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最新測功機技術發展對各行各業帶來的影響

已被閱讀：4690次作者：測功機技術

     汽車發動機臺架試驗所用的測功機的發展歷程、現狀進行了討論，結合我國測功機研究、使用現狀，對發動機臺架試驗發展方向進行了探討。

     汽車已成為人們生活中密不可分的重要組成部分，而汽車的“心臟”是發動機，檢測、修正、完善發動機性能、指標、零部件使用壽命的強勁設備是“測功機”。因此，從某種意義上講，測功機的發展狀況決定著汽車工業的發展水平。測功機的發展歷程測功機雖然作為檢測汽車發動機的主要設備，推動了汽車工業的發展，但是，測功機并不是伴隨著汽車工業的發展而誕生的，而是早于汽車，后來應用于汽車工業的。測功機可分為兩類：可倒拖式和不可倒拖式。可倒拖式的測功機有：電力式和混合式；不可倒拖式的測功機有：電渦流式、磁滯制動式、風扇制動式、液力式、機械制動力式、水力式。現在常用的是電渦流式和電力式兩種測功機。 1.1 測功機的歷史 1719 年，Graham-Desaguliers 測功機經英國科學 GeorgeGraham 發明，1763 年于倫敦首次試驗，用量人類肌肉力量。1798年法國的 Regnier 發明字命名的測功機，可以測量軍隊中馬匹的牽引力。 1821 年，Gaspard de Prony 發明了 de Prony brake 測功機用來測量蒸汽機的扭矩，后來英國用來表征發動機功率的“brake horse power”（馬力）也由此得來。19 世紀 20 年代末，John Macneill Marriot專利的基礎上，改進了設備，用來測量不同路面上馬車所需的牽引力。 1877 WilliamFroude 發明了第一臺發動機測功機；1881 第一臺商用測功機被這家公司生產。水力測功機由制動器、測力機構、供水系統組成。制動器吸收發動機扭矩，通過測力機構的測量，指示供水機構供應相應水量。它具有價格低廉、結構簡單可靠的優點，所以在 20 世紀一直被使用并被不斷更新。但由于響應慢、耗費資源、精度差，現在已經很少使用。1928 年，德國的 Carl Schenck 公司生產了第一臺汽車用底盤轉鼓測功機，這臺測功機已經具有了現代測功機的雛形。 1931 年，Martin AnthonyWinther 兄弟發明了渦流式測功機并于1947 年注冊專利。此后，兩兄 Dynamatic公司，并直到 2002 年一直致力于生產測功機，1946 1995年期間，此公司還一度成公司。而Heenan 后，也開始生產電渦流測功機。電渦流測功機利用電渦流原理平衡發動機的扭矩，并利用冷卻水將熱量帶走。主要由測功機主體、測力機構、控制柜三部分組成。電渦流測功機經過近百年的發展，具有低慣量、高精度、高穩定性的優點，并且結構簡單，維護方便，便于自動化控制。 19世紀中葉電機被發明后，直流電力測功機就已經出現。電力測功機利用電力平衡發動機扭矩。其特點為精度高，響應快，節約了大量冷卻水，保養周期價格貴，變頻柜占地面積大。20 世紀中葉，隨著控制技術的發展，開始出現測功機轉矩控制電路；70 年代，隨著計算機和航天技術的發展，發動機測試向自動化，智能化方向發展；80 年代，出現了集檢測操作、數據采集、打印和存儲一體的系統軟件；

      90 年代，仿真技術開始走進臺架測試領域，仿真向高速化發展。發展至今，發動機臺架測試已經涵蓋多學科知識，包括：機械工程、電學、聲學、軟件、化學、計算機科學等。 1.2 測功機轉矩傳感器扭矩測量是測功機重要的功能。在20世紀初，測由此計算出轉矩值。現代測功機已經沒有臂軸設計，Schenck 公司的電渦流測功機利用兩個浮動支撐代替了臂軸軸承。在我們的試驗中，就發生過由于浮動支撐安裝不良，導致測量功率扭矩不準確的事件。 1.3 測功機轉速傳感器轉速傳感器最早由齒輪和一個脈沖傳感器測量。齒輪有固定齒數，系統利用傳感器從齒輪得到的脈沖計算轉速。這種傳感器結構簡單，易于安裝，使用壽命長。現在更多利用光學編碼器傳感器測量轉速。并且有統可以對兩個方向的轉速分別記錄。這種傳感器的缺點是對灰塵敏感，使用壽命短，并且安裝要求高。 1.4 測功機數據采集方法采集數據是發動機試驗的首要目的，數據的顯示、輸出、管理以及儲存等工作，是發動機臺架試驗中必須先于其他考慮的。而測功機的數據輸出及處理過程，與測試技術，計算機技術等同步發展，在最近十年中，經歷了突飛猛進的發展。現在的數據系統中，數據通過計算機被更快速的記錄，但是，數據的精確性并不比“紙條系統”時好，所以，試驗室必須配備標定、備份以及后處理手段。針對越來越多的處理器、傳感器等各類設備。測功機數據采集系統大致分為以下三個階段。

