柴油機液壓調速器通用試驗臺研制

張友榮 張衛東 姚曉山 歐陽光耀

（空軍雷達學院軍械通用裝備系1） 武漢 430019） （海軍工程大學船舶與動力學院2） 武漢 430033）

液壓調速器是柴油機極其重要的控制部件，其性能的考核與測試既涉及到調速器的質量檢驗、故障修復，也涉及到與發動機的匹配性能.前者能檢驗調速器的生產質量，提高故障排除和檢修效果；后者保證柴油機調速系統能具備良好的穩、動態特性.這兩方面內容的綜合結果保證了發動機系統的調速品質.采用系統仿真法進行調速器調試是當今的發展趨勢［1－4］，但在實際應用中普及不夠，特別是液壓調速器實驗臺.國內部分廠家、研究所和院校所研制和引進的調速器試驗臺，因技術、知識產權或價格因素都未得到廣泛應用.因此，利用計算機和機電一體化技術，設計能完成調速器檢測、整定及修理全過程的新型通用液壓調速器試驗臺，將有助于提高國內液壓調速器的檢測與調試水平.

1 通用調速器仿真試驗平臺

1.1 調速器試驗臺

調速器通用實驗臺主要由計算機仿真控制系統和調速器試驗臺2部分組成，見圖1.

試驗臺架為鋼架結構.其安裝平臺位于其上部，用于固定安裝被調試的液壓調速器以及調速電機，調速電機通過電機聯軸器、調速器驅動適配器驅動調速器旋轉，見圖2.

圖1 調速器通用實驗臺組成

圖2 調速器及伺服電機安裝

調速器安裝在平臺的上表面，利用平臺上的條形槽、壓板及螺栓予以固定.由于各種調速器的底座尺寸及驅動軸花鍵尺寸一般并不相同，因而試驗臺必須具備通用性，才能保證同一試驗臺可用于不同液壓調速器的調試.解決的技術方案是采用調速器通用驅動適配器.驅動適配器中心花鍵孔尺寸不同，以匹配不同類型調速器的傳動軸.而驅動適配器的外周（外六角）尺寸相同，可與電機聯軸器上部的內六角孔配合.電機聯軸器下部帶鍵槽的圓孔則與調速電機輸出軸通過半圓鍵聯結，從而將調速電機的動力傳遞到調速器傳動軸.調速器底面安裝則以底座適配器加以調整.

調速電機以前端固定方式垂直懸掛安裝在安裝平臺的下表面，通過電機聯軸器和調速器驅動適配器直接帶動調速器旋轉，不需齒輪傳動機構，從而使整個調速器試驗臺結構更為緊湊.

試驗臺具有液壓油供給系統，由油箱、油泵、油泵驅動電機、液壓油濾清器、供油管路、開關閥門等組成，能提供液壓油濾清、加熱、供油、放油等功能.

設計的液壓油供給系統用于為液壓調速器提供所需的液壓油.由于液壓調速器的工作特性對溫度很敏感，為獲得準確的調試效果，調速器應在液壓油工作溫度狀態下進行調試，為此，液壓油供給系統裝有加溫裝置，以迅速提高油箱中調速器油的油溫，使其達到調速器工作溫度，從而縮短調試時間.

液壓油泵設計從油箱中部吸油，從而使油面能始終高于加熱器，避免造成干燒現象.油管接頭設計在實驗臺后側面，防止油管破裂后熱油濺出傷人.由于不潔液壓油是導致調速器故障的主要原因，為保證加注、使用液壓油時的清潔，液壓油加注、回油通道都加有濾網和濾清器.液壓油加熱溫控系統由插入式加熱器、溫控器及溫度傳感器等組成.加熱器功率為2 000W，由2個1 000W加熱管組成.加熱溫度根據不同液壓調速器工作溫度設定，最高可達100℃.溫度控制以PID方式控制可控硅導通角來實現.

安裝平臺下部設計有液壓油回流孔，回油孔通過油管與油箱底部相連.當試驗完成后，可將調速器中的液壓油放出，通過此回油孔流回液壓油箱.安裝平臺四周裝有鋼板濾網，防止異物進入.

