大功率柴油机试验系统方案完成 1211雷

1、技 术 报 告大功率系列柴油机试验装置方案设计与评估 川东钻探公司机械厂2006年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成起止时间：2006年3月-2006年12月项目主要研究人员:项目参加人员：报告编写人：刘衍琴 报告审核人：项目负责人：肖光平川东钻探公司机械厂2006年12月25 日目 录第一章. 设计方案概述:第二章. 试车工艺装置结构 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:川东钻探公司机械厂是川东天然气勘探开发钻井动力设备的修理单位，主要修理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

2、和性能的好坏直接影响钻井勘探及开发。随着钻井工艺技术的提高，原有柴油机设备新旧系数的下降，大功率柴油机在钻井作业中的作用发挥更加明显。但我厂当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的需要。由我厂提出对试车装置进行技术研究和完善，主要是为大功率柴油机型进行检修提供一套完善的检测系统，使其测试性能更加可靠，理论数据更加准确，改变目前测试参数单一(只能测试扭矩)的现状。目前的试车工艺装置是我厂80年代自主设计及制造的，其结构简单，主要唯一设备（P1500水力测功器）陈

3、旧，所测参数单一，测量精度差，数据记录不准确，而且配套设施存在许多不足：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，造成了极大的噪声、环境污染及水资源的大量浪费，难以满足现有测试工艺的需要。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，对现有柴油机试车装置进行技术研究改造具有很好的必要性。方案设计遵循以下原则：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，即改造完成后对大功率柴油机修理能达到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关于技术改造的方针政策，突出重点针对新建工房的

4、实际需要，着重解决大功率柴油机修理所需的设备和配套设施工艺条件，使产品的技术性能达到修理设备的标准3、 为了实现对大功率柴油机的修理，在建立新的柴油机功率试验装置的同时，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、 充分利用工厂现有的设施、工装，节约投资，加快技术改造。5、 选用的设备和检测仪器是技术先进的，尽量选用直观的数显设备。6、 项目建设严格执行国家环境保护，职业卫生，消防的有关法规，7、考虑到钻井市场的发展变化，对关键检验装备设计按年8090台的标准生产配置。目标：根据柴油机技术参数、技术指标要求，我们通过对各种方案的精心比较、优化，拟定的该套试车系统具有技术先

5、进性，高可靠性、易维护性等优点，（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各种故障的状态监控和自动保护，使测试设备运行更加安全可靠。（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 为了降低柴油机试车时产生的噪声，保障周围有一个好的工作环境，根据新建工房结构框架，与工房连接处设置全封闭混凝土结构试验房，（如下图）。试验房的试验室内台架基础和混凝土结构由建筑施工单位应根据现场地基的土质结构设计确定。第一节：试验减振底座基础 因为柴油机在进行试验时，会产生

6、强烈的振动，必须用一个减振底座（大平底板）来固定它；一般情况下，测功器和柴油机安装在同一个基础上, （如图）：基础深度应为1.52m，基础的长宽按大平底板结构尺寸确定，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的程度，如果振动大，将会影响待试设备的精度和质量。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的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，暗沟上铺设钢栅网板供操作用，钢栅网板下布置油、水、气管线。基础周围应采取有效的隔振措

7、施，减少试验台的振动能量向外界传递，方法是在混凝土基础下面垫一层黄沙，在基础四周开200毫米宽、800毫米深的防震槽。实验证明：在邻近建筑物不产生共振的情况下，振幅不得大于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 试验房结构试验房房体结构规格为14m8m7m（长宽高），总面积112平方，分成柴油机试车房、控制室二部分。柴油机试车房内部净尺寸为：长宽高=10m7.5m6m,（供参考）控制室内部净尺寸为： 长宽高=3.5m7.5m6m,（供参考）2.1、柴油机试车房房体结构要求具有足够的强度；在门、窗和通风管开口处均布置次结

8、构。为了改变室内对外部产生噪声，达到室外噪声标准，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，要求设置消防器材。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，同时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，侧开门反面用不锈钢微孔板；内腔填充吸声材料；门周边采用硅胶成型密封材料。2.6、控制室隔声观察窗要求采用双层防爆组合式玻璃结构，密封性要好，隔声量要高，观察清晰，2.7、为了保证控制室温度配备壁

