Измерительные приборы для испытания двигателя ЯМЗ

Измерительные приборы для испытания двигателя ЯМЗ. М2 Испытания двигателей производят на специальных стендах.

Стенд имеет приспособления для установки и закрепления на нем двигателя, тормозное устройство, которое предназначено для поглощения мощности, развиваемой двигателем, приспособления для питания двигателя, его охлаждения, отвода отработавших газов и органы управления двигателем. Кроме того, стенд оборудуется измерительными приборами.

Фундамент и установка двигателя.

Приспособление для установки двигателя и тормозное устройство размещены на фундаменте.

Фундамент должен обеспечивать надежное закрепление двигателя и уменьшать до допустимых пределов передачу вибраций на соседние с фундаментом установки и стены здания.

Фундамент представляет собой массивную чугунную плиту, заделанную в бетонном основании. Верхняя плоскость плиты имеет пазы, в которые вводят головки анкерных болтов крепления универсальных стоек.

Стойка имеет суппорт, который может вертикально перемещаться в основании стойки.

Двигатель закрепляют или на суппортах стоек, или на промежуточной балке.

На таком стенде можно установить любой автомобильный двигатель, поэтому стенд называется универсальным.

Тормозная установка.

Эффективная мощность, развиваемая двигателем, при стендовых испытаниях поглощается тормозом. Для того чтобы определить мощность, развиваемую двигателем, необходимо измерить крутящий момент и соответствующую частоту вращения коленчатого вала. Для измерения крутящего момента тормоз снабжается весами.

Частоту вращения измеряют тахометром. Тормоз должен обеспечивать поглощение эффективной мощности во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, в которых работает испытуемый двигатель, стабильность торможения, т.е. поддержание постоянного тормозного момента в течение длительного времени, устойчивость торможения, т.е. сохранение неизменного скоростного режима при случайных изменениях нагрузки двигателя, возможность принудительного провертывания коленчатого вала двигателя.

Желательно, чтобы энергия, поглощаемая тормозом, полезно использовалась. В настоящее время применяют гидравлические, электрические и индукторные тормоза. Гидравлические тормоза проще, имеют меньшую стоимость и используются в тех случаях, когда не требуется принудительного провертывания коленчатого вала двигателя. Мощность двигателя, поглощаемая гидравлическим тормозом, затрачивается на совершение гидродинамической работы и на трение ротора тормоза о жидкость.

Схема гидравлического тормоза представлена на рис.1. Рис.1. Схема гидравлического тормоза Наибольшее распространение получили гидравлические тормоза лопастного и штифтового типов. Лопастной тормоз состоит из статора 3 и ротора 2, вал 9 которого вращается в подшипниках 4, и через фланец 10 и карданный вал соединен с коленчатым валом испытываемого двигателя. В статоре и роторе тормоза имеются карманы полуэллиптического сечения со специальными лопатками.

Конструкция лопастного тормоза аналогична конструкции гидромуфты. Во время работы тормоза вся его внутренняя полость заполняется водой. Вода увлекается ротором и отбрасывается к периферии на внутренние стенки статора. Вследствие трения воды о стенки статора скорость ее уменьшается и вода вновь стекает к валу 9 тормоза - устанавливается циркуляция воды. Во внутреннее пространство тормоза вода поступает из водопровода 1 через отверстия, расположенные у вала ротора.

Сливается через вентиль 8. Расход устанавливают таким, чтобы температура сливаемой воды была в пределах 50-75 С. Интенсивность торможения изменяют при помощи заслонок, устанавливаемых в зазор между статором и ротором. Для того чтобы измерить момент, развиваемый двигателем, статор 3 тормоза устанавливают в стойках 6 не жестко, а на подшипниках 5, и он может поворачиваться качаться относительно оси ротора. Такая подвеска тормоза называется балансирной.

Стойки 6 закреплены на плите основания 7 тормоза. Корпус статора соединен рычажным устройством с динамометром. При возникновении момента, который стремится повернуть статор, усилие передается на динамометр через рычаг. В качестве электрического тормоза применяется электрическая машина, которая может работать и как генератор когда она тормозит двигатель, и как электродвигатель когда она провертывает коленчатый вал двигателя. При вращении якоря генератора, соединенного с коленчатым валом двигателя, вследствие взаимодействия магнитных полей, в статоре возникает момент, стремящийся повернуть его в сторону вращения якоря.

