大功率系列柴油机试验装置方案设计与评估

技术报告

大功率系列柴油机试验装置

方案设计与评估

川东钻探企业机械厂

12月25日

大功率系列柴油机试验装置

方案设计与评估

项目完毕起止时间：3月-12月

项目重要研究人员：

项目参与人员：

汇报编写人：刘衍琴

汇报审核人：

项目负责人：肖光平

川东钻探企业机械厂

12月25日

目录

第一章.设计方案概述：

第二章.试车工艺装置构.

第三章.试验装置系统

第四章设备配置及慨算

第一章.方案设计概述:

川东钻探企业机械厂是川东天然气勘探开发钻井动力设备口勺修理单

位,重要修理12V190系列和3512系列柴油机。其中12V190系列每年修理

能力在50至60台套，其修理质量和性能的好坏直接影响钻井勘探及开发。

华随钻井工艺技术时提高，原有柴油机设备新旧系数日勺下降，大功率柴油

机在钻井作业中日勺作用发挥愈加明显。但我厂目前的工艺检测设备只能测试

其扭矩。对燃油消耗量、各缸进排气及进、出水温度、燃油压力等有关技术

参数难以检测。因此迫切需要对原有试车检测装置进行技术研究改造，以满

足大功率柴油机型H勺需要。

由我厂提出对试车装置进行技术研究和完善，重要是为大功率柴油

机型进行检修提供一套完善H勺检测系统，使其测试性能愈加可靠，理论数

据愈加精确，变化目前测试参数单一（只能测试扭矩）的现实状况。目前的试

车工艺装置是我厂80年代自主设计及制造口勺，其构造简朴，重要唯一设备

（P1500水力测功器）陈旧,所测参数单一，测量精度差,数据记录不精确,

并且配套设施存在许多局限性：无排气、消声、减震系统，油污排放系统，测

功设备用水循环系统，导致了极大H勺噪声、环境污染及水资源的大量挥霍,

难以满足既有测试工艺口勺需要。为了满足大功率柴油机修理试车需要，提高

柴油机综合参数、技术指标，对既有柴油机试车装置进行技术研究改造具有

很好的必要性。

方案设计遵照如下原则:

1.为保持我厂对大功率柴油机修理在同行业中的领先地位，本次技术

研究改造中测试设备选型应瞄准国内外先进水平，即改造完毕后对大功

率柴油机修理能到达国内同类产品的水平，并在同行业中领先。

2.设计中认真贯彻企业有关技术改造的方针政策，突出重点针对新

建工房的实际需要，着重处理大功率柴油机修理所需日勺设备和配套设施工

艺条件，使产品H勺技术性能到达修理设备的原则

3.为了实现对大功率柴油机日勺修理，在建立新的柴油机功率试验装置

的同步，加强同国内测试设备制造厂家的技术合作，以提高测试技术的能

力。

4、充足运用工厂既有日勺设施、工装，节省投资，加紧技术改造。

5.选用的设备和检测仪器是技术先进的，尽量选用直观H勺数显设备。

6、项目建设严格执行国家环境保护，职业卫生，消防日勺有关法规，

7、考虑到钻井市场的发展变化，对关键检查装备设计按年80——90台

口勺原则生产配置。

目的：根据柴油机技术参数、技术指标规定，我们通过对多种方案的精

心比较、优化，确定的该套试车系统具有技术先进性，高可靠性、易维护

性等长处，

(1)、技术先进性：本测试系统通过对试验台设备备置，保证

其技术水平先进。

(2)、高可靠性：本测试系统通过柴油机和测功器在运行过程

中多种故障的状态监控和自动保护，使测试设备运行愈加安全可靠。

（3）、易维护性：本系统通过采用高度集成模块系统，使系统

更易于使用、互换、管理、维护。

第二章、试车装置

为了减少柴油机试车时产生的噪声，保障周围有一种好H勺

工作环境，根据新建工房构造框架，与工房连接处设置全封闭混凝土构造

式验房，（如下图）。试验房的试验室内台架基础和混凝土构造由建筑施工

单位应根据现场地基H勺土质构造设计确定。

第一节：试验减振底座基础

由于柴油机在进行试验时、会产生强烈的振动，必须用一种减振底座（大平底板）来固定它:

一般状况下，测功器和柴油机安装在同一种基础上，（如图）：

讹》I蛤大

基础深度应为1.5〜2叫基础口勺长宽按大平底板构造尺寸确

定，基础边缘应宽于台架边缘约150mm（单边）。基础设计应有足够的质量,

以使试验台的振动降至最低H勺程度，假如振动大，将会影响待试设备H勺精

度和质量。基础用高于90号混凝土浇注，配料按体积1份水泥，2.5份河

沙，4份石子；浇注时应对平底板固定日勺位置预留地脚螺栓孔。在平底板基

础的三周设置排污暗沟和放油槽，排出的污油、污水将流向工房外用污水处

理装置集中处理，喑沟上铺设钢栅网板供操作用，钢栅网板下布置油、水、

气管线。基础周围应采用有效时隔振措施，减少试验台W、J振动能量向外界传

澧，措施是在混凝土基础下面垫一层黄沙，在基础四面开200毫米宽、800

毫米深的防震槽。试验证明：在邻近建筑物不产生共振的状况下，振幅不得

不小于0.05-0.1毫米，为了防止振动向外传播，保证周围地面和建筑物有

很好的隔离，所有联接管线尽量采用活动软管。

第二节试验房构造

试验房房体构造规格为14mX8n】X7m（长X宽X高），总面积112平方，提

成柴油机试车房、控制室二部分。

柴油机试车房内部净尺寸为：长X宽X高=10nlX7.5mX6m,（供参照）

控制室内部净尺寸为：长义宽X高=3.5mX7.5mX6m,（供参照）

2.1.柴油机试车房房体构造规定具有足够的强度；在门、窗和通风管开

口处均布置次构造。为了变化室内对外部产生噪声，到达室外噪声原则,

需在室内面和室顶布置吸声吸音材料。

2.2.为了保证工房待试柴油机装在平车上进入试车室，在室顶设单轨

10吨电动葫芦1台，用于柴油机和测试设备的起吊。

2.3.为了保证试车间、控制间及所有设备的安全，规定设置消防器材。

2.4、房体前端位置设电动控制隔声降噪门，隔开室内试车噪声向外传

播，同步保证柴油机装在平车上能顺利进入。

2.5.控制室和试车室之间设手动侧开门，侧开门背面用不锈钢微孔板；

内腔填充吸声材料；门周围采用硅胶成型密封材料。

2.6、控制室隔声观测窗规定采用双层防爆组合式玻璃构造，密封性要

好，隔声量要高，观测清晰，

2.7、为了保证控制室温度配置壁挂试空调一台。

2.8、试验室两侧墙面上设4盏可调角度日勺投射迅速起动冷光金属卤素

灯，

控制间设独立嵌入式动力配电箱，具有电源过载保护和火警自动切断电

源并报警灯闪烁，配电箱内对起动电源、照明电源（含行车、插座）、测

控系统单独分路控制。

试验间、附属设施间各墙面设置防爆型电源接插口，布置5孔220V插座,

3孔380V插座。

2.9既有试车装置在试车过程中会产生巨大的噪声，重要是气体动力性

排气噪声，没有进行消声降噪，其噪声等级均达100分贝以上。危害性

很大，能影响人们日勺正常生活和工作，减少劳动生产效率，特强的噪

声还能损坏建筑物，影响设备H勺正常运转。常常在90分贝以上的I噪声环

境中工作会损伤听力，产生噪声性耳聋。据调查既有动修工产生噪声性

耳聋日勺达70%,环境保护检测柴油机试车过程产生U勺噪声在110-120分

贝内，资料表明；工厂口勺生产车间每天工作8小时，容许持续噪声为9Q

分贝，在任何状况下持续噪声不应超过115分贝。柴油机的容许噪声值

必须不不小于80分贝，才能符合国标。

排烟废气也没有排出室外，直接在室内流通，对室内工作环境危害很

大。烟气中具有某些有毒金属，对人体导致较大影响。为了保证柴油机

修理试车工艺H勺完整性，满足柴油机试车需要，因此需在试车房体内设

置柴油机排气系统：（如示意图）