9、挂试空调一台。2.8、 试验室两侧墙面上设4盏可调角度的投射快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现有试车装置在试车过程中会产生巨大的噪声，主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， 能影响人们的正常生活和工作，降低劳动生产效率，特强的噪声还能损坏建筑物，影响设备的正常运转。经常在90分贝以上的噪声环境中工作会损伤听力，产生噪声性

10、耳聋。据调查现有动修工产生噪声性耳聋的达70%，环保检测柴油机试车过程产生的噪声在110-120分贝内，资料表明；工厂的生产车间每天工作8小时，容许连续噪声为90分贝，在任何情况下连续噪声不应超过115分贝。柴油机的允许噪声值必须小于80分贝，才能符合国家标准。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。烟气中含有一些有毒金属，对人体造成较大影响。为了保证柴油机修理试车工艺的完整性，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 ）排气系统的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

11、消声器和防雨消音帽，达到降噪效果。排气管材要求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。为满足不同柴油机测试,室内排气支架设计要有180旋转功能。配置烟度仪主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的噪声势在必行。采取控制方法：安装阻抗型复合式消声器，可降低柴油机气体动力性噪声 40-60分贝。2.10柴油机在封闭的试车室内作业时，燃烧需要空气，因此需配置通风换气系统，采用下送上抽方式，目的是排出室内的热空气，保证室内温度，同时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的设计要求：安装在试验

12、装置上的柴油机能模拟实际使用条件或尽可能的接近实际使用条件；更便于安装、调整、检查和更换柴油机零部件；能方便的安装测定柴油机各项参数的精密测量仪表，并能保证有足够的测量精度；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组成： 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、水涡流测功器等组成，由测功器生产单位提供。如图； 1.1、大平底板 示意结构图：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降低振动。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

13、架，安装时平板应该保持水平，其偏差应小于0.1毫米。平板设计要充分考虑柴油机底座结构尺寸和中间底座结构尺寸（平板设计规格为长x宽x高=8000x2500x300材料选用灰铸铁供参考）。1.2中间底座和挠性传动轴。中间底座采用焊接式钢结构，作用在于装测功器和扰性传动轴。，挠性传动对接由万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的，是动力机特性试验及传动机械效率试验中不可缺少的测试设备。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

14、系列水力测功器价格便宜，维修方便，通过改变进排水量开度可以改变测功器的工况，结构简单，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的输出扭矩和功率，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。DW电涡流测功器主要用来测量动力机的有效功率及机械的效率，是目前国内先进的加载测功设备，其优点是测试范围广，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，但不适宜大功率柴油机。而Y系列水涡流测功器是引进德国策尔纳公司先进技术，具有控制稳定性好、响应速度快、测量精度高及结构紧凑等优点。通过上述比较，结合大功率柴油机结构和技术参数选用Y系列水涡流测功器，其规格

15、型号为Y1900S,Y1900S结构技术参数：最大吸收功率：1900Kw；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36m3/HY系列水涡流测功器结构图 D系列水力测功器结构图DW系列电涡流测功器结构图a、Y1900S特性曲线范围：消化吸收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收功率特性更好，特性曲线包容范围更宽。特性曲线表示了测功器在不同转速下所能吸收的功率范围，从图上看出：OA 线表示测功器在一定的进水压力下，随着转速的变化所能吸收的最大的功率

16、线。AB直线为保持测功器扭矩为最大值时，随着转速的变化，测功器所能吸收的最大功率线。BC直线为不超过测功器最大容许的排水温度时，测功器所能吸收的最大功率限限制线。CD直线为测功器最高转速限制线。OD曲线为测功器不充水时的制动功率线（空气磨擦阻力）。OABCEO所包围的区域表示了该型水力测功器所能吸收的功率范围。这也是动力机性能试验时选用测功器的依据。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：改进型排水执行器、内腔排水通道，使测功器容载起始扭矩大大降低，同等供水压力下容载扭矩降低25-30。c、密封：在同类产品传统机械间隙密封、轴承骨架油封结构

17、方式上，增加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 系统组成； 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组成。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 测量控制系统的主要功能测量参数及

