仪检测每个汽缸的排气温度，并通过相 应软件程序处理，可以达到数据实时采集、实时记录、实时显示，并能通 过对数据的处理，并及时预报柴油机的故障。 柴油机信号采集时，在仪表后部的s 、i 、g 三个接线端子处引出电压 信号，通过一特定的信号缓冲放大电路处理后，将信号转换为0 5 伏电压 信号，送入到a d 转换卡进行信号采集。这样既可保证原仪表的正确显示， 又可保证采集到的信号的正确性。 在故障判断中，通过对获取的温度等信号的分析处理，与原设定的上 下阀值进行比较，当数据不在正常范围时，发出相应的报警信息。通过对 6 个汽缸的排气温度检测，并将所测的温度与平均温度比较，如果温差大 于1 5 就认为这个汽缸存在故障。 关键词：发电车，数据采集，实时检测，故障诊断 ij ：苏人学样硕 一学位论文 a b s tr a c t t h er a i l w a yi so n eo ft h em a i nc o l n i n u n i c a t i o nf o n t i si nc h i n a a n di ti s v e r yi m p o r t a n tf o rt h en a t i o n a le c o n o m y a i r - c o n d i t i o n e dp a s s e n g e rt r a i n sw e r e a d o p t e dg e n e r a l l y a n dt h eg e n e r a t i n gt r a i nt a k ec h a r g eo ft h ep o w e rs u p p l y t a s k so ft h ew h o l ea i r - c o n d i t i o n e dp a s s e n g e rt r a i n ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n t o b v i o u s l y g e n e r a t i n gt r a i na r ea 1 1a d o p tt h ef o r l t i so fd i e s e l g e n e r a t i n gs e t a n dt h e d i e s e le n g i n em a i n l ya d o p t e dk t a 一19 g 2d i e s e le n g i n ew h i c hm a d eb yt h e c o m p a n yu s ac u m m i n s a tp r e s e n t t h eo p e r a t i o np a r a m e t e ro ft h ed i e s e l e n g i n ea r er e c o r d e dm a n u a lb yt r a i n m a n t h i sp a p e rs t u d yt od e s i g nas m a l l d e v i c e w h oc a nb em o v e de a s i l ya n dc a nb ei n s t a l l e di ne x i s t i n gg e n e r a t i n g t r a i n ，t h i sd e v i c ec a na u t o m a t i cr e c o r dp a r a m e t e rs u c ha sw a t e rt e m p e r a t u r e ， o i l t e m p e r a t u r e ，o i lp r e s s u r e r o t a t i o n a ls p e e d a n ds oo n ，a n dt h e r e c o r d p a r a m e t e rc a nb ea n a l y z e db yt h es y s t e ms o f t w a r e ，d i s p l a ya n da n a l y z e t h eo p e r a t i o np a r a m e t e ro f t h ed i e s e l g e n e r a t o ri nt i m e p r e d i c tt h ef a u l ti nt i m e t h i sd e v i c es a m p l i n gs i g n a lp a r a m e t e r so ft h ed i e s e l g e n e r a t o rt h r o u g h n o r n l d a o 5 0 01m o d u l u s ，a n dm e a s u r et h ev e n t p i p et e m p e r a t u r eo f e a c h c y l i n d e rt h r o u g hf l u k e5 7 4h o l d i n gt y p ea c c u r a t ei n f l a r e dr a yt h e r m o s c o p e a n