萬 夫，敬佳佳，張志東，王文權(quán)，徐友紅

(中國石油集團(tuán)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)

在鉆(修)井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安全測(cè)評(píng)工作中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)動(dòng)力源，其最大功率是關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，也是科學(xué)判斷在役柴油機(jī)是否需要維修或報(bào)廢的重要依據(jù)［1－3］，屬鉆(修)井機(jī)完整性評(píng)價(jià)不可或缺的評(píng)價(jià)內(nèi)容。一直以來，工程界都想開發(fā)出一種便攜、實(shí)用的柴油機(jī)最大功率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)手段。

目前，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試柴油機(jī)最大功率最實(shí)用的方法是“無負(fù)載測(cè)功”方法［3］。在該方法的實(shí)施過程中，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J是一個(gè)關(guān)鍵中間測(cè)試參量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到無負(fù)載測(cè)功方法的測(cè)試精度，至關(guān)重要。然而，柴油機(jī)使用說明書中往往不包含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這一關(guān)鍵參數(shù)。因此，工程界對(duì)其計(jì)算或測(cè)試方法都十分關(guān)注［4－5］。然而，柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，形狀不規(guī)則且運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值計(jì)算十分繁瑣，同時(shí)還需要考慮油泵、風(fēng)扇、凸輪軸、噴油、配氣等系統(tǒng)對(duì)其的影響，直接計(jì)算存在較大的困難［6］。因此，目前大多采用測(cè)試方法來獲取，主要包括:計(jì)算法、附加質(zhì)量法、停油減速法、空載加速法和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法［4－7］。但是，這些方法在實(shí)施過程中均存在一定局限性，所測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精度和可靠性較低，因而嚴(yán)重影響了無負(fù)載測(cè)功方法的實(shí)用性。

鑒于此，本文提出了一種基于電機(jī)倒拖測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，即根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理，利用電動(dòng)機(jī)倒拖柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同步測(cè)取其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的扭矩以及轉(zhuǎn)速值來計(jì)算柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該方法測(cè)試參數(shù)較少、參數(shù)易于測(cè)取、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，且占用軸向空間狹小、安裝操作簡(jiǎn)便，具有很好的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性。

一、現(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法的局限性

1．計(jì)算法

計(jì)算法一般是先計(jì)算出柴油機(jī)內(nèi)部各有關(guān)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)于輸出軸線的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而求和得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。計(jì)算時(shí)，需要知道各運(yùn)動(dòng)零部件結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，同時(shí)要考慮柴油機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及噴油、供氣、排氣、冷卻等系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。實(shí)際上，柴油機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)尺寸難以獲得，且各零部件形狀、運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，其計(jì)算過程非常繁瑣，加之噴油、供排氣等系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響又難以通過計(jì)算獲取，因此計(jì)算法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。

2．附加質(zhì)量法

附加質(zhì)量法測(cè)試柴油機(jī)功率是通過在柴油機(jī)軸輸出端安裝附加質(zhì)量，分別測(cè)試安裝附加質(zhì)量前后柴油機(jī)停油減速過程中軸端轉(zhuǎn)速，并利用角速度變化值求得柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其計(jì)算公式為:

式中:I—柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;I"—附加質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;n1—安裝附加質(zhì)量前轉(zhuǎn)速，r/min;n2—安裝附加質(zhì)量后轉(zhuǎn)速，r/min;t—時(shí)間，s。

該方法的局限性體現(xiàn)在附加質(zhì)量的結(jié)構(gòu)尺寸受柴油機(jī)輸出軸處容許安裝空間位置影響較大，且其安裝操作比較繁瑣，測(cè)試結(jié)果還受附加質(zhì)量的大小(體現(xiàn)為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小)以及柴油機(jī)自身運(yùn)轉(zhuǎn)條件影響。