排气系统日勺管径要考虑排气背压，伸出不能过高，过高会增大排气背压,

影响柴油机的性能。废气要排出室外，排气系统管伸出房外设消声器和防

雨消音帽，到达降噪效果。排气管材规定采用耐高温材料外包隔热层，房

内与柴油机排气口连接处采用耐高温不锈钢垂直伸缩波纹管。为满足不一

样柴油机测试，室内排气支架设计要有1800旋转功能。配置烟度仪重要

对柴油机排气烟度进行测量。

综上所述，控制柴油机试车过程中产生H勺噪声势在必行。

采用控制措施：安装阻抗型复合式消声器，可减少柴油机气体动力性噪

声40_60分贝。

2.10柴油机在封闭日勺试车室内作业时，燃烧需耍空气，因

此需配置通风换气系统，采用下送上抽方式，目的是排出室内日勺热空气，

保证室内温度，同步要将泄漏的柴油机废气及时排出室外，保证柴油机正

常工作。

第三章：试验装置系统

试验装置H勺设计规定：安装在试验装置上的柴油机能模拟实际使用

条件或尽量日勺靠近实际使用条件；更便于安装、调整、检查和更换柴

油机零部件；能以便H勺安装测定柴油机各项参数的精密测量仪表，并

能保证有足够口勺测量精度；操作简便、可靠、有应急安全装置，尽量

自动化。

柴油机试验装置由下列几部分构成：

1试验测功装置系统

2测量和操作控制系统

3试验公用设施系统

第一节试验测功装置系统

测功装置系统由大平底板、中间底座和挠性传动轴、水涡流

测功器等构成，由测功器生产单位提供。如图；

1.1.大平底板示意构造图：

平板用固定螺丝连接在试验装置基础上，平板与基础间放有橡胶减振垫层

减少振动。平板表面开设有数条T型槽，用于安装中间底座和柴油机固定支

架，安装时平板应当保持水平，其偏差应不不小于0.1毫米。平板设计要充

足考虑柴油机底座构造尺寸和中间底座构造尺寸（平板设计规格为长x宽x

高二8000x2500x300材料选用灰铸铁供参照）。

1.2中间底座和挠性传动轴。

中间底座采用焊接式钢构造，作用在于装测功器和扰性传动轴。，

挠性传动对接由力向传动轴和高弹性联轴器组合，高弹性联轴器一

端直接和测功器连接，万向传动轴另一端与柴油机连接盘连接。

1.3水涡流测功器

测功器是用来检测动力机功率及传动机械效率H勺，是动力机特

性试验及传动机械效率试验中不可缺乏的测试设备。常用的测功器有

水力测功器和电力测功器两种，水力测功器分为旋涡流和销钉式，有

Y系列和D系列，销钉式D系列水力测功器价格廉价，维修以便，通过

变化进排水量开度可以变化测功器日勺工况，构造简朴，可正反转测量,

但工作状况不稳定。电力测功器是用电机来测量柴油机时输出扭矩和

功率，分为平衡式直流电力测功器、交流电力测功器和电涡流测功器。

DN电涡流测功器重要用来测量动力机W、J有效功率及机械的效率，是目

前国内先进的加载测功设备，其长处是测试范围广，许用转速高，转

动惯量小，测试精度高，可双向运转，对突变负荷响应快，但不合适

大功率柴油机。而Y系列水涡流测功器是引进德国策尔纳企业先进技

术，具有控制稳定性好、响应速度快、测量精度高及构造紧凑等长处。

通过上述比较，结合大功率柴油机构造和技术参数选用Y系列水涡流

测功器，其规格型号为Y1900S,

Y1900S构造技术参数：

最大吸取功率：1900K\v；

最大测量扭矩：17200N.m

制动力测定范围0-18000N

最高许用转速：3000rpm

排水最高温度70度

扭矩测量精度：±0.2%FS

转速测量精度：±0.05%

系统最大用水量36m'/Fl

Y系列水涡流测功器构造图

D系列水力测功器构造图

DW系列电涡流测功器构造图

a、Y1900s特性曲线范围:

消化吸取德国策尔纳引进技术，定、转子型腔改良设计使测功器

低速吸取功率特性更好，特性曲线包容范围更宽。特性曲线表达了测功器

在不一样转速下所能吸取H勺功率范围，从图上看出：

kW

1900

1400

1000

600

200

°r/mm

OA线表达测功器在一定的进水压力下，伴随转速的变化所能吸取的

最大的功率线。

AB直线为保持测功器扭矩为最大值时，伴随转速的变化，测功器所

能吸取的最大功率线。

BC直线为不超过测功器最大容许日勺排水温度时，测功器所能吸取的

最大功率限限制线。

CD直线为测功器最高转速限制线。

0D曲线为测功器不充水时H勺制动功率线（空气磨擦阻力）。

OABCEO所包围的区域表达了该型水力测功器所能吸取日勺功率范围。这

也是动力机性能试验时选用测功器的根据。凡动力机的特性在曲线图形所

包围的范围内，一般均能在该型水力测功器上进行特性试验。

b、排水系统：

改善型排水执行器、内腔排水通道，使测功器容载起始扭矩大大减少,

同等供水压力下容载扭矩减少25-30%。

c、密封：

在同类产品老式机械间隙密封、轴承骨架油封构造方式上，增长了反

向防水唇口密封，轴承滑油间隙式挡圈密封，有效地杜绝了同类产品油

水窜通导致滑油系统滑油外漏现象。骨架油封采用进口PD级油封（线速

度高达25M/S）。

d、润滑方式：

采用进口计量脉动膜片油泵循环供油，供油压力、流量可调、油滴速度可

视。改良的滑油通道使轴承润滑更可靠。

Y1900-S单向水涡流测功器外型图

第二节检测和操作控制系统

（由测功器生产单位配套提供）

2.1系统构成;

柴油机测试控制系统由柴油机测量控制仪、数据采集系统、上位计

算机系统、大屏幕显示仪、机柜、油耗测量仪和油门执行器等构成。系统

含测量控制系统软件，各测量传感器及及传感器摇臂。

2.2测量控制系统的重要功能

测量参数及精度

基本测量参数:

序号测量参数量程备注

1转速O~35OOrpm

2扭矩0~18000N.m

3功率0~1900kW测功器额定吸取功率

4燃油消耗量0~120kg/h

5燃油消耗率0~300g/kW.h

6机油压力O-IOOOkPa

7排气温度0-800℃

柴油机内循环出水温

80-200℃

度

9机油温度。〜200c

所有H勺测量参数均可同步在计算机屏幕上显示。扭矩、功率和油

耗可以由计算机自动校正，

控制功能

控制器类型：测功器及柴油机油门双回路直接数字PID控制；

控制方式：测功器：恒位置、恒扭矩、恒转速；柴油机：恒位置、

恒扭矩、恒转速；

控制方式切换：无扰动随机动态切换；

工况变化方式：虚拟仪器界面操作；自动程序控

制。

控制精度

控制精度：转速控制精度：±2r/min；

扭矩控制精度：±0.2%FS；

过渡时间:W10S；

转速控制超调量：〈阶跃量的10.5%；

扭矩控制超调量：W阶跃量的1%；

执行器定位精度：^0.1%O

重要功能：

通过USB-CAN总线转换器，从下位机接受试验时测量日勺发动机转速、

扭矩、温度、压力、漏气量、油耗等数据，并计算功率、油耗率、加速烟

度等参数

所有的参数均可在计算机显示屏上显示；

通过USB-CAN总线转换器，向下位机发送变化信息，由下位机的柴油

机、测功器控制模块调整柴油机的转速及扭矩。

下位机采用模块化构造，是由多种模块构成：柴油机测功器控制模块,

模拟量测量模块，液晶显示操作模块，报警停车控制模块，执行器功放

模块。模块之间采用隔离日勺CAN总线进行信息的互换。

采用数字增量电压控制发动机转速/转矩且无扰动切换控制；

大屏幕荧光液晶（256X64）汉化显示测量参数，所有操作均有中文提

醒;