di tc a ns i g n a ls a m p l i n g r e c o r d ed a t at of i l ea n dd i s p l a yi nr e a lt i m et h r o u g h d e a l i n gw i t ht h es y s t e ms o f t w a r ep r o c e d u r e ，a n da l s op r e d i c tt h ef a u l to ft h e d i e s e l g e n e r a t o ri nt i m et h r o u g ha n a l y z i n gd a t a s w h e ng a t h e r st h es i g n a lo ft h ed i e s e le n g i n e ，s ，i ，go fb a c kd r a wt h e v o l t a g es i g n a li ni n s t r u m e n t b u f f e ra n da m p l i 如t h ec i r c u i ta n d d e a lw i t h t h r o u g hap a r t i c u l a rs i g n a l ，c h a n g et h es i g n a li n t ov o l t a g es i g n a lo f0 - 5v o l t s ， a n dg e ta d c h a n g ec a r dg oo ns i g n a lg a t h e r e x a c t n e s so ft h es i g n a lt h a ts oc a n n o to n l yc a ng u a r a n t e eo r i g i n a la d p e a r a n c er e v e a l sc o r r e c t l yb u ta l s og u a r a n t e e t ob e g a t h e r e d i nt h et r o u b l ed i a g n o s i s ，t h r o u g ha n a l y s i n ga n dp r o c e s s i n gt os i g n a l s s u c ha st h et e m p e r a t u r et h a ti so b t a i n e de t c a n dc o m p a r i n gw i t ht h eu p p e ra n d i o w e rv a l v ev a l u et h a ta r ee s t a b l i s h e do r i g i n a l l y w h e nt h ep r e s e n td a t aa r en o t i nt h en o r m a lr a n g e s e n d i n go u tc o r r e s p o n d i n gw a r n i n gi n f o r m a t i o n m e a s u r e t h r o u g ht h et e m p e r a t u r eo fe x h a u s t i n gt o6c y l i n d e r s ，a n dc o m p a r et e m p e r a t u r e e x a m i n e dw i t ha v e r a g et e m p e r a t u r e i ft h ed i f f e r e n c e si nt e m p e r a t u r eg r e a t e r t h a n15 。c i tc o u l dc o n s i d e rt h ec y l i n d e rs t o r et h ef a u l ti n k e y w o i d ：g e n e r a t i n gt r a i n ，s i g n a ls a m p l i n g ，t e s to n l i n e ，f a u l td i a g n o s i s 学位论文版权使用授权书 y9 7 5 1 5 8 本学位论文作者完全1 广解学校有关保留、使用学位沦文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的伞部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：螽盂翅 口l ，年( ，月6 日 指导教师签名：豫灌? 中 文。o 占年月莎日 独创性声明 本人郑重声瑟：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过躲作品成暴。对本文麴磅究做出重 要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：荔蓍翅 曰期：伽e 年( 月0 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 铁路是我国的主要交通形式，是国民经济的大动脉，自1 9 9 7 年4 月1 日起，已经 成功实现了五次大提速，列车最高时速达1 6 0 公里。