鄭凱仁，梁朝通，林?jǐn)⒈?，蔣姣麗，蔡慶進(jìn)，宋瑜清，黃啟鋒

（廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，廣州 510535）

0 引言

農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械包括汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的“心臟”，為大部分的拖拉機(jī)、收獲機(jī)械、排灌機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械提供動(dòng)力。動(dòng)力性能的優(yōu)劣直接影響到整機(jī)的性能，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)能否高效、環(huán)保的重要保障。

在當(dāng)今節(jié)能減排的大環(huán)境下，不僅僅對(duì)道路機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛，對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)也日漸提高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)非道路用柴油機(jī)每年新增約200萬(wàn)臺(tái)左右，在全國(guó)每年超過(guò)1億t的柴油消耗總量中，約有20%用于各類非道路移動(dòng)機(jī)械。這些非道路移動(dòng)機(jī)械是氮氧化物的重要排放源，每年約排放氮氧化物200萬(wàn)t以上[1]。由于非道路移動(dòng)源的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，因此有必要檢測(cè)和控制非道路移動(dòng)機(jī)械的污染物排放成分和含量，以減輕由該類產(chǎn)品使用量和保有量的持續(xù)增長(zhǎng)而給環(huán)境帶來(lái)的壓力。

自2016年4月1日起，所有制造、進(jìn)口和銷售的整機(jī)機(jī)械都要裝用符合國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)[2]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段)》的規(guī)定：氣體排放（主要是碳?xì)洌℉C）+氮氧化物（NOX）+顆粒（PM））的排放限值比第二階段分別加嚴(yán)了21%和25%，而且國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)必須嚴(yán)格通過(guò)750 h的排放耐久考核。隨著非道路移動(dòng)機(jī)械車輛的排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用要求也相應(yīng)提高，這給農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能的檢測(cè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站原有的農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)的功率測(cè)試范圍有局限性，檢測(cè)能力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。為了適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展，我們對(duì)原有的動(dòng)力性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，改造后的農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力有了大幅度的提升，能滿足現(xiàn)在及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)需求。該農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度高、測(cè)量范圍廣，能夠進(jìn)行100 kW以下的農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括內(nèi)燃機(jī)的多項(xiàng)性能指標(biāo)和尾氣排放物（HC、NOX、PM）的排放值，為判定農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力性能的相關(guān)指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求提供了重要的支持。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)

農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)主要由負(fù)載系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺(tái)、油耗檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)直流電作為轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，并以轉(zhuǎn)矩形式為承載電機(jī)加載。通過(guò)軸連接器與被測(cè)動(dòng)力同軸對(duì)接，轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳感器將力的大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，用來(lái)模擬和控制被測(cè)電機(jī)的負(fù)載，以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以及其他特殊的動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，如安全性試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)等。

圖1 農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和安裝

該系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)主要是指測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝、傳動(dòng)軸及防護(hù)罩等工裝。根據(jù)試驗(yàn)室的實(shí)際情況，按照3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)間重新規(guī)劃出3個(gè)臺(tái)架的平板位置，在安裝平板的地面，打鋼筋砼基礎(chǔ)，滿足3塊平板安裝后與設(shè)計(jì)的試驗(yàn)間地面平齊。如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功機(jī)的聯(lián)接點(diǎn)需要承受一定的靜載荷和動(dòng)載荷，將發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功機(jī)的聯(lián)接點(diǎn)固定在同一塊底板上，在安裝前用精密水平儀來(lái)校正底板面的水平度，以保證測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝足夠穩(wěn)定可靠。

圖2 測(cè)功機(jī)安裝圖

傳動(dòng)軸是由聯(lián)軸器、高彈聯(lián)軸器、工業(yè)傳動(dòng)軸等組成，用于測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的對(duì)接。采用可伸縮彈性聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接，聯(lián)軸器中段為整體式結(jié)構(gòu)，具有軸向及徑向偏差補(bǔ)償能力。