При провертывании коленчатого вала двигателя электрической машиной вследствие взаимодействия магнитных полей в ее статоре возникает реактивный момент. Он равен крутящему моменту, необходимому для провертывания коленчатого вала двигателя, и направлен в сторону, противоположную вращению якоря. Подвеска электрических тормозов, так же как и гидравлических, делается балансирной.

Для того чтобы на весах можно было измерять момент, действующий на статор, то в одном, то в другом направлении, применяют реверсивную рычажную систему. При испытании автомобильных двигателей широко применяются электротормоза постоянного тока, обычно называемые балансирными динамомашинами. Тормоза этого типа регулируют током возбуждения, вследствие чего обеспечиваются стабильность работы тормозной установки, точность измерений. Кроме того, можно легко автоматизировать испытания при проведении их по заданной программе. Электрическая энергия, вырабатываемая тормозом, поглощается в реостатах или передается в сеть. В последнем случае балансирная динамомашина с независимым возбуждением электрически связана с электродвигателем постоянного тока, механически соединенным с генератором переменного тока, подключаемым к сети. Обмотки возбуждения генератора и балансирной Динамомашины питаются от сети переменного тока через автотрансформаторы и специальные выпрямители.

Такая схема обеспечивает простоту управления тормозом при испытаниях. Переход с моторного режима при принудительном провертывании коленчатого вала двигателя на генераторный торможение двигателя осуществляется автоматически при включении подачи топлива и зажигания испытуемого двигателя.

Заданная частота вращения автоматически поддерживается независимо от изменений мощности испытуемого двигателя. Область применения электротормозов постоянного тока ограничивается частотой вращения якоря и мощностью.

Поэтому для испытаний быстроходных двигателей большой мощности и особо быстроходных двигателей например, гоночных применяют электротормоза переменного тока. Все больше начинают распространяться индукторные тормоза, характеризующиеся высокой надежностью, большой энергоемкостью, меньшей стоимостью изготовления и эксплуатации и возможностью автоматизации испытаний по жестким программам. Схема индукторного тормоза приведена на рис.2. В статор 1 вмонтирована катушка возбуждения 2. Ротор 3 представляет собой диск или барабан с зубьями прямоугольной формы.

Вал 9 ротора через фланец 6 и карданный вал соединяется с коленчатым валом испытуемого двигателя. Катушка возбуждения 2 создает магнитный поток, имеющий наибольшее значение в местах расположения зубьев ротора. Во время вращения ротора отдельные участки статора последовательно намагничиваются и размагничиваются. Вследствие этого возникают вихревые токи. При взаимодействии основного магнитного поля с магнитным полем вихревых токов создается сопротивление вращению ротора.

Вихревые токи нагревают статор. Для отвода тепла статор охлаждается водой, подводимой по трубопроводам 5 в систему охлаждения 4. В некоторых конструкциях охлаждающая вода подводится в полость между статором и ротором. В этом случае вода обеспечивает дополнительный тормозной эффект. Статор тормоза имеет балансирную подвеску на стойках 8, установленных на основании 7. Рис.2. Схема индукторного тормоза Индукторный тормоз регулируют путем изменения силы тока возбуждения. Мощность возбуждения для индукторных тормозов значительно меньше, чем для любой другой электрической машины.

Это упрощает автоматизацию испытательных стендов, оборудованных индукторными тормозами. Недостатками индукторных тормозов является невозможность принудительного вращения коленчатого вала испытуемого двигателя и рекуперации поглощаемой тормозом энергии. Для устранения первого недостатка последовательно с тормозом включается электродвигатель переменного тока или небольшая балансирная динамомашина постоянного тока. Для того чтобы провести испытания двигателя и определить его показатели на всех возможных режимах работы, необходимо так подобрать тормоз, чтобы он по показателям соответствовал данному двигателю.

Соответствие тормоза двигателю устанавливают путем совмещения известной или предполагаемой скоростной характеристики двигателя и внешней характеристики тормоза. Внешняя характеристика электрического тормоза рис.3 постоянного тока дает представление о предельных возможностях тормоза, определяемых максимально Допустимой силой тока обмотки, максимально допустимой мощностью электрической машины и максимальным напряжением.

Линия 0-1 соответствует мощности, поглощаемой при полной нагрузке тормоза. Характер протекания этой линии определяется типом тормоза. Рис.4. Внешняя характеристика электрического тормоза В точке 1 достигается максимальный тормозной момент допускаемый прочностью вращающихся частей тормоза. При дальнейшем возрастании частоты вращения поглощаемая тормозом мощность увеличивается по прямой 1-2, т.е. при постоянном максимальном крутящем моменте.