日前从铁道部获悉，明年我国铁 路将实施第六次大面积提速，部分提速干线列车时速将提高到2 0 0 公里。在上海铁路局， 浙赣线已全面开始铺设电气化线路，全列空调列车己全面采用，作为全列空调车的电力 来源一空调发电车也越来越多，它担任了全列火车上的供电任务，其重要性可想而知。 目前，我国铁路上的空调发电车还采用传统的仪表监测参数的模式，柴油机中的各 类参数都采用相应的传感器将信号送到仪表上，通过仪表指针来显示相应的参数，在运 行途中，发电车乘务员每一个小时要进机房巡视一遍，再在车统1 8 1 本子上记录下所有 仪表的参数，以作机组运行状态的记录。也作为技术部门对机组运行状况是否良好的参 考。但目前这种原始的方法既增加了发电车乘务员的工作量，也会因为所记录的数据缺 乏真实性而使技术部门对机组性能状态的严重失控，易造成列车因发电车故障而无法正 常运行。 本研究就是想改变发电车上这种原始的方法，寻求一种简单易行的方案，既可适当 减轻乘务员的工作强度，也可使柴油机参数记录数字化，便于原始资料的永入性存档， 列车回段进库后技术部门也只要从装置中取出相应数据，通过相应软件便显示机组整个 运行过程中的状态，及时发现故障苗头，为实现机器状态修提供可能。 1 2 本论文的研究意义 目前在上海铁路局内，已有空调发电车2 0 0 多辆，但是目前各车辆段对发电车的维 修是以运行时间为标准的，实行的是定期维修，即到时间不管柴油机机组是否存在故障， 都要进入大修段进行解体大修。康明斯发电车国产柴油发电机组大修费用是4 5 万辆， 进口柴油发电机组是1 4 4 万辆，费用相当惊人。而目前各个车辆段对柴油机运行过程 中性能状态的掌握，也仅通过发电车乘务员的运行状态记录来了解，就是说通过乘务员 每小时的柴油机状态参数记录和乘务员的交班记录来实现的。这样不仅增加乘务员的工 作强度，而且由于乘务员中存在业务素质参次不齐和工作责任心不强，一定程度存在着 状态参数记录造假的情况，而且还出现过上班时间机房无一人当班的情况，造成对机组 性能无法及时掌控。在上海局曾多次发生过列车困发电车机纽故障而无法正常发车，严 重影响列车的正常运行，给国民经济造成较大的损失；正因如此也发生过因机组缺油未 及时发现而造成机破的故障，造成近百万的损失，而且事后在事故责任分析时无第一手 记录可查，造成责任难定的结果。 本论文主要目的是研究一种体积小巧、携带方便、能在现有机组上安装使用的参数 科硕十学位论文 监测装置，使其能自动记录机组运行过程中的水温、油温、油压、转速等动态参数，并 通过相应的软件分析，及时显示与分析机组的运行状态，及时预报故障。不需大量改动 发电车的布线结构与柴油机结构，就能在本局铁路发电车上使用的柴油机实时参数检测 装置：如果本装置可以付于实施，将产生如下的意义： 1 能实时检测柴油机运行过程中的各类参数，使机组的运行数据长期保存； 2 通过对参数的多种分析，可及时发现柴油机潜在的故障隐患，便于及时发现故 障，防忠未然，有效减少机破事件； 3 装置可方便直接使用于目前发电车上，减少发电车改装的成本，有效提高发电 车的使用可靠性； 4 本装置的使用可适当减轻乘务员的工作量，为进一步减员增效提供可能： 5 可使部份发电车延长机组的大修临修、中修、的期限，可节省不必要的修理费 用； 6 为发生机破故障时提供第一手资料，提高事故责任分析的正确性； 1 3 国内外研究现状 目前，在发达国家列车所用的机组一般都有先进的实时监测设备，如美国、日本等 已成功将超薄型传感器安装在柴油机内，对发动机的温度及主要部件的配合间隙进行诊 断，并用光纤传感器监测发动机的转速波动，通过润滑油法、性能参数法、振动噪声法 等实时判断机组的状态，实时掌握机组的运行状态，正确及时预报故障，使机组能正常 使用，直到机器达到报废时限，有效减少了维修费用和提高机组使用可靠性。 目前在国内，已有一些单位开始对发电车实时参数检测有了研究，如北方交大的刘 长新等人，曾发表过空调发电车微机监控系统探讨一文，但仅限于理论方案探讨， 并没有正式深入研究；泰航铁路配电厂也曾设计过一套智能化发电车，在上海到厦门的 1 7 6 列车上试用，但终因为其技术原因试用1 个月后没有正式使用；剑湖铁路客车电气 配件厂也曾成功为上海到北京的1 3 、1 4 次列车设计了新一代智能化发电车，可以成功 实现参数检测、自动起机、并车等功能，但由于他采用全新设计，采用p l c 控制方式， 安装复杂，设计成本大，并且不具备故障预报及分析功能，更无法将它移植到其它发电 车中，因此无法在全局推广。 随着铁路竞争意识的进一步强化，提高服务质量，保证旅客的乘车环境，保证列车 准点将越来越重要，作为列车电力来源的发电车也将更受重视。摆脱传统的技术，将微 机控制技术应用到全部发电车中，实现柴油机的故障诊断手段的整体化、高精度化、智 能化、实时化，将发电车的运行故障减少到最少，实现故障的状态修，将成为今后的发 展趋势。 