1　旋转机械与动力试验

1.1　旋转机械与动力试验

在工业、农业、交通、航空、航天等几乎所有的行业领域和我们的日常生活中,大量使用各种以机械旋转为动力特征的动力机械设备,简称为旋转机械或动力机械。按照动力传动的方式和设备的用途,动力机械设备大致可分为以下几类:①动力设备:如电动机、发动机、发电机、蒸汽机;②传动设备:如齿轮箱、变速器、驱动杆、变矩器;③运输工具:如汽车、摩托车、火车、飞机、轮船;④机械工具:如钻机、机床、电动工具、矿山机械;⑤军事设备:如坦克、舰艇、飞机;⑥特种设备:如园艺机械、农用机械、牙科器具、家用电器、办公设备。

在动力机械设备的产品研发、生产制造、品质管理以及维修保养的各个环节,都需要检测这些设备中从零部件到成套设备的各种性能参数和特性曲线。检测方法是给被测的动力机械设备加上模拟的负载,控制并吸收其输出的转矩(旋转力),从而测试这些设备在各种加载条件下的性能参数和特性曲线。加载点可以是发动机的轴或是车辆的轮子。这种专门用于动力机械设备的负载模拟、转矩控制和能量吸收的装置称为测功机,测试的过程称为动力试验。全套测试系统称为动力试验测试系统。

1.2　测试项目

动力试验的测试项目和参数根据产品的种类而定,主要有以下几类:①机械参数:转矩、转速、功率、效率、摩擦力、NVH(振动/噪声/强度);②电气参数:电压、电流、功率、效率、功率因数;③法律法规:如发动机的油耗、排放、寿命试验测试;④行业管理:型式检验、产品鉴定、合格证明;⑤环保监测:车辆尾气排放、车辆年审;⑥维修服务:安全检测、维修保养。

1.3　典型应用

动力试验测试的主要应用领域:①发动机测功机;②电动机综合测试台;④变速器和齿轮箱测试台;⑤旋转机械测试台;⑥汽车/摩托车零部件测试台。典型测试系统有以下几类:①发动机测试台见图1;②电动机测试系统见图2。

2　测功机技术

测功机是与动力机械设备同时发明并长期使用的最基本的试验设备之一。随着技术的进步与发展,测功机技术也从最早的水力和机械式测功机发展到现代的电力测功机。常用的测功机有水力(制动)测功机、电涡流测功机、磁粉测功机、直流(电机)测功机和交流(电机)测功机。直流测功机和交流测功机在我国又称之为电力测功机。

2.1　水力测功机

水力测功机因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强,长期以来成为大功率内燃机试验优先采用的设备。目前主要有定充量水力测功机和变充量水力测功机。定充量水力测功机的吸收腔内始终充满具有一定压力的水,通过调节测功机的闸套开合位置(即调节测功机转子与定子间的工作面积)来改变测功扭矩大小,这类测功机稳定性好,但结构复杂。变充量水力测功机又称水涡流测功机。它是通过进、出水阀来调节水力测功机吸功腔内水量的多少,以达到改变其制动扭矩大小的目的。变充量水力测功机工作时水压高,噪声大,而且在转速高、制动扭矩小的区段几乎不能稳定工作。目前,主要采取如下措施解决其工作不稳定的问题:①采用闭环控制发动机的油门或风门来控制发动机的转速;②采用闭环控制测功机水门来控制测功机的制动扭矩;③采用水力测功机的工作介质与冷却介质分离的方法(双介质法)。结合前两种方法,采用双闭环控制测功系统的转速和扭矩是当今世界水力测功机的先进控制方法。

2.2　电涡流测功机

电涡流测功机利用涡电流效应吸收发动机输出转矩和功率,具有低惯量、高精度、高稳定性、结构简单等特点,适用于操作控制的自动化,并且功率范围也较宽,转速较高,响应速度较快,测试工艺比较成熟,是目前各内燃机制造厂主要使用的测功机之一。基于其良好的控制性、可调性以及负载稳定性,电涡流测功机较合适用于发动机的开发和试验。此外,它也适用于发动机零部件的开发研究试验,汽车风阻、变速器、后轮轴的模拟试验及完整的传动系统模拟实验等。但是,传统的电涡流测功器吸收功率较小,技术水平偏低,自动调节系统动态结构中“恒流控制”和“恒速控制”两个调节闭环共用一只调节器,导致恒转矩控制和恒转速控制达不到精度要求。而我公司生产的南峰牌电涡流测功机综合了国内外电涡流测功机的生产技术，集合了近20年的测功机生产经验，现生产的电涡流测功机功率从5KW覆盖到850KW，几乎可以满足国内所有车用发动机的实验需要，在国内得到广泛的应用，现已出口到美国、俄罗斯、印度、越南、巴基斯坦、韩国等近40个国家和地区。

其主要技术指标如下：

a）系统扭矩测量精度：应不大于±0.4％FSR(CW5型电涡流测功机为±0.5％FSR)；

b）扭矩测量灵敏度：应不大于±0.1％FSR；

c）转速测量误差：应不大于±0.1％±1个字；

d）恒转速控制误差：应不大于±5r/min；

e）恒转矩控制误差：应不大于±0.2％FSR。

2.3　直流测功机

直流测功机采用它激励磁的直流电机,利用电枢绕组切割磁力线而产生感应电动势的原理根据在不同电磁力作用下所产生大小不同、与转向相反的制动力矩来控制测功机的运行状态。直流测功电机由于控制简单、调速平滑,性能良好一直占据主导地位。然而,直流测功电机的结构上存在机械换向器和电刷,因此具有一些无法克服的固有缺点,如造价偏高、维护困难、寿命短、单机容量以及最高电压和最高转速都受到一定的限制等,导致直流电力测功电机在大容量、高速测功系统中难以广泛应用。

2.4　交流测功机

交流测功机按照交流电动机的种类分为异步测功机和同步测功机两种,按照所使用的变频器的控制技术,有直接转矩控制和磁通矢量控制两种交流测功机。由于同步测功机受同步电动机性能与价格的限制,推广应用较少,主要用于高精度小功率的零部件测试。

3　结　语

测功机是动力试验的重要设备,作为测试系统中的加载和能量吸收装置,它不仅单纯的用来吸收被测设备输出的功率和转矩,而是通过对测功机的控制来可以改变被测设备的转矩、转速及功率,形成所需要的测试工况,以测定动力机械设备在各种运行状态下的性能指标和特性曲线。此外,在严酷的市场竞争和新的法律法规的不断压力下,产品质量的提高对测功技术的要求也越来越高。因此,动力试验与测功机技术的研究与发展显得尤为重要。