В точке 2 достигается максимально допустимая по нагреву обмоток мощность тормоза или воды в гидравлическом тормозе. Линия 2-3 характеризует максимальную мощность тормоза по условию предельного нагрева обмоток. Торможение по прямой 2-3 возможно при разгрузке тормоза и соответствующем уменьшении крутящего момента. Прямая 3-4 определяется напряжением от действия центробежных сил и показывает, до каких пределов можно увеличивать частоту вращения ротора.

Линия 0-4 соответствует минимальной мощности тормоза при полной его разгрузке или отсутствии воды в гидравлическом тормозе. При правильном выборе тормоза весь исследуемый диапазон скоростных и нагрузочных режимов испытуемого двигателя должен располагаться в пределах рабочей области 0-1-2-3-4-0 характеристики тормоза кривая 3 . Если характеристика кривая 2 испытуемого двигателя выходит за пределы линии 0-1-2, то двигатель нельзя испытывать при частоте вращения меньше 1500 об мин. Если характеристика кривая 2 испытуемого двигателя выходит за пределы линии 2-3, то тормозная установка непригодна для испытания данного двигателя.

Следует учитывать, что электрические и индукторные тормоза допускают кратковременные перегрузки до 100 . При выборе типа тормоза для испытания данного двигателя нужно обращать внимание на устойчивость работы системы двигатель-тормоз.

Устойчивостью системы называется способность тормоза автоматически поддерживать заданный скоростной или нагрузочный режим двигателя. Устойчивость работы обеспечивается в том случае, если при случайном изменении частоты вращения коленчатого вала испытуемого двигателя автоматически возникают моменты, под действием которых система стремится вернуться к заданному режиму. Величина таких восстанавливающих моментов различна у разных тормозов наибольшая у гидравлических тормозов, несколько меньшая у электрических и наименьшая у индукторных.

Вследствие этого в индукторных тормозах обычно применяется автоматическое регулирование скоростного режима. Соединение двигателя с тормозом. Двигатель, установленный на стенде, соединен с тормозом двухшарнирным карданным валом. Рекомендуется соединение осуществлять непосредственно и коробку передач применять лишь в необходимых случаях. При установке карданного вала должно быть произведено центрирование, т.е. обеспечена соосность валов двигателя и тормоза.

Прочность карданного вала должна не только соответствовать максимальным крутящим моментам испытуемых двигателей, но и обеспечивать передачу резких изменений нагрузки, которые возникают при переходе с моторного режима на режим торможения или при неустойчивой работе двигателя. В связи с этим наряду с жесткими карданными шарнирами используют резинометаллические элементы или мягкие карданы с промежуточным резиновым элементом. При выборе размеров кардана следует проверить, не возникают ли резонансные колебания на скоростных режимах, при которых будут проводиться испытания.

По правилам техники безопасности все карданное соединение должно быть заключено в защитный кожух. Питание двигателя топливом. Для того чтобы обеспечить питание испытываемого двигателя топливом, стенд оборудован системой питания и приборами, измеряющими расход топлива. На крупных испытательных станциях топливо к каждой тормозной установке поступает по специальным трубопроводам. В зависимости от количества сортов топлива, которое может потребоваться при испытаниях, к тормозным установкам подводится несколько трубопроводов.

Топливные баки чаще размещают в том же помещении, что и тормозной стенд. Емкость баков 50-100л и более. Желательно иметь несколько баков, что дает возможность применять разные сорта топлива и проводить детонационные испытания. Для измерения расхода топлива применяют приборы для визуального наблюдения за мгновенным расходом топлива и для измерения расхода топлива после установки заданного режима.

Для визуального наблюдения устанавливают поплавковые расходомеры ротаметры. Если необходимо оценить работу двигателя на неустановившихся режимах, применяют специальные расходомеры, показания которых записываются на ленте осциллографа. Для измерения расхода топлива на установившемся режиме используют метод измерения времени расхода определенных объемов или масс порций топлива. Объемный способ применяется при испытаниях карбюраторных двигателей.