安全防護(hù)罩用6 mm的鋼板制造，防護(hù)罩的下半部分支架通過(guò)組合緊固在鐵底板上面。防護(hù)罩包裹在傳動(dòng)軸外，避免人員和設(shè)備與旋轉(zhuǎn)連接軸系統(tǒng)接觸，防止軸斷裂時(shí)部件飛濺而造成的危險(xiǎn)。

1.2 油耗檢測(cè)系統(tǒng)

該農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)采用智能油耗儀測(cè)油耗，用于測(cè)量各種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

智能油耗儀通過(guò)控制一個(gè)常閉式二位二通電磁閥，能夠很好地控制充油和放油過(guò)程。電磁閥在打開狀態(tài)下，油箱在向油杯供油的同時(shí)也向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，而當(dāng)油杯的油面到達(dá)所設(shè)定的上限的時(shí)候，電磁閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)油箱不再向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，由油杯直接向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)燃油。當(dāng)油杯中的油面降到系統(tǒng)預(yù)定的位置時(shí)，儀表就會(huì)開始測(cè)量。當(dāng)測(cè)量結(jié)束的時(shí)候，儀表會(huì)自動(dòng)顯示在測(cè)量時(shí)間內(nèi)油杯的容量變化，并且電磁閥會(huì)同時(shí)開啟，進(jìn)入下一個(gè)測(cè)量過(guò)程。

同時(shí)，在油耗儀進(jìn)油端的油路上安裝一個(gè)開關(guān)閥門和燃油濾清器，在油耗儀溢油或系統(tǒng)故障等情況下能自動(dòng)切斷油路，防止安全事故發(fā)生。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放系統(tǒng)

3個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架共用一套尾氣排放系統(tǒng)。該系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣，通過(guò)試驗(yàn)室內(nèi)部管道和外部管道，在耐高溫排煙風(fēng)機(jī)抽吸作用下，經(jīng)過(guò)排氣消聲器降噪，在尾氣凈化器對(duì)有害氣體、碳排放顆粒進(jìn)行處理后，最終排放到室外。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)鑄鐵平板的一邊，離地面300 mm處，預(yù)留管徑DN125的碳鋼排氣管道和連接法蘭盤，連接管道地下部分與主管道連接，采用隱蔽工程預(yù)埋，連接到室外。在室外采用DN125組合絕熱管道，并且加裝防雨帽，在試驗(yàn)室管路上配置耐高溫排氣背壓調(diào)節(jié)閥。

2 硬件選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)作為配套動(dòng)力，在實(shí)際使用中不同工況的能耗有所不同，因此合理配型對(duì)于機(jī)器的性能以及油耗都是至關(guān)重要的[3]。為了更好地對(duì)農(nóng)業(yè)用的配套動(dòng)力進(jìn)行技術(shù)參數(shù)、產(chǎn)品性能等質(zhì)量評(píng)價(jià)，在選用農(nóng)用動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)的硬件時(shí)主要考慮測(cè)功機(jī)、變頻控制器、扭矩傳感器、尾氣排放系統(tǒng)等儀器性能和精度問(wèn)題。

采用了100 kW、30 kW和10 kW共3套測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量范圍為：功率0～100 kW，轉(zhuǎn)速0～4 000 r/min，扭矩0～500 N·m，油耗0～500 g。準(zhǔn)確度范圍為：扭矩±0.2%（FS），油耗±0.4%（FS）。檢測(cè)功率范圍和精度范圍都處于合理空間，極大地提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確度和科學(xué)性。

變頻控制器采用帶有手動(dòng)定轉(zhuǎn)速、定電流的設(shè)定裝置，并且具有計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制的通用數(shù)字接口，具有完整的通訊接口協(xié)議的控制器，其諧波電壓＜2%，諧波電流＜5%，正常運(yùn)行時(shí)效率＞98%。其安全保護(hù)措施符合IP21的要求，包括過(guò)流、過(guò)壓、失壓保護(hù)，限速、限溫保護(hù)，跳閘保護(hù)功能。這樣就能保證電機(jī)在各種工況下運(yùn)行時(shí)，都能保證所有試驗(yàn)儀器設(shè)備相互間均不受電力干擾，能正常運(yùn)行使用。