1 4 本文的研究内容 本研究在上海局内属首次研究，利用康明斯柴油机自带的传感器，来检测柴油机的 群硕十学位论文 水温、油温、油压、转速、d c 2 4 v 电压等参数，通过相应的接口电路及a d 转换，送入 到手提电脑( 或台式电脑) 中，再利用红外线测温仪，将6 汽缸的排气歧管的温度检测 后再送入到计算机，然后矛9 用相应的程序对数据进行处理，并可通过对数据的分析来自 动判断出机组的状态，及时发现故障。本文主要完成以下的内容： 1 康明斯柴油机自带的传感器的特性研究及标定： 2 红外线测温仪的选择、i d 卡的选择与接口电路选择与设计； 3 相应程序软件的选择与设计； 4 参数处理与故障分析。 3 江苏人学r 程硕l - 学位论文 第二章康明斯发电车柴油机的结构 2 1 发电车简介 发电车是铁路全列空调列车的电力源，它通过柴油发电机组的模式，利用柴油机带 动一台发电机，将柴油的热能转变为电能，再通过三相四线制二路供给后部列车用电。 目前铁路发电车主要有两种，一类是m t u 发电车，它采用德国的m t u 柴油机作为动力。 另一类为康明斯发电车，它采用美国康明斯( c u m m i n s ) 柴油机作为动力。由于康明斯 柴油机相对经济，目前全路中，康明斯发电车为主流型发电车，如在上海铁路局中，共 有2 0 0 多辆发电车，其中仅有5 辆为m t u 发电车。 康明斯发电车中的柴油机采用k t a 1 9 g 2 型柴油机，早期发电车采用重庆康明斯 公司( 重庆汽车发动机厂) 制造的国产机组，后期的发电车主要采用进口柴油机组。柴 油机为直列六缸四冲程、水冷、废气涡轮增压，缸径为1 5 9 m m ，工作行程为1 5 9 m m ， 总排量为1 9 升，额定功率为3 3 6 k w ，额定转速为1 5 0 0 r p m 。发电机基本采用无锡电机 厂按照德国西门子公司许可证制造的1 f c 5 系列发电机，也有部份发电车采用柳州电机 厂、山西汾西机器厂制造的1 f c 6 系列发电机，还有个别发电车采用上海马拉松革新 电气有限公司根据美国马拉松电气公司( m a r a t h o ne l e c t r i cu s a ) 提供的m a g n ap l u s 图纸改进设计的m p t 一3 0 0 4 新型无刷发电机。 发电车中共设有五室，依次是厕所、休息室、控制室、动力室、冷却室。动力室是 发电车的心脏，装有三套3 0 0 k w 的柴油发电机组；控制室是发电车的操作中心，设有四 个控制屏，可远程控制机组的启停以及对外的配供电，并可从相应仪表上监控机组的运 行状态参数。 康明斯发电车柴油机在运行中可实现以下保护： 超速停机保护：17 2 5 r p m 高水温停机保护：1 0 2 。c 低油压停机保护：8 3 k p a 低水温报警保护：4 0 高水温报警保护：9 5 。c 低油压报警保护：1 3 5 k p a 2 2 康明斯柴油机的主体结构 康明斯发电车采用康明斯k t a 1 9 g 2 型柴油机，其型号中k 表示康明斯公司k 系列 柴油机( k 系列：缸径冲程= 1 5 9 m x 1 5 9 m m ) ，t 表示增压( 发电车为废气涡轮增压) ， a 表示空气中间冷却，1 9 表示汽缸总排量为1 9 升( 1 8 9 升，即1 1 5 0 立方英寸) ，g a 示 该柴油机作发电机组用，2 表示该柴油机为第二次改进。其柴油机的外型视图如图2 1 4 科硕k 学位论文 与2 2 所示。 图2 1k t a - - 1 9 g 2 柴油机左视图 1 中冷器2 调速控制箱( 移至控制屏内) 3 空滤4 转速传感器5 油压传感器6 机 油全滤器7 油标尺8 通风管9 柴滤( 后部油底壳上有油温传感器和机油加热器) 1 0 硅油减振器( 内)1 1 p t 泵飞轮( 内)1 2 p t 泵( 带电磁阀) 1 3 齿轮壳1 4 凸轮轴( 内) 1 5 盘车轴 图2 2k t a 一1 9 g 2 柴油机右视图 1 空气阻力指示器2 废气涡轮增压器3 高温出水管4 曲轴箱通风器5 = 爷温器壳6 水温传 感器7 排气歧管8 d c 2 4 v 硅整流充电发电机9 水泵1 0 机油泵1 1 d c a 水滤】2 机油冷却器 13 水加热器1 4 起动马达1 5 机油旁通滤清器 5 机体是用来安装柴油机所有固定件和运动件的刚性构架，它采用优质合会狄铸铁经 整体铸造而成。油底壳起着储存机油的作用，在油底壳左右侧设有磁性的放油堵，柴油 机左侧设有油标尺，用来检查润滑油位，保证机组正常润滑。在机体左侧的油底壳中， 设有检测机油温度的传感器。 。 汽缸盖安装于机体上部，它的主要作用是密封汽缸上平面，并与汽缸套及活塞顶部 构成燃烧室空间。该柴油机汽缸盖是一缸一盖，每个汽缸盖上有四个气门( 双排双进) ， 四个气门中间是燃油喷油器孔，其上还布置有进、排气通道和冷却水腔。 汽缸套安装于机体汽缸座中，对活塞起导向作用。发电车柴油机采用湿式汽缸套， 冷却水流动于缸套与机体水腔之间，再从机体出水孔进入汽缸盖。内表面为圆筒形状， 表面经过磷化与研磨处理有很高的防腐能力和抗磨性能。在缸套底部有一凸出圈环带， 上装有3 个嗣热耐油的“o ”型橡胶密封圈。 活塞的顶部与汽缸套、汽缸盖共同组成一燃烧室，并在做功冲程中，将燃气的压力 通过连杆传给曲轴。发电车柴油机活塞采用耐热性和耐磨性良好的共晶硅铝合金铸造。 活塞环可分为气环和油环两种。发电车柴油机采用二道直切口的梯形气环和一道内撑弹 簧式油环，气环在上油环在下。