柴油機冷試臺架控制系統(tǒng)項目設(shè)計方案

1 柴油機冷試臺架控制系統(tǒng)項目設(shè)計方案 究的背景與意義 柴油機因為其功率大、經(jīng)濟(jì)性能好而在各個行業(yè)中被廣泛的應(yīng)用， 是大量輕重型車輛機械的動力源。柴油機的裝配質(zhì)量的高低將會直接決定其整體性能的優(yōu)劣 1 。 以前，柴油機的生產(chǎn)制造企業(yè)在柴油機的總成裝配完成以后都會進(jìn)行數(shù)十分鐘的柴油機熱試試驗以檢測柴油機的運行工況以及發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題。通常情況下，熱試驗的測試時間都會較長，因此在裝配線上需要布置多臺熱試驗設(shè)備（一般也為臺架），并 且在測試過程中需消耗燃油、機油和冷卻液，而且熱試過程中柴油機所產(chǎn)生的廢氣廢物不僅對環(huán)境造成污染，而且長期下來員工的身體健康也會受到危害 2 。去年學(xué)院組織在安慶中柴實習(xí)，我們見到了大型的船用柴油機試驗車間，每個試驗平臺都有排氣管道通到車間外面，柴油機周身傳感器線路遍布，試驗車間機器轟鳴，車間工作環(huán)境比較艱苦。下圖 1 圖 1慶中柴試驗車間 在環(huán)境保護(hù)的觀念日益深入人心以及柴油機的制造、裝配質(zhì)量提 升的雙重需 2 求下，冷試技術(shù)便應(yīng)運而生。 冷試技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的測試技術(shù)，相對于熱試，有著下列比較明顯的優(yōu)點： （ 1） 盡早地發(fā)現(xiàn)有缺陷或裝配不合格的柴油機而使不合格率降低（大約30%），從而更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量，這也是對成本的一種變相控制； （ 2） 冷試測試時間相對于熱試時間來說比較短暫，熱試大約需要柴油機運行 15 分鐘左右，才能得到比較全面的數(shù)據(jù)，而冷試的測試時間可以縮短至 3大提高了柴油機的檢測效率； （ 3） 冷試由于使用外部電機驅(qū)動，無需使用燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，對于節(jié)約成本、減少廢氣排放有著重要意義； （ 4） 可以在 柴油機未造成損壞前發(fā)現(xiàn)缺陷并及時返修； （ 5） 柔性產(chǎn)品，可以由用戶自定義適合自己產(chǎn)品的測試項目，測試項目并非固定的，測試系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求對測試項目進(jìn)行修改； （ 6） 可以為維修人員提供更多關(guān)于缺陷的信息。 但是冷試技術(shù)也存在不足，如： （ 1） 柴油機有些情況冷試時無法檢測，比如柴油機實際運轉(zhuǎn)時的振動以及溫度的影響造成的泄漏、排放污染的缺陷，因為冷試并沒有真正模擬工作狀態(tài)，不會產(chǎn)生相似的振動、溫度狀態(tài)； （ 2） 冷試測試時間比較短暫，發(fā)動機穩(wěn)定工作時間過短，可能會出現(xiàn)錯誤警告； （ 3） 冷試無法測試發(fā)動機輸出功率 ,無法測試未安裝部件的質(zhì)量。 正是由于冷試技術(shù)相對于熱試的這些特點，冷試技術(shù)日益應(yīng)用于柴油機裝配線中。但熱試因為其獨特的作用，在新型號投入生產(chǎn)時的檢測中依舊占有一席之地。 3 圖 1型發(fā)動機熱試車間 試技術(shù)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀與存在的問題 試技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外許多著名的汽車企業(yè)所生產(chǎn)的汽柴油發(fā)動機在總成裝配完成后都會采用以冷試試驗為主，通常的做法是以熱試試驗為輔，一般是將其作為抽檢產(chǎn)品所采用的方法。對于冷試技術(shù)應(yīng)用的這一做法在國外幾乎囊括了所有的知名廠家，包括德國大眾、美國通用等，而冷試技術(shù)的應(yīng)用在 國內(nèi)來講，仍屬鳳毛麟角，除個別國外獨資或中外合資的汽車發(fā)動機廠有冷試試驗臺外，國內(nèi)自主的汽柴油機生產(chǎn)廠家還很少見到有大量應(yīng)用冷試技術(shù)進(jìn)行汽車發(fā)動機在線檢測，我們之前所提到的安慶中柴船用柴油機廠所采用的測試項目便是熱試技術(shù)。 試技術(shù)的大致流程 冷試技術(shù)的運用的通常做法是：首先需要設(shè)定一臺制造、裝配合格的柴油機作為參考基準(zhǔn)，后期測試的柴油機所得的測試數(shù)據(jù)（一般為比較直觀的數(shù)據(jù)曲線）與這一基準(zhǔn)相比較（在一定的誤差允許范圍之內(nèi)）而發(fā)現(xiàn)問題的所在。將冷試檢測設(shè)備（一般為冷試臺架）安裝在裝配線某工位上，當(dāng) 裝配完成的發(fā)動機到達(dá)該工位時，通過外部電機帶動柴油機的曲軸運轉(zhuǎn)，并在運轉(zhuǎn)過程中通過大量的高精度的傳感器對柴油機進(jìn)排氣壓力、曲軸和凸輪軸的相位角、機油系統(tǒng)的壓力與溫度、軸扭矩等物理量進(jìn)行測試，通過所得到的數(shù)據(jù)分析不僅可以檢測出柴油機零部件制造、裝配質(zhì)量的優(yōu)劣，而且還可以發(fā)現(xiàn)柴油機潛在的故障，分析其產(chǎn)生根 4 源，從而將缺陷控制在生產(chǎn)線內(nèi)。