采用国际流行日勺CAN现场总线通讯协议和模块化设计技术，通过总线

网络进行传播，便于集中扩展和维护。采用H勺CAN现场总线通讯协议，符

合国际原则IS011898（CAN）o

考虑与其他一般智能仪器的通用性留有常规的RS232接口；

采用非接触，无磨损H勺数字电位器实现迅速给定；

数字分段模糊PTD调整控制转速、负荷，保证控制日勺稳定性和较快的

响应速度，同步能在不变化参数的状况下能稳定的控制多种型号的发动

机；实现控制工况无扰动切换；

多种控制特性可满足发动机多种性能的J试验的规定；

模块化设计使构造简化，具有无可比拟的可靠性和可维护性；

数字密码授权，保证了测控仪关键参数不能越权操作；

越限多级报警控制（报警、保护、紧急停车）；

数字标定和自稳零技术，克服测量系统长期温度漂移，使数据更稳定

和精确。

记录功能

自动保留数据到网络数据库，在网络数据库故障时临时保留数据到当

地数据库，在合适的J时候再转储到网络数据库

报警保护功能：

测量控制系统具有三级报警和保护功能，每个测量参数均可由顾客

在计算机设定每级报警叫动作方式（一级报警：声光报警，系统不动作,

由人工进行干预；二级报警：声光报警，系统动作，发动机工况自动降至

怠速；三级报警：声光报警，系统动作，通过紧急停车机构使发动机停

车。

•2.3测量控制系统的特点：

•柴油机测量控制系统采用工业现场CAN总线构造，它是一种多主H勺总线构造，各个CAN

模块之间完毕各自功能，一种模块的故障不会导致整个系统的瘫痪。系统采用上下位机

方案，上下位机间的通讯采用CAN-USB接口。

・上位机选用研华工业控制计算机，P4CPU2.4G,60G硬盘，17

寸液晶显示屏，10700M网卡，支持双显示屏的J双端口显示卡,

不配光驱，配一台外挂光驱。

•软件环境：Windows或XP；编程语言：LabView,VC++。

•测功器和油门口勺控制板采用四层线路板，贴片机器焊接形式；

・温度和压力H勺采集板采用进口模块（台湾威达），每个模板采用

RS485总线通信；

•所有的线路板H勺连接采用接线端子，接线端子采用进口品牌（魏

德密勒或町洋）；

•线路板口勺集成电路插座采用镀金的插座；

2.4HZB5000油耗仪（附图）

燃油消耗仪作用：重要用于测量柴油机的燃油消耗。

1.燃油消耗率是评价柴油机经济性H勺重耍指标，也是研究柴油

机工作过程日勺重要参数，其措施目前已实现了自动化与数字

化，HZB5000油耗测量仪就是采用一体自动化与数字化的，油

耗测量和显示仪表集于一体，可以独立完毕油耗测量。构造上

采用全密封的油路设计，可有效地防止因特殊原因引起H勺溢

油。

2.特点：1.兼有平均油耗和瞬时油耗测量的双重功能。

3.平均油耗时间、耗油重量可任意设置，并有掉电保护功能；

4.可进行瞬时测量，每秒刷新一次；

5.采用先进的数字标定技术，使仪器的标定十分以便而简朴；

设有标定密码，在无授权的状况下不能任意修改，保证参数H勺精确

性;

全密封设计，燃油不会溢出，保证使用的安全性。

性能指标

6.测量范围15000g

7.测量精度±0.2%F.S

2.5YMZ-60油门执行器

YMZ-60油门执行器是NCK柴油机自动控制系统中日勺一种执行机

构。

作用；控制柴油机的油门开度，完毕柴油机的多种特性试验。

其长处：信号传播速度快，距离远，便于隔室控制

动作敏捷，精度高。

输出力矩大。

动态反应速度快。

测量指标：

角行程0-90度

最大输出扭矩25Nm

全行程响应时间：＜0.5s

定位精度：优于0.2%FS

驱动电源：24V/3A

2.6大屏幕显示仪（附图）

大屏幕显示仪使用高亮度红色显示，用于柴油机测试房现场显示功

率、扭矩、转速、油耗率等重要参数的大型挂壁式显示屏。。

2.7急停装置

急停装置采用停气和停油处理方式。

停气采用在柴油机进气管路上布置气控球阀实现。

停油装置采用急停电磁铁关闭停油手柄实现。

2.8传感器及集线箱

为以便柴油机试车时柴油机上各温度、压力传感器W、J安

装、连接。将各压力传感器、温度传感器接线集中于一悬挂式过线盒中，线

束由母线柜引入台架控制仪。

第三节、试验公用设施系统

3.1由于柴油机在热负荷试验中测功器需要大量日勺水，测功器供水

不能间断，进水量大概在每千瓦小时20公升左右，排水温度不能超过70

度，一般经济排水温度在55度-60度之间，因此测功器供水采用用循环供

水系统。系统（如图）：

灌

水

管

约5米

n

,

V777

----

----

——

——

-

----

----

----

----

----

----

----

----

排水管

、流

垢器

、除

道泵

、管

压水箱

组、稳

泵机

池、水

循环水

系统由

（1）

。

构成

柜等

电气

、控制

阀门

、控制

量计

差

水温

进出

T/h,

为40

容量

却水

器冷

测功

系统

（2）

为

水压

，供

供水

恒压

功器

对测

道泵

用管

水采

器用

测功

（3）

功

制，测

球阀控

水量靠

处，

高5米

地面

在离

放置

水箱

稳压

Mpa,

0.15

0.05-

应

池容积