活塞环的主要起密封、传热、支承、导向、刮油并使油 均匀分布的作用。当活塞环安装在活塞上时，应按规定将各环的开口处互相错开( 一般 是互相错开1 8 0 。或1 2 0 。) ，以免漏气，还要注意不要将开口处放置在活塞销轴向面和 垂直面上。 连杆上连活塞下连曲轴，在发动机工作时，连杆受到很大的气体压力和往复惯性力 及摆动力矩的作用。连杆杆身为工字形，杆身内部还钻有油孔，用以将润滑油引至活塞 销。 曲轴作用是向外输出扭矩以驱动发电机发电和柴油机自身的一些附件。发电车柴油 机曲轴采用4 2 c r m o a 合金钢锻造后经全纤维挤压成形而成的整体式曲轴，曲轴自由端装 有曲轴齿轮、法兰和减振器，输出端装有飞轮。发电车柴油机的发火顺序为l 一5 3 6 2 4 ，发火间隙为1 2 0 。曲轴转角。 飞轮位于柴油机与发电机相连的连接箱内，它是一个带有1 4 2 个齿的铁轮子，它的 功用主要是贮能、测速和起动。在左侧的飞轮壳上安装有一个测速传感器，测速传感 器感应发电机组转速信号，当每一个飞轮齿旋转通过磁性转速传感器时，就会在线 圈内产生电脉冲信号，脉冲信号发生的频率就可反应柴油机的转速。 2 3 柴油机的辅助系统， 配气机构是柴油机换气过程的控制机构，是根据柴油机汽缸的发火顺序和配气相 位，准确、及时地开启和关闭进、排气门。发电车柴油机的配气机构由气门机构和气门 驱动机构两部分组成。具体部件的结构形状如图2 3 所示。 图2 - - 3 配气机构工作简单示意图 进排气系统的作用是向汽缸提供清洁充足的空气，同时尽可能干净地排出汽缸中燃 烧膨胀作功以后的废气。发电车柴油机上采用了废气涡轮增压加中冷的方式来提高进气 量，废气涡轮增压是指废气涡轮增压器利用柴油机汽缸排出的废气推动涡轮转动，带动 增压器运转来提高进入汽缸的气体压力，从而来提高进气密度。 康明斯k 系列柴油机采用独家特有的p t 燃油系统，p t 燃油系调节喷入汽缸中的供油 量所依据的基本原理是：液体通过某一通道的断面流量是与液体的压力、流过的时间和 液体流过的管道的截面尺寸成正比的。p t 燃油系统中喷油器量孔的通道横截面积可以认 为是不变的，喷入燃油的计量时间取决于发动机的转速，在转速一定时，计量时间不变， 此时只要改变油压即可调节喷油量。 k t a 一1 9 g 2 型柴油机装有机械式和电子式相结合的调速器。机械式调速器安装在p t 泵内部，为怠速和高速( 两极式) 机械离心式调速器，它利用不同转速下飞锤的离心力 大小不同，推动调速轴的里外伸缩，控制泵内出油口大小，进而改变进出油口的油压差， 控制每循环油量。 在p t 泵燃油出口处有一个电磁和手动两用的电磁阀，它的功用是停机时来切断供至 喷油器的燃油通路。发电车上电磁阀采用d c 2 4 v 控制，为常闭式。当电气故障时，起机 时可拧进手动旋钮迫使阀板顶开，需紧急停机时将旋钮退出使之断油停机。 在柴油机中，机油主要起着润滑作用、冷却作用、清洗作用、减震作用、密封作用 和防锈作用，发电车柴油机采用压力式润滑，其特点是机油通过机油泵加压，再经过冷 却、滤清后供给柴油机运动件润滑。发电车柴油机机油系统由油底壳、机油泵、机油冷 却器、机油全程滤清器、机油旁通滤清器和有关机油管路组成。在发电车上，通过油底 壳的机油温度传感器检测柴油机机油的温度，通过机油全滤器座上的油压传感器检测机 油工作压力，并有低油压报警和低油压停机两传感器保护机器。 发电车柴油机采用较为普遍使用的水冷却方式，通过冷却水的流动，带走汽缸套、 汽缸盖等高温部件的温度，以保证机组工作在一定的温度范围内。冷却系统由柴油机内 和机外两部分组成，系统内设有三类水温传感器，它们分别是安装在节温器壳上的水温 样硕十学位论文 表传感器、高水温报警传感器( 9 5 。c ) 、高水温停机传感器( 1 0 2 。c ) 和安装在冷却水 管路中的冷却风机自动起停控制传感器( 8 5 。c 矛u 6 54 c ) 。康明斯发电车的冷却水是一个 封闭式循环，当不同温度时，节温器会控制冷却水的流向，因此有了以下的大小循环的 区别。 、 大循环： 厂d 淋滤t 撇糊器一敞扣黼盖一黼中梏 l 啼才毛琴j 啼空气中间冷却器呻节温影o k n 开) l 一散热器j 小循环： 广砌水溏- 广一机油冷却器汽缸套，汽缸盖一高温半水管 l ，才毛豕上空气中问冷却器，节温器+ ( 小阀开) 。【。一 节温器位于柴油机自由端，它的作用是随柴油机水温的高低自动改变流经散热器的 水量大小，以保证柴油机处于最佳温度( 7 4 9 1 ) 下工作。发电车柴油机是采用蜡式节 温器，它的基本原理是利用蜡管中蜡的热胀冷缩来控制其上的大小阀门开度大小，从而 来改变冷却水大小循环的水量大小。当水温低于7 6 。c 时，全为小循环，当水温高于8 6 时，全为大循环，当水温介于两者间时，冷却大小循环同时进行。 2 4 柴油机的调速控制与启动 发电车上电子调速( e f c ：e l e c t r o n i c - - f u e l - - c o n t r 0 1 ) 系统可自动根据负载的大 小来自动调节每循环的供油量，从而控制转速。发电车上的调速原理简述如下： 电子调速器主要由电磁测速传感器、调速控制器、执行器三部份组成。发电机 组运行时，由转速传感器感应发电机组转速的变化情况。