3．停油減速法

停油減速法是通過測(cè)試柴油機(jī)停油減速過程中的摩擦扭矩和轉(zhuǎn)速，并利用其角加速度來計(jì)算柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其計(jì)算公式為:

式中:Mm—減速過程中機(jī)械損失扭矩，N·m;ω—角速度，rad/s;t—時(shí)間，s。

該方法的局限性體現(xiàn)于柴油機(jī)減速過程中，摩擦扭矩受各缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及自身轉(zhuǎn)速的影響較大，摩擦扭矩測(cè)試值不穩(wěn)定、變化大，難以求得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確性。

4．空載加速法

空載加速法運(yùn)用在柴油機(jī)空載加減速過程中測(cè)得的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以及缸內(nèi)氣體壓力來求出平均指示功，然后利用加減速過程中平均轉(zhuǎn)速相等求得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其計(jì)算公式:

式中:Mg1、Mg2—加、減速過程指示功，J;nm—平均轉(zhuǎn)速，r/min;Δn1、Δn2—加、減速過程中一個(gè)循環(huán)的速度變化量。

該方法局限性體現(xiàn)在其數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，測(cè)試時(shí)需要測(cè)試缸內(nèi)氣體壓力，測(cè)試手段要求嚴(yán)格，操作繁瑣，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)大多不具備壓力測(cè)試條件，存在適用性不強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)性差的問題。

5．瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法

瞬時(shí)減速法運(yùn)用柴油機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中測(cè)得的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)氣體壓力，分別求得作用在曲軸上的平均指示轉(zhuǎn)矩Mg、柴油機(jī)曲軸角速度ω、采樣間隔時(shí)間Δt、角速度變化量Δω以及平均機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩Mf。計(jì)算時(shí)將機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩等效于平均機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式:

該方法局限性體現(xiàn)在測(cè)試精度受轉(zhuǎn)速影響較大，并且受計(jì)算角速度范圍影響。同空載加速法類似，也存在著需要測(cè)試缸內(nèi)氣體壓力，測(cè)試手段要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，其現(xiàn)場(chǎng)適用性不強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)性差。

二、電機(jī)倒拖測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量基本原理

“電機(jī)倒拖測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)”原理如圖1所示。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與被測(cè)試柴油機(jī)輸出軸剛性連接，在測(cè)試過程中，通過電機(jī)倒拖柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1電機(jī)倒拖測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)原理圖

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理(式5)可知，剛體對(duì)固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與剛體轉(zhuǎn)動(dòng)前后的動(dòng)能變化量相關(guān)。要測(cè)得柴油機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要得到其某一轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的起點(diǎn)和終點(diǎn)的角速度值以及該過程的動(dòng)能變化量，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按式(6)計(jì)算。

式中:J—?jiǎng)傮w本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;ωo—?jiǎng)傮w轉(zhuǎn)動(dòng)前角速度，rad/s;ωs—?jiǎng)傮w轉(zhuǎn)動(dòng)后角速度，rad/s;W—?jiǎng)傮w轉(zhuǎn)動(dòng)前后動(dòng)能變化量，J。

式中:Jc—柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;ω1—某一轉(zhuǎn)動(dòng)過程中起點(diǎn)角速度，rad/s;ω2—某一轉(zhuǎn)動(dòng)過程中終點(diǎn)角速度，rad/s;W12—某一轉(zhuǎn)動(dòng)過程中動(dòng)能變化量，J。

為獲得柴油機(jī)某轉(zhuǎn)動(dòng)過程中動(dòng)能變化值及該過程起點(diǎn)、終點(diǎn)角速度值，在柴油機(jī)軸端安裝轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器?？刂齐姍C(jī)勻加速運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得轉(zhuǎn)速、扭矩如圖2、圖3所示。

取t1、t2時(shí)間段，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n1、n2，對(duì)應(yīng)扭矩為T1、T2，則柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按式(7)計(jì)算:

圖2柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線示意圖

圖3柴油機(jī)扭矩曲線示意圖

三、柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)研制

1．硬件系統(tǒng)

為了滿足不同柴油機(jī)的空間位置要求，采用平行軸傳動(dòng)方式;同時(shí)設(shè)計(jì)了可調(diào)式支撐架，該支撐架與不同規(guī)格皮帶配合，可滿足不同平行軸中心距(柴油機(jī)軸與電機(jī)倒拖系統(tǒng)動(dòng)力輸出軸中心距);為適應(yīng)不同柴油機(jī)輸出軸法蘭的連接，設(shè)計(jì)了4個(gè)腰形孔均勻分布的連接法蘭。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4傳動(dòng)系統(tǒng)方案圖

2．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由式(7)可知，測(cè)試過程中需要得到電機(jī)倒拖柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中扭矩以及轉(zhuǎn)速參數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

該系統(tǒng)由扭矩測(cè)試、轉(zhuǎn)速測(cè)試、采集節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、采集終端以及電源組成，通過在近柴油機(jī)軸端安裝應(yīng)變片和霍爾傳感器，同步采集柴油機(jī)軸的扭矩值及轉(zhuǎn)速值，采用無線傳輸方式，避免硬件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由線纜造成的傷害。

圖5無線扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)

四、柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)用

為驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的性能，赴現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)濟(jì)柴G12V190、卡特CAT3406、卡特CAT3408等多種型號(hào)柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試。此處僅以濟(jì)柴G12V190型柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試為例進(jìn)行說明，該柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1G12V190型柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

測(cè)試步驟如下:

(1)將柴油機(jī)熱車30 min，使柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)等運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)停車，用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊對(duì)扭矩測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，消除裝配應(yīng)力、熱車運(yùn)轉(zhuǎn)后的其他應(yīng)力對(duì)應(yīng)變片的影響。

(3)設(shè)置變頻器參數(shù)，控制電機(jī)倒拖動(dòng)柴油機(jī)軸勻加速運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置采集頻率為500 Hz，采集扭矩與轉(zhuǎn)速參數(shù)。

(4)重復(fù)步驟(3)，分別測(cè)試3組數(shù)據(jù)。所測(cè)得扭矩與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如圖6所示。

數(shù)據(jù)分析時(shí)，首先對(duì)扭矩與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，并優(yōu)選出加速穩(wěn)定區(qū)域，同一機(jī)型的加速穩(wěn)定區(qū)應(yīng)基本相同。經(jīng)過對(duì)該機(jī)型加速范圍的優(yōu)選，確定70～100 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間為加速穩(wěn)定區(qū)域。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如表2所示。

由表2可以看出，3組測(cè)試數(shù)據(jù)所得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值相對(duì)穩(wěn)定，其RSD值(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值)較小，僅為2．39%，說明該實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果值穩(wěn)定，重復(fù)性好，可用數(shù)據(jù)平均值(18．09)作為該測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。

圖6實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2G12V190型柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算表

為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確性和可靠性，依據(jù)附加質(zhì)量法中的功率計(jì)算模型［3］，計(jì)算該柴油機(jī)功率為655．85 kW。將該功率與水力測(cè)功儀測(cè)試功率(水力測(cè)功儀測(cè)試功率為681．78 kW)進(jìn)行對(duì)比分析，兩者誤差為3．8%，滿足工程測(cè)試的要求。通過功率對(duì)比分析可知，該方法測(cè)試得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量準(zhǔn)確性高，可運(yùn)用于柴油機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)功率測(cè)試中。

五、結(jié)論

(1)本文所提出的基于電機(jī)倒拖測(cè)試柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法可行，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好，精度高，能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)最大功率測(cè)試提供可靠的關(guān)鍵參量。

(2)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，裝卸方便，空間適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，可廣泛應(yīng)用于陸地和海上油田不同類型柴油機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)功率測(cè)評(píng)。