比如汽柴油機的進(jìn)排氣壓力測試，可以較為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并識別發(fā)動機是否存在漏、閥門密封等問題、活塞墊圈安裝問題、汽缸壁制造、裝配問題、沖擊調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)問題，以及凸輪軸時序配合等潛在的問題。特別是近些年來計算機技術(shù)以及噪聲震動分析技術(shù)的飛速發(fā)展，將噪聲震動分析技術(shù)應(yīng)用到柴油機冷試臺的設(shè)計上，使得現(xiàn)代的柴油機冷試臺架有可能全面地對柴油機的制造、裝配質(zhì)量進(jìn)行判定和評估，其精細(xì)程度檢到零部件一級也不是不可能的。 試技術(shù)的實際運用 冷測試技術(shù)可以說已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)柴油機測試的要求，但由于熱測試所具有的不能替代的功用，因此在現(xiàn)實實際中，在柴油機生產(chǎn)裝配完成后，一般進(jìn)行 100%的冷試，而后再進(jìn)行 10熱試抽測作為統(tǒng)計過程控制之用，即所謂的冷試為主，熱試為輔的做法，這樣測試成本大概可 以降低 20因此可采用幾臺冷測試設(shè)備，通過進(jìn)行全部冷試及部分熱試的方法撤銷原有的大量熱試臺架，從而既能有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，也能同時降低生產(chǎn)的成本，廣受生產(chǎn)廠家的歡迎。 試技術(shù)存在的問題 冷試技術(shù)在國外已經(jīng)較為成熟，并且運用得相當(dāng)廣泛，肯定也會存在問題但可能面臨更多的是發(fā)展與優(yōu)化。因此，這里我們主要是探討冷試技術(shù)在國內(nèi)所存在的問題。 冷試技術(shù)在國內(nèi)的研究起步較晚，現(xiàn)在許多大型生產(chǎn)企業(yè)仍主要使用熱試進(jìn)行出廠質(zhì)量檢測，而冷試技術(shù)作為一個比較先進(jìn)的檢測技術(shù)尚未被行業(yè)內(nèi)普遍接受，所以對冷試臺架的研 究并不充分。在此基礎(chǔ)上，作者覺得有機會可以向國外先進(jìn)的研究成果學(xué)習(xí)借鑒。國內(nèi)有些汽車柴油機生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始意識到冷試技術(shù)的優(yōu)越性，并且已經(jīng)和有關(guān)研究單位進(jìn)行接觸，柴油機冷試技術(shù)作為一種新型的裝配質(zhì)量在線檢測技術(shù)，正日趨成熟并被諸多汽車制造廠商引入柴油機裝配線中，在市場上擁有廣闊的前景。作者在課題開始時進(jìn)行了大量的資料檢索，發(fā)現(xiàn)許多院校、研究所都有與這相關(guān)的研究，以及一些實用性的例子，比如東風(fēng)汽車已將冷試技術(shù)運用于實際。相信用不了多少時間，冷試技術(shù)也會在國內(nèi)的柴油機 5 生產(chǎn)中大展宏圖。 文的研究內(nèi)容 基于對冷試技術(shù)的研究理解以及現(xiàn)有的運用于實際的臺架設(shè)計的方案，提出一套行得通的柴油機冷試臺架設(shè)計方案。主要的研究內(nèi)容如下： （ 1）調(diào)研收集分析有關(guān)資料，了解柴油機的結(jié)構(gòu)及其工作原理，整理有關(guān)柴油機測試技術(shù)資料（包括熱試技術(shù)與冷試技術(shù)）。 （ 2）在研究柴油機相關(guān)資料基礎(chǔ)上，提出柴油機冷試臺架設(shè)計方案，并進(jìn)行主要參數(shù)的設(shè)計、計算和分析，包括臺架驅(qū)動部分伺服電機的計算選型、聯(lián)軸器軸徑的計算、步進(jìn)電機的計算選型等。 （ 3）用 模軟件對冷試臺架進(jìn)行簡單的三維建模，主要實現(xiàn)工作臺 感器支柱 及傳感器平臺 （ 4）收集分析傳感器的相關(guān)資料，了解各個所需類型的傳感器的工作用途、工作方法，設(shè)計出一套柴油機冷試臺架的傳感器解決方案。 （ 5）基于對已實際運用的臺架設(shè)計的方案的理解，設(shè)計出相應(yīng)的設(shè)備冷試驗流程方案。 6 第二章 柴油機冷試臺架的設(shè)計 柴油機冷試臺架的設(shè)計是冷試技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。一臺高精度、布局合理的冷試臺架不僅可以給出更加準(zhǔn)確的缺陷信息，還可以節(jié)約檢測時間、提高生產(chǎn)效率，也在一定意義上節(jié)約了企業(yè)成本，即所謂的“技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。 試及臺架系統(tǒng) 測試系統(tǒng) 的構(gòu)成 冷測試系統(tǒng)主要由三大系統(tǒng)組成，分別為機械控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及信號分析系統(tǒng) 3 。 圖 2試系統(tǒng)的構(gòu)成 機械控制系統(tǒng)：是臺架設(shè)計的核心，主要是為了后續(xù)的各參數(shù)的測量而設(shè)計的機械定位、裝夾、平臺移動和封堵等機構(gòu)組成。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：是冷測試項目中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，從測試項目的選擇開始進(jìn)而進(jìn)行傳感器類型的選擇、安裝與工作方法等等偏硬件方面的環(huán)節(jié)，以及傳感器信號采集以及顯示等偏軟件方面的環(huán)節(jié)。 