1.2 硬件在環仿真系統

硬件在環仿真系統用于模擬實際的柴油機調速系統.在仿真過程中，通過對柴油機數學模型的實時計算，獲得相應工況的轉速數值，該轉速值經D／A轉換成控制電壓，送至調速電機驅動器改變調速電機轉速，從而使液壓調速器轉速發生變化，液壓調速器輸出軸轉動角隨之變化.利用拉繩式位移傳感器將其變換成柴油機噴油泵齒桿位移反饋給計算機完成在環仿真.計算機根據柴油機運行工況和輸入的齒桿位移量計算出新的轉速，再次輸往調速電機.在這個過程中，液壓調速器對于調速電機的轉速控制模擬了對真實柴油機的轉速控制，從而能實現調速器的閉環調試.

本系統實時目標機采用美國NI公司的PXI實時硬件，其循環控制時間波動可達μs級，因而具有很強的運行確定性.實時目標系統主要包括機箱、嵌入式8187RT控制器和6229多功能數據采集卡等.硬件在環仿真時，只需將仿真模型和通訊程序下載到實時目標機中，相應的I／O和模型仿真運算就不再受上位機的干擾，以保證在環模擬過程與柴油機實際調速過程一致.主機通過軟件調用訪問實時目標機的實時程序，通訊采用百兆TCP／IP Ethernet，保證了主機與副機交互的快速性.

6229數據采集卡包括16通道模擬差分輸入（16－bit A／D），采樣頻率250kS／s.4通道模擬輸出，48通道數字量輸入輸出以及2個記數器.通過6229多功能數據采集卡，可采集位移、轉速、壓力信號，輸出轉速控制指令，同時，仿真控制柜上控制面板的操控信號也通過6229多功能數據采集卡完成輸入輸出.

編程軟件選用NI公司的虛擬儀器Lab－VIEW、仿真模塊Simulation Module、能進行編譯下載實時模型的實時模塊Real－Time Module.Simulation Module能實現集中與分布參數模型、線性與非線性模型、時變與非時變模型、連續與離散模型的仿真計算，既可實現固定步長運算，也可實現變步長運算.由于柴油機系統結構復雜，影響因素眾多，即使在不考慮非線性因素并進行很大簡化的條件下，其中很多系數也難以確定，因此柴油機的辨識模型更為真實有效.本文以6135柴油發電機組的辨識模型［5－6］作為試驗臺的內嵌模型.為滿足通用試驗臺的要求，只需將液壓調速器的配機模型更換成不同機組的仿真模型即可.6135柴油發電機組的辨識模型見式（1）.

將模型置于能運行于目標機的LabVIEW仿真循環（simulation loop）中，并建立與調速器硬件的I／O聯系.由于柴油機模型及其輸入輸出必須滿足確定性要求，因此I／O的采樣時間與仿真計算的步長必須一致，I／O采樣必須采用單點采樣方式，仿真循環只能采用固定步長運算，即在每一次數據輸入輸出過程中，完成一次仿真運算的數值更新.在simulation loop上有仿真參數設置框，可取出仿真參數設定中的time step，取倒數后送于模擬輸入（AI voltage），模擬輸出（AO voltage）的sample clock VI中的rate端，以使模擬輸入、模擬輸出的采樣時間與仿真步長相同，同時，在模擬輸入（AI voltage）的sample clock VI中，其sample mode被設置成 Hardware timed Single Point采樣方式.模擬輸入采用差分方式接受位移傳感器信號.模擬輸出則將控制信號輸出至調速電機控制器，其輸出范圍為－10～10V.其中，0～10V控制電機正轉，－10～0V控制電機反轉.

LabVIEW RT系統通過在普通的LabVIEW開發環境中增加RT模塊，可將在仿真模塊開發完成的柴油機模型下載到實時目標機中［7］.Lab－VIEW RT包括3部分：LabVIEW，RT開發系統和RT引擎.其中LabVIEW，RT開發系統是基于Windows操作系統的開發軟件，RT開發系統提供將LabVIEW的VI程序編譯下載并提供數據通信功能；而RT引擎、實時操作系統則安裝在實時目標機中，RT引擎在目標環境上提供實時運行VI程序的能力.

在LabVIEW的仿真模塊中完成柴油機數學模型的開發后，對其進行編譯將產生3個文件：Host，NPL和TCL.其中Host文件為上位機運行VI，可嵌入到上位機主程序，通過通訊獲得柴油機模型計算數據，從而實現調速曲線顯示和特征參數提取.NPL通過以太網下載到目標機并駐留在其中運行，TCL為上位機和目標機的通訊程序.