扭矩傳感器采用500 N·m傳感器，其技術(shù)參數(shù)為：額定扭矩500 N·m；轉(zhuǎn)速范圍0～6 000 r/min，測(cè)量精度±0.2%FS，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度±1 r/min。具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以將各種形式的傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換；而數(shù)據(jù)處理模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、控制、處理、儲(chǔ)存、報(bào)表、繪圖，從而使測(cè)試的結(jié)果更加科學(xué)合理。

進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程的要求，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)完成各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)。除了需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、壓力、大氣壓力、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等信號(hào)外，還要測(cè)量油耗、扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。試驗(yàn)完成后系統(tǒng)自動(dòng)出具試驗(yàn)報(bào)告。

該系統(tǒng)能夠按照用戶定義好的試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)完成整個(gè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)功機(jī)出水溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液機(jī)油溫度、燃油溫度、進(jìn)排氣溫度、機(jī)油壓力、大氣壓力、環(huán)境溫濕度等諸多參數(shù)的測(cè)量、顯示，并且進(jìn)行相應(yīng)的處理、儲(chǔ)存、報(bào)表、繪圖等。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中所涉及的各種型號(hào)的傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》的要求，進(jìn)行了內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。在臺(tái)架試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)調(diào)試，環(huán)境條件符合GB/T 6072.1—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 性能 第一部分：標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)狀況，功率、燃油消耗和機(jī)油消耗的標(biāo)定及試驗(yàn)方法》的規(guī)定，各測(cè)點(diǎn)傳感器的分布符合GB/T 1105.3—1987《內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法 測(cè)量技術(shù)》的規(guī)定，試驗(yàn)應(yīng)滿足以下試驗(yàn)條件：

1）負(fù)載（發(fā)動(dòng)機(jī)）應(yīng)帶自身運(yùn)轉(zhuǎn)所需的附件，不帶空氣濾清器、消聲器等；

2）試驗(yàn)用油：標(biāo)準(zhǔn)柴油和CD級(jí)15W/30號(hào)柴油機(jī)油；

3）確認(rèn)傳感器的分布、環(huán)境條件等外界因素符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；

表1 傳感器的技術(shù)參數(shù)

4）試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀況應(yīng)調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：進(jìn)氣溫度25℃，相對(duì)濕度30%，進(jìn)氣壓力100.0 kPa。

圖4 臺(tái)架試驗(yàn)室效果圖

在上述的試驗(yàn)條件確定后，如圖4臺(tái)架試驗(yàn)室效果圖所示，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)到標(biāo)定工況，然后開始進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、燃油消耗率、廢氣排放等性能檢測(cè)。根據(jù)GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 變速試驗(yàn)記錄

5 結(jié)論

農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)的成功研制解決了兩大問(wèn)題：一是該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，操作界面簡(jiǎn)單明了，可以節(jié)省大量人力物力；二是可減少環(huán)境條件等客觀因素對(duì)檢測(cè)過(guò)程的影響，從而保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)。因此，該系統(tǒng)能為生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)定型、出廠檢驗(yàn)和委托檢測(cè)等方面提供有效的手段，促進(jìn)了廣東省的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，也能為農(nóng)戶和主管部門選擇推廣先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械提供技術(shù)支持及決策參考。

[1]楊紅英. 非道路柴油機(jī)國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 國(guó)Ⅳ尚無(wú)時(shí)間表[N]. 中國(guó)工業(yè)報(bào)社，2014-11-10.

[2]新農(nóng)村網(wǎng). 遭遇四大挑戰(zhàn)玉米機(jī)市場(chǎng)忽現(xiàn)撲朔迷局[J]. 新農(nóng)村：黑龍江，2015，（12）：60-61.

[3]王淑紅, 柳得山. 談發(fā)動(dòng)機(jī)與農(nóng)機(jī)具的合理匹配[J]. 科技與企業(yè)， 2013，（2）：276-276.