信號分析系統(tǒng)：關(guān)于傳感 器采集信號處理以及分析的系統(tǒng)設(shè)計。主要是采用不同的數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過先期的故障映像來自動判定柴油機是否合格，若不合格則根據(jù)數(shù)據(jù)繼續(xù)分析故障來源等，目前主要在 數(shù)據(jù)的采集、分析是冷試技術(shù)的核心。 7 故障映像，即通過預(yù)先設(shè)置的柴油機故障模式，通過臺架的試驗得到相對應(yīng)的異常數(shù)據(jù)與波形，預(yù)先設(shè)置的這些數(shù)據(jù)與波形組成相應(yīng)的矩陣，為后期的柴油機故障排查與維修提供依據(jù)。簡單地說，即將某臺已知的合格柴油機作為基準(zhǔn)柴油機，其特性參數(shù)在一定的范圍內(nèi)，檢測的未知的柴油機所采集的數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的特性參數(shù)相對照 ，符合即為合格，否則根據(jù)具體的數(shù)據(jù)、波形進(jìn)而判定故障來源等。 試臺架的構(gòu)成 冷試臺架的設(shè)計主要與機械控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器類型選擇、安裝、工作方法等偏硬件的方面有關(guān)。臺架的實物如下圖 2 圖 2冷試臺架 冷試臺架一般都是由三個系統(tǒng)構(gòu)成： （ 1）驅(qū)動系統(tǒng) 此系統(tǒng)中包括 驅(qū)動柴油 機 曲軸的電機、驅(qū)動 動 臺架系統(tǒng)提供動力。 （ 2）自動裝夾、耦合系統(tǒng) 此系統(tǒng)中包括 被測柴油機的自動定位夾緊裝置、被測柴油機的曲軸 與驅(qū)動軸的自動耦合裝置等，提供定位夾緊功用。 （ 3）傳感器測試系統(tǒng) 此系統(tǒng)中包括 傳感器類型的選擇、傳感器正確的安裝、工作方法等。 試臺架的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 關(guān)于作者的冷試臺架設(shè)計，在查閱了大量相關(guān)資料之后，將按照三個系統(tǒng)進(jìn) 8 行闡述，并對相關(guān)的電機進(jìn)行計算選型、傳感器類型的選擇等。 作為冷試臺架的核心設(shè)計，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要，所選擇電機的類型與精度對臺架最終的精度的影響不言而喻。傳動方式的不同選擇，甚至?xí)ε_架結(jié)構(gòu)布局產(chǎn)生翻天覆地的影響，力求以簡單的設(shè)計在最大程度上符合臺架設(shè)計的要求。這涉及了大量機 械設(shè)計方面的知識，是對大學(xué)課程的一次很好的總結(jié)與應(yīng)用。 架主軸傳動的設(shè)計 臺架主軸傳動，帶動柴油機的曲軸模擬正常的工作狀況進(jìn)行運轉(zhuǎn)，進(jìn)行四沖程工作狀態(tài)，由此才能進(jìn)行柴油機各項參數(shù)的測試，這是冷試臺架的基礎(chǔ)傳動設(shè)計。 在作者設(shè)計的主軸傳動中，首先由外部驅(qū)動伺服電機與扭矩傳感器通過剛性聯(lián)軸器（凸緣聯(lián)軸器）相連接，再通過星形彈性聯(lián)軸器與柴油機曲軸相連接，最終帶動柴油機傳動。 圖 2軸傳動 外部驅(qū)動電機的選擇，應(yīng)該要滿足以下幾個要求： （ 1）滿足測試柴油機的調(diào)速要求并且便于調(diào)速，柴油機測試時 要求柴油機分別在額定轉(zhuǎn)速（即高速）與中低速進(jìn)行參數(shù)的測量，得到不同工況下的柴油機的相關(guān)數(shù)據(jù)； （ 2）啟動扭矩大且能夠傳遞大扭矩使柴油機曲軸正常運轉(zhuǎn)； （ 3）無級調(diào)速，適應(yīng)自動化設(shè)備的要求。 由于這外部電機的選擇與擬測試的柴油機的參數(shù)有著直接的關(guān)系，即使實際運用的臺架驅(qū)動電機選擇也是與本企業(yè)的產(chǎn)品密不可分的，故查閱了許多資料的前提下，設(shè)置待測的柴油機參數(shù)： 4110型柴油機 尺寸 763 664 643 質(zhì)量 M=400 額定轉(zhuǎn)速 1500 輸出功率 409 由功率扭矩公 式 n 9550（ 2 其中 P：功率（ n：轉(zhuǎn)速（ 可得擬設(shè)置的柴油機輸出扭矩為 T=255 N m 。 鑒于以上幾個電機選擇要求，調(diào)速是其一大特點。作者查閱了些許調(diào)速電機的資料，目前主流的電機調(diào)速包括： （ 1）變頻調(diào)速，效率高，調(diào)速范圍大、精度高但是技術(shù)復(fù)雜，造價高且維護(hù)檢修困難； （ 2）串級調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速； （ 3）電磁調(diào)速，裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單，維修方便，調(diào)速平滑但是效率相對于其他調(diào)速電機較低。 最終作者選擇了電磁調(diào)速電機作為臺架的外部驅(qū)動電機，因其適用于恒轉(zhuǎn)矩的無級調(diào)速，并且可適用于長時間的高速運轉(zhuǎn)以及短時間的中低速運轉(zhuǎn)。在啟動時，要求傳遞的扭矩比較大，一般的電機較難滿足，而電磁調(diào)速電機可以較平滑的啟動，當(dāng)啟動轉(zhuǎn)矩過大時， 可在起動前 先將 離合器的勵磁電源 斷開 ，使鼠籠電動機空載起動，然后再接上勵磁電源就可起動了。 