調速電機應能實時跟隨柴油機模型計算出的轉速變化.調速電機選用日本松下MDMA系列全數字永磁同步交流伺服電機，功率4.0kW.交流伺服電機具有轉動慣量小，動態響應好，在快速加減速時能提供很高的沖擊轉矩，能提供精確的速度控制.同時其自帶的旋轉編碼器還可用于高精度的轉速測量，無需另裝轉速測量裝置.伺服電機驅動器上的控制器連接器（CN I／F）可將其狀態信號及控制信號與計算機相連接，通過仿真計算機實現對伺服電機的控制.

在計算機仿真控制系統的機柜前控制面板上還提供了各種控制功能，如液壓油加熱控制、供油泵啟停控制、遙控控制及手動調試控制等.其主要功能包括伺服電機手動調速、伺服電機啟停控制、增益調整、負荷大小調整、開環及閉環狀態選擇、遙控試驗控制、液壓油供油泵控制、液壓油加熱器控制以及總電源開關等.

1.3 圖形化功能界面

上位機利用圖形化編程軟件LabVIEW以組態方式建立了良好的人機界面，提示操作規范和調試標準，引導操作人員正確完成調試過程.程序引導將體現調速器出廠測試的全部內容，包括調速器安裝、磨合試驗、常規檢查及泄漏檢查、最低最高轉速整定、調速器工作油壓測試、瞬時調速率及轉速穩定時間測試、穩態調速率測試、轉速波動率測試等.同時，“數據回放”界面可將試驗過程中存儲的數據、曲線按試驗編號、試驗時間檢索調用，用于調速器工作狀態的進一步分析.

利用Labview狀態機結構，并結合VI動態調用、子面板調用、事件結構等完成軟件的組態，通過不同的按鈕控件，實現程序在不同調試界面、調試過程中的轉換.

在各調試界面中，以文字、圖片方式告知方法、調試步驟和規范.如在“調速器安裝”界面中，按下“安裝步驟”按鈕，可查看安裝步驟文字說明；按下“安裝圖示”按鈕，可查看相應的通用驅動適配器和底座適配器圖片.“最低最高轉速”整定，有“無反饋”和“反饋”2種方式，在“無反饋”方式中，可整定最低和最高起作用轉速，在“反饋”方式中，可整定調速器工作轉速范圍.通過調速器工作油壓測試，可了解液壓調速器液壓活塞等元件的磨損情況.

在調速過程完成后，計算機自動進入特性參數計算提取界面（圖略），在此界面中，分別給出突增負荷、突減負荷的調速曲線，并自動計算提取相應的瞬態調速率、穩定時間等參數，對于穩定時間，還可利用圖形控件上的游標手動提取.若調速器動態特性不佳，可參照界面上介紹的調整整定步驟對調速器的補償節流針閥等調整元件進行調節，以修正液壓調速器的瞬態調速率.

2 試驗應用

在通用試驗臺上對YT555G液壓調速器進行了試驗測試.YT555G液壓調速器的工作轉速范圍為400～1 200r／min，輸出軸轉角38°，穩定調速率可調范圍0%～12%，動力活塞行程55mm.

施加100%負荷階躍擾動，加載時，瞬態調速率為7.88%，穩態調速率為3.07%，調整時間為2.38s；減載時，瞬態調速率為7.75%，穩態調速率為2.78%，調整時間為2.78s.通用試驗臺上的液壓調速器的調速曲線與實機調速曲線的變化趨勢一致，其瞬態調速率、穩定時間的變化范圍也相一致.實踐表明，在實驗臺上完成調試的液壓調速器在實際柴油機上只需就機微調即可實現最佳的匹配性能.

通用試驗臺能及時查找并排除液壓調速器的故障，在進一步建立液壓調速器的故障譜后，將有利于提高柴油機液壓調速器檢修的技術水平.

3 結束語

液壓調速器通用試驗臺實現了時間確定性和抗干擾能力都非常強的硬件在環仿真，為試驗臺提供了真實反映柴油機調速特性的反饋調試功能.實驗臺的計算機系統能實時顯示調速曲線，計算提取調速特性參數，使調速器的調試更加直觀準確，更容易利用測試結果判斷調速器工作狀態；人機交互能引導操作人員完成調速器檢測、整定及修理工作的全過程，提高了工作效率；調速器試驗臺解決了通用性、變速驅動、硬件在環仿真、信號測量、性能分析以及供油加熱等問題.應用通用試驗臺，能及時查找液壓調速器故障原因和排除故障，并保證了在實驗臺上完成整定調試的液壓調速器在實際發動機上安裝運行的安全性、匹配性和良好的調速性能.

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