装在飞轮壳上上转速传感 器头部距飞轮齿顶约1 2 7 r a m ，当每一个齿旋转通过磁性转速传感器时，就会在线圈 内产生电脉冲信号，脉冲信号发生的频率就可反应柴油机的转速，如齿数为1 4 2 齿 时，当转速为1 5 0 0 r p m 时，则传感器每秒钟测到3 5 5 0 个电脉冲。这个高频信号送 入调速控制器，该信号与预先设置的3 5 5 0 h z 的参考信号作比较，如果频率有偏差， 则改变通往执行器的电流大小，来改变油门大小，从而改变流向喷油器的燃油压力， 以改变喷入气缸中的燃油量来控制柴油机的转速或功率。整个调速控制原理如图2 4 所示。 8 图2 4 发电车调速控制原理图 转速传感器安装在飞轮壳左侧，为永久磁芯上绕着线圈，通过导磁性外壳在端部形 成磁极，当端部有导磁性齿轮经过时，线圈中感应脉冲，脉冲代表齿轮的转速，即柴油 机的转速。它主要提供控制板( 调速板) 、超速板和转速表的电信号输入。线圈电阻： 3 0 0 q ，电感：9 8 毫亨( 1 0 0 0 h z 时) ，输出电压：a c1 5 3 0 v ，工作温度：- - 5 5 1 0 5 。安装时传感器旋入顶紧飞轮齿端，退出1 2 3 4 圈，锁紧，此时间隙约为o 7 1 1 m m ，此时旋入则感应电压上长，退出则压电压下降。 执行器的作用原理为线圈内通直流电，衔铁的斜口端( 外端) 产生扭矩与弹簧力平 衡，带动转子转动，调整出油口的开口大小，从而使柴油机的转速变化。执行器为常闭 式。执行器的控制电压为直流2 4 v ，线圈电感为1 2 0 _ _ _ 2 0 毫亨，反应时间为1 5 毫秒。 执行器发生故障时一般会是游车或飞车。 发电车上常用如图2 5 所示的仪表箱( 机组面板上是没有中文的) 。 在面板上部是一排报警指示灯，左边是停机报警指示灯( s h u t d o w n ) ，主要有超 速停机( o v e rs p e e d ) ：1 7 2 5r p m 、低油压停机( l o wo i lp r e s s ) ：8 3 k p a 、高水温停机 ( c o o l l a n t ：h i g hw a t e ry e m p ) ：1 0 2 。c 、遥控停机( r e m o t es t o p ) ，当出现上述几种情 况停机时，红色指示灯就会亮，发出光报警。右边是四盏预报警指示灯，主要有低油压 ( l o wo i lp r e s s ) ：1 2 4 k p a 、机器高温( h i g he n g i nt e m p 、实际上是高水温) ：9 5 、 低水温( l o ww a t e rt e m p ) ：4 0 。c ，还有两个一个是试灯( l a m pt e s t ) ，另一一个是试灯 按钮。中问是6 个仪表指示，依次为：油压表( o i lp r e s s ) 、转速表( t a c h ) 、油 温表( o i lt e m p ) 、2 4 v 电压表b a t t e r y ) 、机组运行时i 司记录表( h o u r s ) 、水 温表( w a t e rt e m p ) 。整个仪表箱中仪表的系统原理图如下( 图2 6 ) ： 图2 6 柴油机仪表系统原理图 发电车上所使用的所有康明斯仪表都采用正交线圈型仪表，正交线圈的原理如下： 二个正交的线圈，一个线圈通恒定直流电流，产生恒定磁场( b o ) ，另一个9 0 。线圈和 传感器串联，其电流随传感器的阻值( 即温度、压力的变化) 而变化( b l 、b 2 ) ，二线 圈中的磁铁随之转动，指向合成方向b 1 或b 2 ，转动角度即代表相应的温度或压力值， 如图2 7 所示。 图2 7正交线圈的原理 正交线圈型仪表具有以下的特点：线圈固定，磁钢片带动指针转动，结构简单、重 量轻、耐振、寿命长，寿命达5 0 0 0 1 0 0 0 0 小时；在2 0 v 3 2 v 间电压时，都能正常指 示。康明斯柴油机上的几个仪表正常工作时的状态如下表： 发电车上油压与油温传感器安装在机油全程滤清器座上方，水温传感器安装在节温 器壳上，转速传感器安装在左侧飞轮壳上。温度传感器是负电阻式( 温度增加传感器电 阻减小) 热敏电阻，压力传感器为滑线电阻式。 调速控制板简称调速板，是柴油发电机组稳定运行、发电的关键器件，一旦损坏， 江苏人学，r 群硕十学位论文 将直接造成无法发电而影响列车的正常供电。因此了解调速板的结构与原理十分重要。 发电车上所用的调速板一般为常闭式，调速板上安装的调速控制器有四个电位计， 供进行系统调整用，他们依次是： g a i n ：增益控制调整旋钮。 d r o o p ：转速降控制旋钮又叫调速率电位计。 i d l es p d ：怠速控制调正旋钮。 r u ns p d ：在康明斯资料中称为高怠速，实际上是空载转速。 超速保护的目的是防止电机转子飞损。发电机飞车设定一般为+ 2 0 ，柴油发电机 组一般设为1 5 ，即发电车为1 7 2 5 r p m 。超速板的命名是速度开关板，超速板原理：转 速传感器接收到柴油机的转速信号，经频率一电压变换器( f v ) 转换成相应的电流信 号，以限压电阻产生电压，和设定的电位器( c w ) 比较，在相应转速上继电器动作， 发出灯指示，继电器触点供外电路使用。 