所選擇的電磁調(diào)速電機的具體參數(shù)如下： 功率 P=45額定轉(zhuǎn)矩 T=286N m 調(diào)速范圍 150見所選擇的電機參數(shù)可以滿足帶動柴油機曲軸的要求。 電磁調(diào)速（滑差）電機實物如下圖 2示： 圖 2磁調(diào)速（滑差）電機 10 扭矩傳感器的選擇，主要是根據(jù)前面確定的電磁調(diào)速電機、柴油機的參數(shù)進(jìn)行選型。 動態(tài)扭矩傳感器 是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機械功率的精密測量儀器，應(yīng)用范 圍十分廣泛。 動態(tài)扭矩傳感器的基本原理：采用應(yīng)變片技術(shù) ,彈性軸上組成應(yīng)變橋 ,向應(yīng)變橋供電，當(dāng)軸受到扭矩時會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電信號。將該信號通過放大電路放大后，通過壓 /頻轉(zhuǎn)換技術(shù)，轉(zhuǎn)換成與扭矩成正比的頻率信號。 所選擇的扭矩傳感器量程范圍根據(jù)主軸所要求的傳遞扭矩來看，定為500 N m。 圖 2矩傳感器 在主軸傳動中，電磁調(diào)速電機軸與扭矩傳感器軸之間依靠剛性聯(lián)軸器相連接，扭矩傳感器軸與柴油機曲軸之間依靠星形彈性聯(lián)軸器相連 接。所選擇的聯(lián)軸器差異性的原因： （ 1）電機與扭矩傳感器倆者經(jīng)過同軸心校核，通過螺栓螺紋連接固定在冷試臺架上，倆者不會產(chǎn)生小幅度的相對位移或振動，剛性聯(lián)軸器已可以滿足連接要求。凸緣聯(lián)軸器應(yīng)用得最為廣泛，價格也相對低廉。 （ 2）扭矩傳感器與柴油機曲軸的連接，因為柴油機通過自動定位夾緊裝置固定在工作臺上，但是在冷測試過程中，雖不會出現(xiàn)熱試時的大幅振動，但是小幅振動再所難免，因此選用星形彈性聯(lián)軸器進(jìn)行連接，可以降低振動對軸的破壞程度。 軸與聯(lián)軸器直接通過平鍵相連接，相對應(yīng)類型的扭矩傳感器、電磁調(diào)速電機的 軸徑以及軸上的鍵參數(shù)都已經(jīng)給定，接下來進(jìn)行平鍵的強度校核工作，來確保 11 所選取的鍵聯(lián)接可以傳遞主軸傳動所需要的扭矩 4 。 扭矩傳感器： d=38 鍵 250810 軸上槽深 要傳遞的扭矩 1T =255N m 強度校核： 根據(jù)公式 41（ 2 式中 l p據(jù)鍵的材料、負(fù)載類型確定 ,鍵材料 45鋼，載荷系數(shù) p=125 可得 T=380N m 255N m 因此扭矩傳感器上的鍵符合要求。 電磁調(diào)速電機： d=40鍵 50810 上槽深 要傳遞的極限扭矩 86N m 強度校核： 根據(jù)公式（ 2得 T =380N m 286N m 因此電機上的鍵符合設(shè)計要求。 向工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 X 向工作臺即柴油機自動定位夾緊的平臺，作者采用同步帶 保證工作臺在待測柴油機裝夾完成后可以到達(dá)準(zhǔn)確的位置，為接下來的柴油機曲軸與聯(lián)軸器自動耦合聯(lián)接提供前提條件。 來確定，在臺架上固定一個位置傳感器，在運動的工作臺上安裝有相對應(yīng)的另一個傳感器，當(dāng)倆個傳感器重合時，控制系統(tǒng)會給驅(qū)動電機一個停止信號，工作臺則停止在指定位置。這要求傳感器的精度即響應(yīng)頻率較高。 （ 1） X 向工作臺的動力源擬采用步進(jìn)電機，因為其良好的操控性能，滿足臺架要求的運行高精度要求。接下來將對步進(jìn)電機根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的計算選型。 擬定的工作臺參數(shù)以及運動要求如下： =500 導(dǎo)軌運行的距離 L=2m，步進(jìn)電機完成驅(qū)動工作的運行總時間為 t=10s，電機啟停時 間 t1=s（電機啟停時間一般為 s）； 皮帶輪直徑 d=40 12 首先進(jìn)行運動學(xué)分析計算： 圖 2塊運動示意圖 根據(jù)平均速度公式 2 式中 根據(jù)擬定的數(shù)據(jù)可得滑塊的平均速度 。 假設(shè)電機 啟停階段均為勻加速運動，則根據(jù)公式： )21(2/)21( （ 2 式中 最大速度； 可得 92。 根據(jù)加速度公式 1（ 2 式中 v 12 ； 可得啟動加速階段的加速度 2/92 。 同理可得 停止減速階段的加速度為 2/92 。 接下來進(jìn)行動力學(xué)計算： 同步帶上需要拉力 F=Ma+f （ 2 式中 根據(jù)摩擦力公式 f= （ 2 式中，考慮到導(dǎo)軌摩擦以及各類阻力的存在，設(shè)摩擦系數(shù) u= 10 2/ 可得摩擦力 0 0/105 0 。 13 故同步帶上要有拉力 2500 2 。 選取同步帶直徑和步進(jìn)電機的細(xì)分?jǐn)?shù) m： 設(shè)同步帶直徑 d=40沖當(dāng)量 ，則 C=據(jù)公式 00/( （ 2 式中 重復(fù)定位精度，給定。 可得 m輪最大轉(zhuǎn)速根據(jù)公式 )1000/(m a x m(2式中 m/s； 可得最大轉(zhuǎn)速 。 而在正常情況下，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速要達(dá)到 300就是 5r/s，并且此時電機的細(xì)分?jǐn)?shù)過大，細(xì)分?jǐn)?shù)越大雖然精度等越高，但也更加昂貴； 故需要采用減速裝置，一般采用齒輪減速，設(shè)定減速比 i=1:3，則電機最大轉(zhuǎn)速 n=s,電機細(xì)分?jǐn)?shù) m=取 m=4。