鐘功祥，周耀勝，呂志忠，王仕強(qiáng)，林 寧，周 強(qiáng)

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500;2.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川廣漢 618300)

0 引言

柴油機(jī)是油田和海洋平臺(tái)上鉆井主要?jiǎng)恿υ?。油田和海洋平臺(tái)上的柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣、使用過(guò)程中無(wú)法保養(yǎng)，長(zhǎng)時(shí)間使用后柴油機(jī)油耗量增加［1］，并且”無(wú)力”［2］，這直接影響負(fù)載工作狀況和鉆井作業(yè)效率。轉(zhuǎn)速和功率是柴油機(jī)動(dòng)力性能的兩個(gè)最重要的指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率含有與柴油機(jī)性能相關(guān)的豐富信息，它反映了柴油機(jī)的工作狀態(tài)。因此對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析具有十分重要的意義［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者做了大量研究檢測(cè)柴油機(jī)機(jī)最大功率的工作，并研制出力相關(guān)的測(cè)功器［3－5］。檢測(cè)方法主要有兩種，即穩(wěn)態(tài)測(cè)功和動(dòng)態(tài)測(cè)功［5］。穩(wěn)態(tài)測(cè)功主要是用水力測(cè)功器、電力測(cè)功器、電渦流測(cè)功器等來(lái)測(cè)功［5］，由于油田現(xiàn)場(chǎng)空間距離有限這些測(cè)功器不便于安裝，故在油田和海洋平臺(tái)不適用;動(dòng)態(tài)測(cè)功存在轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差大、加速時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確、操作方式引起較大誤差的缺陷［5］，而且必須在知道柴油機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的前提下才能使用［6］。

為了克服以上測(cè)功器的缺陷，通過(guò)多種方案對(duì)比分析得出了一種新的測(cè)定柴油機(jī)功率的方法，研制出了新的柴油機(jī)最大功率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。

1 柴油機(jī)無(wú)負(fù)載測(cè)功原理

1.1 柴油機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I

(1)柴油機(jī)空載測(cè)試

前將柴油機(jī)后端的液力變矩器或者萬(wàn)向軸拆下，使柴油機(jī)沒(méi)有外部負(fù)載。柴油機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下(怠速)工作，突然斷油讓其自有停車［7－8］。根據(jù)功能原理，可得:

式中:－Tf為柴油機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的摩擦扭矩;J為柴油機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;dω1/dt為柴油機(jī)自由停車轉(zhuǎn)速曲線直線段的角加速度。

(2)附加配重測(cè)試

在柴油機(jī)輸出軸上增加一自制配重，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J'。柴油機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下(怠速)工作，突然斷油讓其自由停車［7－8］。根據(jù)功能原理，可得:

式中:－Tf'為柴油機(jī)負(fù)載配重測(cè)試在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的摩擦扭矩;J為柴油機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J'為柴油機(jī)附加配重轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;dω2/dt為柴油機(jī)自由停車轉(zhuǎn)速曲線直線段的角加速度;柴油機(jī)都是在無(wú)負(fù)荷怠速下自由停車，時(shí)間極短，并且溫度變化小，故可認(rèn)為上述兩個(gè)過(guò)程中的摩擦扭矩基本相同［8－10］。根據(jù)以上兩式得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

1.2 柴油機(jī)最大功率P

柴油機(jī)無(wú)負(fù)載怠速下穩(wěn)定運(yùn)行，突然將柴油機(jī)油門開(kāi)到最大，柴油機(jī)加速所做的功除了克服摩擦力矩外，有效功全部用來(lái)加速自身各回轉(zhuǎn)件的運(yùn)轉(zhuǎn)［7，9］。因此，只要通過(guò)測(cè)試得到柴油機(jī)加速時(shí)間以及加速開(kāi)始時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和加速終了時(shí)刻的轉(zhuǎn)速［11］，就可以得到柴油機(jī)的有效功率。

圖1 柴油機(jī)無(wú)負(fù)載加速曲線

根據(jù)功能原理，柴油機(jī)加速過(guò)程中動(dòng)能的增加等于柴油機(jī)做的功:

式中:(ω2－ω1)/ΔT可看成是柴油機(jī)的角加速度;柴油機(jī)加速時(shí)在最高速度處發(fā)揮最大功率，(ω2+ω1)/2可看成柴油機(jī)的最高速度的平均值;因此式(5)變換成:

式中:ω1、ω2為對(duì)應(yīng)加速過(guò)程中n1、n2轉(zhuǎn)速的角速度;dn/dt為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速加速度;ΔT為柴油機(jī)從n1加速到n2的時(shí)間;Pcr為柴油機(jī)從n1加速到n2的平均功率，此功率和最大功率之間有一修正系數(shù)K［5］:

經(jīng)修正后的值便能反應(yīng)出柴油機(jī)的最大功率。

2 柴油機(jī)最大功率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

柴油機(jī)最大功率測(cè)試系統(tǒng)硬件主要由東華DHDAS5927N動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、傳感器、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊、便攜式計(jì)算機(jī)等四部分組成。根據(jù)測(cè)試要求選擇霍爾傳感器，采樣頻率為100 kHz;無(wú)線模塊用于數(shù)據(jù)傳輸;東華DHDAS5927N動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀用于采集數(shù)據(jù);便攜式計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。柴油機(jī)測(cè)試硬件系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)測(cè)試硬件系統(tǒng)示意圖

2.2 軟件系統(tǒng)

用DHDAS(5927N_NET)軟件采集柴油機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用DEMPAS軟件(柴油機(jī)最大功率分析軟件)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，兩個(gè)軟件界面如圖3、4所示。

圖3 DHDAS(5927N_NET)軟件界面

圖4 DEMPAS軟件界面

3 柴油機(jī)最大功率測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)用

為了驗(yàn)證研制的柴油機(jī)最大功率測(cè)試儀的可靠性，在成都濟(jì)柴動(dòng)力設(shè)備有限公司進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 成都濟(jì)柴柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

在無(wú)負(fù)載和增加配重負(fù)載兩種情況下操作嚴(yán)格按照測(cè)試方案做了3次測(cè)試，得到測(cè)試數(shù)據(jù)，用處理軟件分析得到部分轉(zhuǎn)速曲線如圖5～7所示。

圖5 柴油機(jī)無(wú)負(fù)載減速曲線

圖6 柴油機(jī)配重負(fù)載減速曲線

根據(jù)圖5、6中的轉(zhuǎn)速曲線，利用公式(3)計(jì)算出CAT3408柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=11.37 kg·m2。將得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸入DEMPAS軟件可得到柴油機(jī)的最大功率，數(shù)據(jù)分析如表2所示。

圖7 柴油機(jī)配重負(fù)載減速曲線

表2 中海油海洋平臺(tái)柴油機(jī)功率分析表 /kW

測(cè)試結(jié)果分析:從上表可以看出，3次測(cè)試與水力示功器測(cè)試的功率誤差很小，能夠測(cè)出柴油機(jī)的功率值;由于轉(zhuǎn)速測(cè)量以及其他誤差，所以測(cè)試功率值與水力示功器顯示的功率存在一定誤差。

4 結(jié)論

(1)測(cè)試采用的霍爾傳感器采樣頻率為100 kHz，測(cè)試數(shù)據(jù)曲線可以看出柴油機(jī)三次測(cè)試都具有很高的線性度、重復(fù)性，3次測(cè)試功率相差很小，表明測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差較小、測(cè)試系統(tǒng)可靠。

(2)對(duì)于不同型號(hào)不同類型的柴油機(jī)都可以通過(guò)無(wú)負(fù)載和增加配重負(fù)載減速數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確的柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，解決了柴油機(jī)功率測(cè)試的關(guān)鍵問(wèn)題。

(3)本測(cè)試系統(tǒng)可以在不拆卸柴油機(jī)的情況下廣泛應(yīng)用于油田和海洋平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，具有數(shù)據(jù)無(wú)限傳輸模塊適合遠(yuǎn)距離操作，可保護(hù)測(cè)試人員安全，測(cè)試全過(guò)程都采用軟件處理可以快速得到現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)的最大功率。

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