Топливо поступает к карбюратору или из топливного бака, или из предварительно заполненных емкостей, объем которых известен. При замере питание двигателя переключают на мерные объемы и определяют время расходования определенного объема топлива. Подача топлива из мерного объема осуществляется вручную, а при использовании специальных приборов автоматически. На рис.4 показаны схемы для автоматического измерения расхода топлива. а - объемным б - массовым 1 - осветители 2 - мерная емкость 3 - фотодиоды 4 - блок автоматики 5-8 - электромагнитные вентили 9 - расходный бак 10 - датчик 11 - весы Рис.4. Схемы автоматического измерения расхода топлива Массовый способ определения расхода топлива применяется при испытании дизелей.

Питание двигателя воздухом. Питание воздухом осуществляется через воздушный фильтр испытуемого двигателя, а в том случае, если необходимо измерить расход воздуха через воздухомер или мерный насадок. Наибольшее распространение получили объемные расходомеры, аналогичные по устройству роторно-лопастным нагнетателям.

Счетчик расходомера непрерывно показывает расход воздуха. Часовой расход воздуха определяют путем измерения расхода воздуха в единицу времени и соответствующего пересчета. При установке воздухомера и трубопроводов, соединяющих его с карбюратором, изменяется сопротивление на входе во впускную систему, что часто приводит к возникновению во впускном тракте резонансных колебаний. Вследствие этого изменяется наполнение, а на некоторых режимах искажается характеристика двигателя возникают провалы. Для того чтобы исключить эти нежелательные явления, воздухомер следует соединять с двигателем через промежуточную емкость с демпфирующей стенкой и при необходимости изменять регулировку карбюратора.

Отвод отработавших газов. Отработавшие и картерные газы содержат вредные для здоровья человека вещества и должны быть полностью отведены за пределы помещений испытательной станции. Газы отводятся или через общий для всей испытательной станции коллектор, или через индивидуальную для каждой установки систему.

Согласно ГОСТ устройство для отвода отработавших газов не должно создавать противодавления у выходного отверстия выпускного трубопровода двигателя более 20мм рт. ст. 3,6 кН м2 . Общий коллектор обычно устанавливается на испытательных станциях с большим числом тормозных стендов. Они оборудуются вытяжными насосами, обеспечивающими допускаемое противодавление, глушителем и очистными устройствами. По другим правилам двигатель должен испытываться с выпускной системой автомобиля, для которого предназначен испытуемый двигатель международный стандарт R1585 DIN . В этих случаях в отводные трубопроводы отработавшие газы поступают из выпускной системы после глушителя автомобиля.

Охлаждение двигателя. Устройство для охлаждения двигателя, установленного на стенде, предназначено для поддержания постоянной температуры жидкости в системе охлаждения двигателя в пределах 80-90 С. Применяются две системы охлаждения двигателя с замкнутой циркуляцией жидкости и разомкнутой циркуляцией жидкости с добавлением холодной воды из водопроводной сети. На рис.5 показана схема системы охлаждения смешанного типа. Рис.5. Схема системы охлаждения Вода из рубашки охлаждения испытуемого двигателя 4 поступает по трубопроводу 3 в градирню 2. Охлажденная в градирне вода подается центробежным насосом 7 в резервуар 1. Из него вода поступает в систему охлаждения двигателя по трубопроводу 5. Интенсивность охлаждения воды в градирне регулируется вентилятором 6. В этой системе вода совершает круговое движение и расходуется только на испарение в градирне.

Добавляют воду из водопровода по трубе 8. Излишки воды сливаются в канализацию по трубопроводу 9. Температуру воды регулируют вручную или автоматически и измеряют на выходе из системы охлаждения.

При испытаниях двигателей с воздушным охлаждением, как правило, используют систему охлаждения испытуемого двигателя, включающую вентилятор и направляющий кожух вокруг двигателя.

Целесообразно устанавливать воздуходувку для обдува всей установки. Измеряется температура воздуха, выходящего из кожуха двигателя. При помощи термопар замеряют температуру стенок головки блока и блока цилиндров. Для этого необходимо сделать несквозные отверстия в тех стенках двигателя, за температурой которых ведется наблюдение. Смазка двигателя. При испытаниях двигателя должна быть обеспечена температура масла 85-95 С. Для этой цели на стенде применяется воздушное или водяное охлаждение соответствующих элементов системы смазки двигателя поддон картера, масляный радиатор. Во время работы двигателя на стенде наблюдают за температурой и давлением масла в системе смазки двигателя.