實際脈沖當(dāng)量20 0/( 計算電機力矩，選擇電機型號： 根據(jù)力矩公式 2/ （ 2 式中 可得主動輪上的力矩 m 則步進(jìn)電機軸上的力矩 m 由于步進(jìn)電機要在高速時扭矩要大幅下降，所以電機的安全系數(shù)取 3較為保險，故電機力矩 根據(jù)查閱到的資料顯示 57步進(jìn)電機最大扭矩可達(dá) 3N m， 86步進(jìn)電機最大扭矩可達(dá) 12N m。 因此 86步進(jìn)電機完全符合驅(qū)動要求。 14 （ 2） 接下來進(jìn)行導(dǎo)軌的選型： 依據(jù)導(dǎo)軌的工作形式分為：動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌，與支撐件連接在一起固定不動的導(dǎo)軌稱之為支撐導(dǎo)軌，和運動部件連接在一起跟著運動的導(dǎo)軌稱之為動導(dǎo)軌。在導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計中，有固定在地面的支承導(dǎo)軌 1和跟隨滑塊一起運動的動導(dǎo)軌 2,3。 導(dǎo)軌副的分類： 按運動的軌跡可以分為直線運動和圓周運動，（這里全部選擇直線運動導(dǎo)軌） 按摩擦性質(zhì)分離：滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌能把摩擦系數(shù)降低到滑動的十分之一。由于這里 X 向工作臺自動定位夾緊裝置加上測試柴油機的重量達(dá)到500以這里選擇使用滾動導(dǎo)軌來減 小摩擦系數(shù)從而減小電機靜力矩的目的。導(dǎo)軌的界面圖如下圖 2 圖 2軌滑塊示意圖 直線滾動導(dǎo)軌采用的是燕尾結(jié)構(gòu)。其中上圖中 1為滾珠。 2為回轉(zhuǎn)珠。在滑塊進(jìn)行直線運動的時候，通過滾珠的循環(huán)運動，從而達(dá)到滾動的效果。 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點主要有： 滾動導(dǎo)軌的靜摩擦和動摩擦的摩擦系數(shù)接近，所以可以近視看成摩擦系數(shù)不變的運動，這樣系統(tǒng)更加穩(wěn)定，輕便，需要的電機功率小。 精度高，即使在低速的時候也能夠平穩(wěn)的運行。這樣的話移動精度和定位精度都很高。同步帶和絲杠傳動的時候都能很高 的控制精度速度和位置。 對導(dǎo)軌的參數(shù)進(jìn)行計算 ： 15 根據(jù)公式 21 （ 2 式中 1S 2S 長度。 可估計得 導(dǎo)軌 1、 2 的長度為 3500 導(dǎo)軌使用壽命的計算 表 2工作溫度/ 100100150 150200 200250 表 2溫度系數(shù) 1 表 2每根導(dǎo)軌上的滑塊 數(shù) 1 2 3 4 5 表 2接觸系數(shù) 81.0 表 2工作條件 度小于 15m/明顯沖擊或振動的場合，速度為 15m60m/ 有外部沖擊或高速的場合，速度大于 60m/表 2精度系數(shù) 5.1 16 表 2精度等級 2 3 4 5 表 2載荷系數(shù) 0.1 G=000N 滑塊個數(shù)為 4 個， 滑塊重量 m=5 根據(jù)公式 )( （ 2 式中 10 2/ 可得每個滑塊所承受的重力 325N 。 根據(jù)壽命公式 K)F/ ( （ 2 式中 查表可知，當(dāng)使用滾珠時， K=5063 經(jīng)計算，對于這種輕載的平臺，選擇 5導(dǎo)軌時的壽命達(dá)到幾萬小時，滿足使用要求。 導(dǎo)軌的精度選擇 導(dǎo)軌的幾何精度主要指的是導(dǎo)軌的直線度和平行度，這里選擇精度 2級。 導(dǎo)軌的材料選擇 導(dǎo)軌選擇 要的處理方法有校直，機加，校直 ,淬火，磨削。 導(dǎo)軌和滑塊的接觸方式 導(dǎo)軌和滑塊的接觸方式有面接觸，主要用在滑動導(dǎo)軌中，這里選擇的導(dǎo)軌滑動方式 都為滾動。所以在滾珠和滾柱中選擇。因為承載的平臺為 500右，不是太重，因此選擇滾珠為點接觸，滾珠采用的是線接觸。 （ 3）同步帶的設(shè)計計算 5 ： 同步帶要求功率 P=輪轉(zhuǎn)速 n=142遞扭矩為 m 。 17 根據(jù)設(shè)計功率公式 （ 2 式中 查閱相關(guān)表格 K 。 可得 6 3 。 根據(jù) 421 ，確定同步帶帶型和節(jié)距 距 帶輪齒數(shù)根據(jù)帶型及其轉(zhuǎn)速 查得小齒輪的最小齒數(shù) 12Z ，此處取 2。 根據(jù)節(jié)圓直徑公式 1 （ 2 式中 可得小帶輪的節(jié)圓直徑 ，查表得外徑 。 傳動比 i=1，則大帶輪的齒數(shù) 2，大帶輪的節(jié)圓直徑根據(jù)公式（ 2得 ，查表得外徑 。 根據(jù)帶速公式 100060 11 （ 2 式中 可得同步帶轉(zhuǎn)速 。 根據(jù)基本額定功率公式 1000 )(20a （ 2 式中 查表得 0 9 4 ， 可得同步帶基本額定功率 。 根據(jù)帶寬公式 （ 2 可得 查表取 75代號的帶寬 此 傳動選用的同步帶為 小帶輪 2 ， b ， 18 ； 大帶輪 2 ， b ， 。 （ 4）連接倆皮帶輪的聯(lián)軸的計算： 要求轉(zhuǎn)速 n=142遞功率 3 295 5 00 則根據(jù)軸徑設(shè)計公式 3 （ 2 可得聯(lián)軸的直徑 ， 8 聯(lián)軸與皮帶輪軸通過聯(lián)軸器相連接，主要還是依靠平鍵的連接。 