当同时按下起机按钮( c r a n k ) 时，电压表下跌到2 2 v 或以下( 但不能低于1 9 v ) ， 听到马达正常转动，转速表显示2 5 0 3 5 0 r p m ，一般可在1 3 秒内引爆，后立即松开 c r a n k 拨钮，随即当低油压灯灭时，松开三位开关。起动成功后，转速迅速上升，达 到6 0 0 7 0 0 r p m ，机器怠速运行，此时开始转速会慢点，特别是气候较冷时。油压表指 向o 3 o 4 m p a ，计时表开始走动，主发电机电压1 2 0 2 0 0 v ，频率表无变化( 实际上 并非无频率，而在2 0 h z 左右) ，充电发电机开始发电，电压表电压缓缓上升到2 8 v 。 当将机器怠速运行开关打到运行位时，柴油机转速迅速上升，发出巨响，很快升 到1 5 0 0 r p m ，主发电机电压升到4 0 0 v 左右，频率表升到5 1 h z 左右，超速板中灯亮， 油压上升到o 4 o 6 m p a ，油温、水温表上升，油温在6 0 9 0 间，水温在5 0 8 5 间。当负载加大时，油温、水温都将适当上升。 江拐：人学程硕1 一学位论文 第三章数据采集一般知识 3 1 传感器技术 广义上讲，传感器是一种能把特定的信息( 物理、化学、生物) 按一定规律转换成 某种可用信号输出的装最，狭义上讲，能把外界非电信息转换成为电信号输出的器件， 在国家标准o b 7 6 6 5 8 7 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律 转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测 装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信 号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等 要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 3 1 1 传感器的类别 随着信息技术的迅速发展和应用的普及，世界上传感器品种达到3 万余种。传感器 种类繁多，有多种分类方法，简述如下： 1 、按被测量分类：包括物理量、化学量和生物量传感器； 2 、按测量原理分类：包括电压式传感器、电阻式传感器、电流式传感器等； 3 、按输出信号型式分类：包括数字传感器和模拟传感器； 4 、按电源型式分类：包括无源传感器和有源传感器： 5 、按制造工艺分类：包括集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器； 6 、按所用材料分类：包括金属、聚合物、陶瓷和混合物； 7 、按材料的物理性质分类：包括导体、绝缘体、半导体和磁性材料； 8 、按材料的晶体结构分类：包括单晶、多晶和非晶材料。 3 1 2 传感器的特性 传感器的特性包括动态特性、静态特性、灵敏度、分辨力等。动态特性是指传感器 在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准 输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得， 并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知 道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感 器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀 刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度( 非线性误差) 就 是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输 出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论 直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y 对输入量变化x 的比值。它 是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，m 0 灵敏度s 是一个常数，否则它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之 比。例如，某位移传感器，在位移变化l m m 时，输出电压变化为2 0 0 m v ，则其灵敏度应 表示为2 0 0 m y m m 。当传感器的输m 、输入量的量纲相同时灵敏度可理解为放大倍数 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈 差。 