李玩幽1,2,刘 妍1,蔡振雄1,华宏星2
(1.集美大学轮机工程学院,厦门361021;2.上海交通大学振动、冲击与噪声国家重点实验室)
摘要:为了能够对内燃机扭振测量系统进行标定,本文研制了一种电子扭振标定器。这种标定器与国内外同类产品相比,除了转速可变外,还有一些创新之处:齿数可调、输出幅值可调、同时可以输出每周一个的上止点参考信号。实验结果表明本标定器性能良好。
关键词:内燃机;扭振;测量;标定
中图分类号:TH113;TK417.127 文献标识码:A
1 概述
目前对扭振仪进行标定的方法有两种:一种是用机械式扭振台进行标定[1],另一种是利用电子式扭振标定器进行标定[2]。机械式扭振标定台输出的是“真正”的轴系扭振信号,可以检验包括传感器在内的测试系统,还可以检验双传感器对横向振动的影响。但是由于磨损,机械式扭振标定台一般只能近似地保持信号的稳定性和精确度。更为重要的是,机械式扭振标定台体积和重量大、不便携带,无法在现场使用。电子式扭振标定器用电子线路来实现,可以输出稳定性和精度都很高的“模拟”扭振信号。它的特点是重量轻、体积小、便于携带。
美国亚特兰大科仪公司生产的2512型电子标定器原理如下[3]:将固定频率为400kHz的晶振输出信号进行分频和重新组合处理,最后轮流输出50个5000Hz和50个5063.3Hz的方波脉冲。就相当于100个齿的齿轮输出前半转较慢、后半转较快的扭振信号。2512型标定器只能输出固定转速、固定频率的信号,输出的方波电压固定为5V。由于在研制扭振仪时要考虑高、中、低不同转速,2512扭振标定器的输出显然不能满足要求。东南大学研制了NB-1扭振标定器,将一个连续可调的振荡信号代替400kHz的晶振,这样就可得到一个幅值为0.566°(峰值)三角波形,但”模拟”的转速和频率为连续可变的扭振信号。
后来又采用8098单片机用软件来产生一个三角形的扭角位移信号。改变前后半转的频率差,就可以得到不同的扭角振幅;改变信号的平均频率就相当于改变了转速。但是这种扭振标定器的开发成本和制造成本都很高。
在开发扭振测试系统时,往往要对传感器过来的信号进行放大、或限幅处理。为了模拟传感器的幅值变化,要求标定器输出的电压幅值可变,以上三种电子式标定器未考虑这一要求。在内燃机扭振测试实践中,常见齿盘的齿数为60、100、180及其倍数,一般还要输出每周一个脉冲的上止点脉冲信号。以上的电子标定器都不能实现这一功能。
为了更好地满足内燃机扭振测试系统开发需要,作者设计了一种输出电压幅值可调、齿数三档可变,模拟的转速连续可变,每周输出一个上止点参考脉冲的电子式标定器。其型号定为TVC-1型。
2 工作原理与结构设计
TVC-1型标定器分为外振输入和本振两种振源。设计本振时输出和2512一致。标定器的原理框图如图1所示。
本振晶体振荡频率为400kHz,通过分频和重新组合处理,当齿数选择为100时,最后轮流输出50个5000Hz和50个5063.3Hz的方波脉冲。这样模拟轴系的扭振信号为三角波形,它的转速为3018r/min,扭振频率为50.31Hz,幅值为0.566°(峰值)。模拟上止点信号是当计数满齿数时输出一个方波信号,这时为每100齿输出一个方波信号。当选择外输入脉冲时,标定器将对外来脉冲信号进行分频和重新组合,使标定器模拟的轴系转速可以调节。
为了和发动机轴系扭振测量时经常采用的齿数相一致,在计数器上设计了每周60、100、180个齿数可供选择。这样对模拟的扭振仪进行标定时,省略了齿数换算的麻烦。采用电位器可以控制扭振方波的电压幅值大小,可以模拟传感器信号的强弱。
这种设计不仅可以模拟发动机轴系扭振信号、活塞运动信号,还可以广泛应用于发动机模拟信号发生器、轮机模拟器的研制。仪器具有体积小、重量轻、携带方便等特点。
3 输出特性
利用DASP系统采集对标定器的输出脉冲进行采集并显示结果。图2的齿数分别为100、60,晶振都为本振的输出结果。模拟的齿数为100,目的是为了和2512标定器进行比较。图3是两种结果经数字扭振仪采集计算出的扭振结果。从图3中还可以看出,由于是靠脉冲计数法来计算扭振数值,所以信号的噪声比模拟扭振仪大为减少。扭振的波形呈现三角形,和理论计算相近,模拟扭振仪只能近似做到三角形波形。图4是图3中100齿去掉直流分量后的频谱分析结果。从图4的扭振时域波形可以看出,扭振的时域三角波形的直线也略有畸变,这是由于标定器的输出略有变化所致。这点误差不会影响标定器的使用。
根据三角形周期函数的傅立叶展开式:
可以从理论上精确计算各次谐波分量。对100齿输出的扭振波形进行计算,得到一次谐波幅值为:
0.566×0.81=0.4580°(2)
三次和五次谐波的幅值分别为:0.0510°和0.0180°。
从图4可以看出软件分析结果和理论精确解的计算结果一致,证明了本文设计的电子扭振标定器满足要求。
4 结论
(1)TVC-1型的标定器采用多块芯片组成,节省了购买单片机开发设备的大量费用。芯片价格便宜,线路制造简单,设计工时短,成本大大降低。标定器重量很轻,便于随身携带。
(2)TVC-1型的标定器首创既可以模拟发动机轴系扭振信号,又可以模拟发动机活塞运动信号。这种设计还可以广泛应用于发动机模拟信号发生器、轮机模拟器的研制。
参考文献:
[1] 张天元.旋转轴系应力红外传输技术研究[R].中国船舶科技报告,1999.
[2] 杜极生.国内外关于扭振监测装置的研究综述[J].汽轮机技术,1991,(5).
[3] 杜极生.轴系扭转振动的试验.监测和仪器[M].南京:东南大学出版社,1994,212~215.
作者简介:李玩幽(1972-),男,博士后,主要研究方向为发动机故障诊断和振动控制,E-mail:liwanyou88@163.com。