根據(jù)軸的直徑 18閱平鍵的參數(shù)表，可以得到鍵參數(shù)為 進(jìn)行鍵的強度計算，許用傳遞的扭矩根據(jù)公式（ 2得 114 m 故滿足許用要求。 向工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 架系統(tǒng)中，被用作為進(jìn)、排氣傳感器的安裝平臺，要求能夠?qū)崿F(xiàn) Y 方向支柱上滑塊的驅(qū)動控制。 驅(qū)動方案的設(shè)計： 步進(jìn)電機（動力源）通過倆對錐齒輪傳動將動力傳遞給導(dǎo)軌中的豎直絲杠，由絲杠傳動來實現(xiàn)導(dǎo)軌上滑塊的上下移動。 （ 1）絲杠的計算選型： 擬定的滾珠絲杠的公稱直徑為 32程為 10感器及平臺質(zhì)量M=100向面的摩擦系數(shù) ，假設(shè)平臺在初始狀態(tài)下，在 20 下面首先進(jìn)行平臺的運動 學(xué)計算： 假設(shè)平臺的啟停階段各 持 19 根據(jù)公式（ 2得平臺的平均速度 假設(shè)電機啟停階段均為勻加速運動，則根據(jù)公式（ 2 可得最大速度 91。 根據(jù)公式（ 2得啟停階段的加速度 2/95 根據(jù)扭矩公式 2 （ 2 其中導(dǎo)程 0，正效率根據(jù)下圖 292 ，在豎直絲杠的情況下，壓緊力有限，得 0 022 。 圖 2珠絲杠的正反效率圖 因此，獲得所需推力的驅(qū)動扭矩 T=m 平臺的最大速度 91，絲杠的導(dǎo)程 0，則可得絲杠的最大轉(zhuǎn)速 60m a x 。 因此根據(jù)公式（ 2得絲杠傳動所 要求的最大功率 5 0m a x （ 2）根據(jù)上述的絲杠傳動所要求的參數(shù)，最終都需要通過倆對錐齒輪來進(jìn)行傳動。接下來進(jìn)行錐齒輪的設(shè)計校核。 在設(shè)計時，可以先用公式（ 2行設(shè)計計算，對一些參數(shù)先做假設(shè)，然 20 后再對之前假設(shè)的進(jìn)行計算修正。 3 2211 )() (2體傳動參數(shù)如下： 傳遞功率 ，小齒輪轉(zhuǎn)速 60動比 i=1，長期雙向運轉(zhuǎn)，可不考慮壽命等因素。 齒輪加工多為刨齒，軟齒面。齒輪材料 40質(zhì)處理，硬度為 241平均硬度 260 取 0， Z2=0，估計 91，由相關(guān)資料選取 8級精度； 查表得使用壽命 K ,動載系數(shù) K; 估計 100， o s 21 o u11 zz 22 zz s)11(1 齒向載荷分布系數(shù)由查表得 2 可得載荷系數(shù) 傳動轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式（ 2得 54N 性系數(shù) 節(jié)點區(qū)域系數(shù) Z 接觸疲勞極限 101 , 802 21 接觸最小安全系數(shù) 接觸壽命系數(shù) M P H 7 6 m 1 M P H 4 8 m 2 小輪大端分度圓直徑 取 根據(jù)公式（ 2得 驗算 11 80 060 11 滿足轉(zhuǎn)速要求 F 1 11s K 1 0 0/2 8 （與原估計相仿） 確定傳動主要尺寸 大端模數(shù) m 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表 取 m=際大端分度圓直徑 d 011 022 錐距 R 221 齒寬 b （ 3）驅(qū)動步進(jìn)電機的 選擇： 因為傳遞過程中，傳動比 i=1，因此轉(zhuǎn)速同步，皆為 n=660率因摩擦等損耗，略有損失，忽略不計，則功率為 p=據(jù)公式（ 2得，步進(jìn)電機需要的扭矩為 T=m。 22 電機安全系數(shù)取 3較為合理，因此電機軸輸出扭矩 速n=660足步進(jìn)電機的正常轉(zhuǎn)速，因此可以不使用減速裝置。 57系列步進(jìn)電機的最大扭矩可以達(dá)到 3N m 符合驅(qū)動要求。 故選用 57步進(jìn)電機。 23 第三章 冷試臺架的結(jié)構(gòu)與建模 隨著測控技術(shù)以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機的在線檢測技術(shù)也得到了空前的發(fā)展。借鑒前輩運用于實際的關(guān)于柴油機冷試臺架的經(jīng)驗與總結(jié)，本章節(jié)嘗試以上一章所進(jìn)行的臺架系統(tǒng)分類、計算為基礎(chǔ)，用 維建模平臺對臺架的機械結(jié)構(gòu)以及之間的裝配關(guān)系進(jìn)行建模 6 。 結(jié)合收集的國內(nèi)外參考資料，并且參考了冷試臺架的結(jié)構(gòu)功能以及傳感器解決方案，現(xiàn)設(shè)計的冷試臺架模型如圖 所示，其主要的結(jié) 構(gòu)包括框架基座、同步帶 齒輪 動伺服電機、扭矩測試系統(tǒng)、機油壓力溫度探頭總成、進(jìn)排氣壓力探頭總成、驅(qū)動接口總成、位置傳感器系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。 油機冷試臺架總體簡介 冷試臺架的組成如下：管道狀的底座和支撐主軸驅(qū)動系統(tǒng)的支座，以及安裝機油壓力溫度傳感器、進(jìn)排氣壓力傳感器的立柱和 X 向平臺驅(qū)動系統(tǒng)的支撐底座。待測柴油機安裝在工作臺上，由同步帶傳送系統(tǒng)（模型繪出但導(dǎo)軌長度被縮減）輸送到測試臺架指定位置（由安裝在臺架、工作臺上的位置傳感器確定）。柴油機進(jìn)入時會有一個 試系統(tǒng)會讀取其 標(biāo)志號信息，并由 存儲，然后將柴油機定位夾緊，傳感器密封和對接，接著冷測試開始，結(jié)束后由同步帶系統(tǒng)釋放回原位， 的所得測試數(shù)據(jù)會被寫入硬盤中，以供后期查驗。 