Пульт управления двигателем. Органы управления двигателем, тормозом и измерительные приборы размещены на центральном пульте. Органы управления обеспечивают возможность на расстоянии от двигателя плавно изменять положение дроссельной заслонки рейки топливного насоса и угла опережения зажигания и фиксировать их в выбранном положении, а также включать или выключать тормоз, изменять нагрузку, скоростной режим и т.п. Современные установки для испытания двигателей снабжаются системами программирования - устройствами, автоматически изменяющими режим работы двигателя и тормоза по предварительно заданной программе. Пульт управления размещен около двигателя или в специальной звукоизолированной кабине, из которой двигатель хорошо виден.

Измерительная аппаратура.

Оснащение стенда измерительными приборами зависит от вида испытаний, которые предполагается проводить на данной установке. При проведении контрольных, приемочных и регулировочных испытаний измеряют следующие параметры крутящий момент, Н м или кгс м частоту вращения коленчатого вала, об мин и суммарная за определенное время опыта расход топлива, кг ч температуру, С окружающего воздуха воды, выходящей из системы охлаждения масла в картере отработавших газов на выходе из выпускного трубопровода давление или разрежение, Н м2 или кгс см2 окружающего воздуха масла в магистрали топлива после топливного насоса горючей смеси во впускном трубопроводе угол опережения зажигания, градусы поворота коленчатого вала расход воздуха, кг ч влажность окружающего воздуха абсолютная, Н м2, и относительная Для проведения таких испытаний, как детонационные, испытаний по определению токсичности, шума и вибрации, стенд оборудуют специальной измерительной аппаратурой.

Приборы должны обеспечивать точность измерения, установленную международным стандартом.

В соответствии с установленными правилами о контроле измерительных приборов измерительную аппаратуру периодически проверяют и тарируют. Схема маятниковых весов показана на рис.6. Рис.6. Схема маятниковых весов Установившийся крутящий момент на валу двигателя измеряют с помощью весов динамометров. Обычно применяются маятниковые квадрантные весы. Весы состоят из двух маятников 1, укрепленных на кулаках-квадрантах 2. Кулаки подвешены на тонких стальных лентах 4 к направляющим 5, укрепленным в корпусе весов.

Усилие Р от тормоза через балансир 9 и две стальные ленты 8 передается кулачкам 7. Кулачки объединены с квадрантами 2. Под действием усилия Р маятники начинают перемещаться, перекатываясь по направляющим 5 кулаками 2. При этом они совершают сложное движение, отклоняясь в стороны и поднимаясь на некоторую высоту. Балансир 9 смещается вниз. Движение балансира через рейку и шестерню 6 передается стрелке 3, которая перемещаясь по шкале 10, показывает величину усилия. Мгновенные значения крутящего момента двигателя, работающего на переменных режимах, измеряют путем определения деформации кручения некоторого участка вала с помощью динамометрических муфт. Для измерения угла закручивания применяют индуктивные, фотоэлектрические датчики перемещений, тензодатчики и др. Для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя используют тахометры для визуального наблюдения за мгновенной частотой вращения и суммарные счетчики с секундомерами для определения среднего значения частоты вращения за соответствующий промежуток времени.

Угол опережения зажигания измеряют при помощи искрового устройства, которое может быть изготовлено в условиях обычной испытательной станции, или специальными электронными приборами, обеспечивающими большую точность измерения и возможность дистанционного наблюдения за углом опережения зажигания.

Температура рабочих тел и деталей двигателя изменяется в очень широких пределах, поэтому при испытаниях для измерения температур применяют различные приборы и аппаратуру.

Температура воды, масла, топлива, окружающего воздуха, изменяется медленно или остается постоянной. Требуемый диапазон измерения -40ч 120 G. Для измерения этих температур применяются ртутные и спиртовые термометры, дистанционные термометры манометрического типа, термосопротивления. Температура газов в цилиндре двигателя изменяется с большой скоростью и достигает 2500 С. Мгновенные значения температур газа в процессе сгорания измеряются оптическими приборами.

Среднюю температуру в камере сгорания отработавших газов определяют термопарами с гальванометрами. Температуру деталей двигателя измеряют термопарами хромель-копелевыми, нихром - константановыми и др а также с помощью специальных термокрасок и плавких вставок. Передача сигнала на регистрирующую аппаратуру от движущихся деталей поршень, клапан вызывает большие трудности, поэтому испытуемый двигатель оборудуют специальными токосъемными устройствами с периодическим или непрерывным контактом. 4.