第一階段是手寫，在發動機測試發展的初級階段。被測發動機數量小，測試者關注的參數少，所以手寫式記錄是最經濟，同時最精確的方法。

第二階段是圖表記錄儀，這種記錄儀在 19 世紀中發明初期被用來記錄星象變化，以提高記錄精度。1888 年，記錄氣壓的記錄儀在美國被注冊專利。在多通錄儀中，最多可以記錄12 個通道的連續模擬量數據對時間的曲線。這種彩色的曲線記錄方法在計算機技術迅猛發展的70 年代之后逐漸不被使用。

第三階段是計算機時代。首先是手動控制的計算機記錄階段。隨著需要記錄參數的增多，信號需要經過模擬到數字的轉換，這就需要計算機中的數據收集卡和信號調節卡，計算機技術的提高解決了這個問題。計算機記錄的典型模式是 16 個壓力通道、16 個溫度通道、4 脈沖通道用來接收轉矩傳感器傳送的信號，并接收油耗儀的輸入。手動控制，試驗不需要經過編程，并且，功機此時無法與計算機交互。自動化控制和數據儲存階段。1978 年奧地利的 AVL 公司開發了第一個發動機測功機控制軟件 PUMA。現在，大多數發動機測功機都已實現計算機軟件自動控外，臺架都可以通過另一套面板設備對測功機和發動機進行控制。但是控制必須依賴軟件，如果軟件癱多數臺架都無法使用。在數據的顯示方面，大多數試驗人員選擇曲線形式，以便直觀發現問題，現在外國一些研發中心的控制臺已有六塊顯示器，以便關注足數變化。在發動機測功機的發展過程中，也產生了一些軟件用來發現試驗中參數無法反映的情況。例如，“爆震”。爆震發生時溫度、缸壓都很高，并且爆震的檢測需要特殊的檢查。德國RA 公司的軟件可以通過CAN 等協議讀取ECU 的數據，可以在線診斷爆震。這些軟件都減輕了試驗人員的工作負擔，并能在試驗進行中及時發現問題。國內發動機測功機現狀國內高校主要對電力測功機控制進行了深入的研究，研制 CY110、160 型電力測功機，并獲得法研究比較多。

     電力測功機動態模擬控制策略的研究，電力傳動系統的控制算法研究是主要研究方向。北京交通大學、清華大學等都曾對電渦流測功機控制算法進行研究，主要研究方向為對控制扭矩進行預測的各種算法研究。國內企業多采用 AVL、HORIBA、SIEMENS 等國外品測功機。并配有IMTECH 等公司的試驗室相關設備。企業多依賴進口產品，主要是由于國內試驗設備精度不發動機臺架試驗發展方向發動機技術的發展促進了發動機測試技術的發展。而測試技術，計算機技術等領域的科技進步為發動機測試技術的發展提供了條件。從目前看，發動機臺架試驗有以下三個趨勢。

3.1 集成化測功機及其軟件越來越向高集成化方向發展。例如，現在的發動機臺架試驗中有油耗儀、尾氣成分分析、BlowBy 氣體測量、煙度計、色譜儀、燃燒分析備的控制。

3.2 智能化和網絡化現在的常用測功機軟件中，很多程序還很繁瑣，例如試驗程序的編寫和試驗數據的整理。而網絡技術的發展可以實現對臺架數據、臺架運行情況、試驗室所有可用設備等的統一管理，節省人力物力。此類軟件在國外已經有投入使用。而隨著無線網絡技術和云計算技術的發展，這兩方面的新科技也會為發動機臺架試驗提供更大的發展空間。

3.3 發動機在線診斷發動機臺架試驗的目的是采集數據、發現問題。而發動機在運行過程中可能會發生突發故障或零件的疲勞損壞。現在有很多軟件、儀器針對這類問題，提出預警，排除由于發動機故障對臺架的損壞。例如，dA 公司的分析儀。利用對曲軸振動加速度的數據采集，得出階次分析數據。如果數據超過預警值，則停止試驗。