圖 3油機冷試臺架模型 24 所搭建的柴油機冷試臺架如上圖 3示，其部分組成列舉如下： 表 3- 1 發(fā)動機冷試臺架主要結(jié)構(gòu)表 目 述 目 述 1 電磁驅(qū)動電機 6 進(jìn)排氣壓力傳感器 2 扭矩傳感器 7 機油壓力溫度 傳感器 3 Y 向平臺驅(qū)動系統(tǒng) 8 框架底座 4 位置傳感器系統(tǒng) 9 導(dǎo)軌 5 X 向工作臺 10 導(dǎo)軌 試臺架的具體組成 軸傳動系統(tǒng) 在所設(shè)計的冷試臺架中，主軸傳動系統(tǒng)主要包括電磁驅(qū)動電機、剛性聯(lián)軸器、扭矩傳感器、驅(qū)動接口總成等。 (1)電磁驅(qū)動（滑差）電機 在此冷試臺架中，用電磁調(diào)速電機來驅(qū)動柴油機，滿足 150速以及大扭矩啟動的要求，在柴油機不點火的情況下進(jìn)行冷試，使得檢測結(jié)果更為精確，與熱測試相比，測試過程無燃油消耗，高效環(huán) 保。參考電磁調(diào)速電機的外形，所建電機模型如下 3示。 圖 3磁調(diào)速電機 25 （ 2） 剛性聯(lián)軸器 主軸傳動系統(tǒng)中的聯(lián)軸器用于連接驅(qū)動電機軸與扭矩傳感器軸，用于傳遞主軸扭矩。選用剛性聯(lián)軸器的原因主要是電機與扭矩傳感器在安裝前都需要嚴(yán)格對中，不會產(chǎn)生軸心偏移等問題。剛性聯(lián)軸器實物圖如圖 3示，利用 模如圖 3 圖 3性聯(lián)軸器實物圖 圖 3性聯(lián)軸器模型 （ 3） 扭矩傳感器 扭矩傳感器用于測量主軸傳動系統(tǒng)中的扭矩，通過所測量的扭矩以及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可以得到柴油機的實時扭 矩、曲軸轉(zhuǎn)速以及根據(jù)公式（ 2得其有效功率。主軸驅(qū)動系統(tǒng)中還設(shè)計一個扭矩過大保護(hù)，當(dāng)所得扭矩過大時，系統(tǒng)會自動停機 26 以起保護(hù)作用。所建的動態(tài)扭矩傳感器模型如下圖 3 圖 3態(tài)扭矩傳感器 （ 4） 星形彈性聯(lián)軸器 該聯(lián)軸器用于扭矩傳感器軸與柴油機曲軸的連接，可以降低柴油機運轉(zhuǎn)時的振動給測試臺主軸系統(tǒng)帶來的損壞程度，參考實物外觀，所搭建的模型如下圖3 圖 3形彈性聯(lián)軸器 軌 該傳動系統(tǒng)用于將待測柴油機輸送到指定位置，由一步進(jìn)電機帶動皮帶輪來驅(qū)動同步帶 工作，輸送工作臺到達(dá)指定位置（由位置傳感器來確定），以保證后續(xù)冷測試的進(jìn)行，所構(gòu)建模型如下圖 3步帶未在模型中繪出）： 27 圖 3軌 （ 1） 步進(jìn)電機 由上章的計算可得，步進(jìn)電機選用 86步進(jìn)電機用來驅(qū)動導(dǎo)軌 以滿足所要求的傳動要求。步進(jìn)電機安裝在導(dǎo)軌一側(cè)，通過軸與皮帶輪連接。當(dāng)平臺到達(dá)指定位置時，控制端會發(fā)出停止信號，以保證位置準(zhǔn)確。 （ 2） 皮帶輪 皮帶輪安裝在導(dǎo)軌中，帶動同步帶運轉(zhuǎn)，倆皮帶輪之間通過聯(lián)軸器、軸來連接，以保證工作臺實現(xiàn)同步直線運動。皮帶輪所建模型如 下圖 3 圖 3帶輪模型 軌 該傳動系統(tǒng)主要是實現(xiàn)傳感器平臺的 使安裝的機油壓力溫度探頭到達(dá)指定位置，來實現(xiàn)對機油壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集。同樣由一步進(jìn)電機來作 28 為動力源，通過倆對錐齒輪來實現(xiàn)絲杠傳動。滾珠絲杠倆端固定在導(dǎo)軌內(nèi)，具體的計算與選型已在上章中給出，傳動系統(tǒng)所建模型如下圖 3齒輪模型如下圖 3 圖 3軌 圖 3齒輪模型 感器部分 (1)機油壓力溫度探頭總成 機 油壓力、溫度探頭總成安裝在上圖 3示的導(dǎo)軌 實現(xiàn)對待測柴油機機油壓力、溫度的測量。 該探頭包括一個壓力傳感 29 器和一個溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集后送入 進(jìn)行分析，所見模型如下圖 3 圖 3油壓力溫度探頭總成 （ 2） 進(jìn)排氣壓力探頭總成 進(jìn)排氣壓力探頭總成中包括 4 個壓力傳感器，利用四個密封來對柴油機的缸蓋側(cè)面進(jìn)行密封，并將所測量的數(shù)據(jù)傳送至 進(jìn)行分析。對某一型號的柴油機來說，進(jìn)排氣口間隔都是相同的。缸蓋上的排氣路徑及其之間都沒有開放的端口。所安裝的壓力探頭由單一的直線 氣動方式推進(jìn)并鎖定在指定的位置上。所建的模型如下圖 3示。 圖 3排氣壓力探頭總成 （ 3） 位置傳感器 位置傳感器由倆個直線位置傳感器構(gòu)成，一個安裝在運動的工作臺側(cè)面，另一個則安裝在臺架上。當(dāng)工作臺運動到指定位置時，即倆位置傳感器接觸時，發(fā)送一脈沖信號給控制端，以使驅(qū)動步進(jìn)電機立即停機。 30 架底座 框架底座主要用來安放電機以及安裝各類傳感器，以此來實現(xiàn)所設(shè)計的冷試臺架的各種功能。 章小結(jié) 本章主要詳細(xì)介紹了冷試臺架的主要組成部分，以及各部分的功能，根據(jù)上一章所進(jìn)行的設(shè)計計算， 用 維建模平臺完成了對冷試臺架的基本建模 ,并且進(jìn)行了一些簡單的運動仿真（本章中未給出）。建模過程中也參考了所搜集資料中的冷試臺架的外形以及功能簡述，并最終完成了結(jié)構(gòu)模型。 