18、精度基本测量参数:序号测量参数量程备注11转速03500rpm2扭矩018000N.m3功率01900kW测功器额定吸收功率4燃油消耗量0120kg/h5燃油消耗率0300g/kW.h6机油压力01000kPa7排气温度0800 8柴油机内循环出水温度0200 9机油温度0200所有的测量参数均可同时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；工况改变方式：虚拟仪器界面操作；自动程序控制。控制精度控制精度：转

19、速控制精度：2r/min；扭矩控制精度：0.2% FS；过渡时间：10S；转速控制超调量：阶跃量的0.5%；扭矩控制超调量：阶跃量的1%；执行器定位精度：0.1%。主要功能：通过USB-CAN总线转换器，从下位机接收试验时测量的发动机转速、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器上显示；通过USB-CAN总线转换器，向下位机发送改变信息，由下位机的柴油机、测功器控制模块调节柴油机的转速及扭矩。下位机采用模块化结构，是由多个模块组成：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

20、离的CAN总线进行信息的交换。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(25664)汉化显示测量参数，所有操作均有汉字提示；采用国际流行的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输，便于集中扩展和维护。采用的CAN现场总线通讯协议，符合国际标准ISO11898（CAN）。考虑与其它普通智能仪器的通用性留有常规的RS232接口；采用非接触，无磨损的数字电位器实现快速给定；数字分段模糊PID调节控制转速、负荷，保证控制的稳定性和较快的响应速度，同时能在不改变参数的情况下能稳定的控制各种型号的发动机；实现控制工况无扰动切换；多种控制特性可满足发动机各种性

21、能的试验的要求；模块化设计使结构简化，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，使数据更稳定和准确。 记录功能自动保存数据到网络数据库，在网络数据库故障时暂时保存数据到本地数据库，在适当的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用户在计算机设定每级报警的动作方式（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

22、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总线结构，它是一种多主的总线结构，各个CAN模块之间完成各自功能，一个模块的故障不会造成整个系统的瘫痪。系统采用上下位机方案，上下位机间的通讯采用CAN-USB接口。l 上位机选用研华工业控制计算机，P4 CPU 2.4G ，60G硬盘， 17寸液晶显示器，10-100M网卡，支持双显示器的双端口显示卡，不配光驱，配一台外挂光驱。l 软件环境：Windows 2000或XP；编程语言：LabView，VC+。l 测功器和油门的控制板采用四层线路板，贴片机器焊接形式；l 温度和压力的采集板采用进口模块（台湾威达），每个模板采用

23、RS485总线通信；l 所有的线路板的连接采用接线端子，接线端子采用进口品牌（魏德密勒或町洋）；l 线路板的集成电路插座采用镀金的插座；2.4 HZB5000油耗仪（附图）燃油消耗仪作用：主要用于测量柴油机的燃油消耗。燃油消耗率是评价柴油机经济性的主要指标，也是研究柴油机工作过程的主要参数，其方法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，可以独立完成油耗测量。结构上采用全密封的油路设计，可有效地防止因特殊原因引起的溢油。特点：1、兼有平均油耗和瞬时油耗测量的双重功能。1. 平均油耗时间、耗油重量可任意设置，并有掉电保护功能；2

24、. 可进行瞬时测量，每秒刷新一次；3. 采用先进的数字标定技术，使仪器的标定十分方便而简单；4. 设有标定密码，在无授权的情况下不能任意修改，保证参数的准确性；5. 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.S2.5 YMZ-60油门执行器YMZ-60油门执行器是NCK2000柴油机自动控制系统中的一个执行机构。作用；控制柴油机的油门开度，完成柴油机的各种特性试验。其优点：信号传输速度快，距离远，便于隔室控制动作灵敏，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

25、.5s 定位精度：优于0.2%FS 驱动电源：24V/3A2.6 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、油耗率等主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传感器及集线箱为方便柴油机试车时柴油机上各温度、压力传感器的安装、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 因为柴油机在热负荷试验中测功器需要大量的水，测功器供水不能间断，进水量大约在每千瓦小时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，因此测功器供水采取用循环供水系统。系统（如图）：（1）系统由循环水池、水泵机组、稳压水箱、管道泵、除垢器、流 量计、控制阀门、控制电气柜等组成。（2）系统测功器冷却水容量为40T/h，进出水温差10。（3）测功器用水采用管道泵对测功器恒压供水，供水压为0.05-0.15Mpa，稳压水箱放置在