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力，也就是说，如果输入量 从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变 化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时， 其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满 量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述 指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 迟滞特性表征传感器在正向( 输入量增大) 和反向( 输入量减小) 行程间输出输入 特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值a m a x 与满量程输出f s 的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 3 1 3 传感器的选用原则 传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因 此，要根据需要选用最适宜的传感器。 l 、测量条件 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使用的 目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。测量 条件主要有即测量目的、测量量程选定、测量的范围、输入信号的带宽、要求的精度， 测量所需要的时间、过输入发生的频繁程度等。 2 、传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟信号 或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保护。 3 、传感器的使用条件 传感器的使用条件即为设置的场所，环境( 湿度、温度、振动等) ，测量的时j t 白j ，与 显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。 3 2a d 模数转换技术 3 2 1 模数转换原理 数字系统只能对输入的数字信号进行处理，其输出亦为数字量，而我们在实际中碰 到的备种变量如压力、温度、速度、流量，天线转轴的转角、仰角等等，大都是连续变 1 3 化的模拟量，要实现数字系统对各种自然物理量的检测、运算和控制，在工程上可以通 过传感器、换能器将这些连续变化的物理量变成与之相应的电压、电流或频率等电模拟 量，再通过模拟量与数字量之问的相互转换，即把模拟量转换为数字量，以适应数字系 统的工作，数字系统输出的数字量亦需要转换为模拟量才便于运用。 我们把模拟量转换为数字量的过程称为模拟一数字转换，把完成这种转换的装置称 为模拟一数字转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) ，简称为模数转换器或a d c ( a d ) ；把数字量转换为模拟量的过程称为数字一模拟转换，把完成这种转换的装置称 为数字一模拟转换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ) ，简称为数模转换器或 d a c ( d a ) 。 模数转换一般要经过取样、保持、量化和编码四个步骤： 所谓取样，是对一个时间上和量值上连续变化的模拟量按一定的时间间隔抽取样 值。因此所谓将模拟信号转换为数字信号，实际上只能将模拟信号的有限个取样值( 即 离散的模拟量) 转换为数字信号。同时，为了保证转换的确定性，在转换过程中取样值 应保持不变，这就是保持过程。量化过程是一种非线性过程，它是将幅度连续变化的输 入信号变换成一组幅度不连续的输出信号，即数字量。因取样一保持电路输出的信号本 质上仍然是模拟信号，若用一单位量去测量它并取其整数，对于不足一个测量单位的剩 余部分采取近似处理，然后将测得的数值用一个二进制代码表示，这就是从模拟到数字 的转换过程。一般把取整量的过程叫做量化，量化过程产生的误差称为量化误差；把用 代码表示量化电压的过程称为编码。应注意，一个给定的数字输出对应于一个小范围的 信号输入，而不是只对应一个点有效，这个范围就是代码的“宽度”。为了得到理想性 能，每个代码的宽度( 极值处除外) ，应该为一个l s b 宽，当宽度在3 2 * l s b 到i 2 * l s b 之间变化时，其性能一般是允许的。如果一个代码的宽度变窄到使其消失的程度，则此 模数转换器将不会输出那个代码，即形成“失码”，这是不容许的。 常用的模数转换有：逐次逼近比较型a d 转换器、双积分型a d 转换器。逐次逼 近比较式d v m 的准确度由基准电压、d a 转换器及比较器的准确度和稳定度所决定。转 换时间是由时钟脉冲频率和输出数码的位数决定，特点是测量速度较快，每秒可达数千 次；但对混入被测电压中的干扰抑制能力较差；双积分式d v m 的准确度主要取决于比较 基准电压的准确度和稳定度，而与积分参数r c 无关；双积分式d v m 对串入的对称性交 变干扰有很强的抑制能力，但转换速度慢。 3 2 2 a d 转换卡的分类 按照采集信号的类型分：模拟量输入输出、数字量输入输出、定b , i 计数等三种； 按照采样速度可分成低速、中速和高