31 第四章 測試系統(tǒng)及傳感器解決方案 傳感器是一種檢測裝置，能感受到 需要 被測量的信息，并能將 所檢測到 的信息，按一定 的方式轉(zhuǎn)化 成為電信號或其他 所需要的 形式的信息 來 輸出， 這樣以來滿足信息的 識別、 傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié) 和前提條件 。 在冷試臺架上傳 感器將柴油機的進(jìn)排氣壓力、機油壓力溫度、曲軸轉(zhuǎn)角等信息傳遞給 ，并通過一定的數(shù)據(jù)分析軟件來顯示出來，進(jìn)而可以讓工作人員分析數(shù)據(jù)得到關(guān)于測試柴油機的各項指標(biāo)，以確定測試的柴油機是否符合要求。 傳感器是冷試臺架的關(guān)鍵部件。傳感器類型的選擇是否合理、安裝位置是否正確、乃至設(shè)計的傳感器工作方式都將對臺架冷測試的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。臺架測試的精度即為傳感器的精度。 架測試項目的選擇 根據(jù)臺架的最初設(shè)計，測試項目的選擇如下表 4 表 4選擇的測試項目 序號 測量項目 單位 備注 1 環(huán)境參數(shù) 大氣溫度、壓力、濕度等 2 進(jìn)氣壓力 3 排氣壓力 4 轉(zhuǎn)速 r/5 扭矩 Nm 根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩可得有效功率 6 機油壓力 7 機油溫度 8 發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角 本測試的柴油機不點火工作，使用前文中所敘述的電磁調(diào)速電機進(jìn)行驅(qū)動。 油機的測試過程 零時狀態(tài)： 32 擬測試的柴油機停止運作，通過采集的壓力傳感器的數(shù)據(jù)來判斷是否處于標(biāo)準(zhǔn)正常的停機狀態(tài)，若傳感器的數(shù)據(jù)不在在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，那么柴油機停止一切動作并產(chǎn)生錯誤信號 7 。當(dāng)冷測試啟動以后，由控制的 給出相應(yīng)的驅(qū)動指令，然后各類的傳感器開始工作并且采集各類有關(guān)參數(shù)，最終傳遞給 。 測試的過程分為三個階段，分別為： 第一階段 柴油機的測試準(zhǔn)備階段，控制轉(zhuǎn)速約為 15030s 左右，首先是扭矩傳感器工作，測試柴油機的最大啟動扭矩，若超過規(guī)定的最大數(shù)值，則測試系統(tǒng)停止工作并報警。與此同時，其他傳感器則采集周圍環(huán)境的大氣壓力、溫度、濕度等一系列參數(shù)； 第二階段 柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1500 60s 左右，對高速運轉(zhuǎn)下的機油的壓力溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)測量， 觀測其在指定的時間內(nèi)是否達(dá)到相應(yīng)的正常壓力值； 第三階段 柴油機轉(zhuǎn)速控制在 600 60s 左右，由扭矩傳感器對柴油機進(jìn)行扭矩的測量，對柴油機進(jìn)行中低轉(zhuǎn)速下的機油壓力溫度測量以及進(jìn)排氣壓力測量分析。 整個測試過程大約持續(xù) 3分鐘，不包括柴油機的輸送和裝夾等工作。 感器的具體測試方案 臺架上連接著許多傳感器，通過其所采集到的數(shù)據(jù)來分析待測柴油機的裝配性能等 8 。 以排氣壓力傳感器作一個簡單的工作過程介紹：將傳感器安裝在柴油機的冷試臺架的立柱上，當(dāng)柴油機輸送平臺進(jìn)入所指定工位后（由位置傳感器來實現(xiàn)），由于柴油機的活塞做四沖程運動，排氣壓力傳感器會與柴油機的排氣口緊密相接；當(dāng)主軸驅(qū)動電機拖動柴油機曲軸旋轉(zhuǎn)后，進(jìn)、排氣壓力傳感器會根據(jù)相應(yīng)的指令自動采集排氣口的壓力數(shù)值，并傳遞給數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，一般都由軟件生成相應(yīng)的波形圖后再自動與 事先設(shè)定的故障映像曲線進(jìn)行比較分析，判定柴油機的排氣壓力是否處于正常的范圍之內(nèi) 12 。具體的測試流程如下圖 4示： 33 采 集 發(fā) 動 機排 氣 壓 力采 集 發(fā) 動 機排 氣 壓 力接 受 來 自傳 感 器 的數(shù) 據(jù)接 受 來 自傳 感 器 的數(shù) 據(jù)將 測 量 信號 傳 遞 給冷 試 軟 件將 測 量 信號 傳 遞 給冷 試 軟 件形 成 測 試 圖形 成 測 試 圖根 據(jù) 設(shè) 定 窗 口判 定 排 氣 壓 力是 否 合 格根 據(jù) 設(shè) 定 窗 口判 定 排 氣 壓 力是 否 合 格測 試 結(jié) 果測 試 結(jié) 果排 氣 壓 力傳 感 器數(shù) 據(jù) 采集 卡冷 試軟 件圖 4氣壓力測試過程 矩傳感器方案 柴油機的扭矩測試在冷試整個過程的都占有比較重要的地位。在上文中的主軸傳動設(shè)計中，安置一個扭矩傳感器的目的是能將扭矩數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、快速地傳遞到控制端。扭矩測試貫穿整個冷試過程，一旦檢測到不在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，整個臺架系統(tǒng)便會立即停機，保證臺架以及柴油機安全。 冷試技術(shù)要求快響應(yīng)性以及高精確性，動態(tài)扭矩傳感器則可以