Официальный дистрибьютор
  • imc
  • POWER TEST
  • KMT
  • MAGTROL
8 (495) 308-90-60

Внимание! Произошел сбой в оборудовании телоператора, просим
направлять запросы на электронную почту или заявки на сайте

Контакты
Телефон
+7 (495) 308-90-60
Почта
Адрес
г. Москва,2-й Кожуховский пр-д, д. 29, к. 2, стр. 16

Испытания двигателя на стенде с защитой от резонанса

Стенд-испытаний-двигателя-с-анти-резонансной-защитой

Вопросы динамических явлений, включая колебания валов торсионные и изгибные выходят на первый план в стендах испытания двигателя по нескольким причинам. Во первых, даже при испытаниях серийного двигателя при его связке с динамометром в системе могут возникать резонансные явления. При этом ухудшается точность определения характеристик мощность-скорость и крутящий момент-скорость. Во вторых, эти явления препятствуют проведению экспресс-тестов двигателя, таких, как, на пример, предложенных компанией Magtrol испытаниях при постоянных ускорениях или замедлениях вращения вала, что дает выгоду не только в части времени проведения испытаний, но и в снижении тепловыделения в имитаторе нагрузки и самом двигателе, позволяющем в ряде случаев обойтись без систем охлаждения вообще. А при испытании новых типов двигателей резонансные явления могут представлять опасность для испытываемых моторов и испытательного оборудования. 

Колебания валов являются большой проблемой и для измерительной техники на испытательном стенде. Не будь их, измерение крутящего момента на валу типового двигателя с маховиком на одном конце вала и шкивом на другом легко решалось бы установкой отражательных меток на маховике и шкиве и обработкой оптических сигналов с помощью фазовых детекторов. Попытки установить оптические источники и приемники жестко приклеенными к корпусу двигателя мало помогают, именно из-за колебаний валов. Поэтому предложенный ниже вниманию читателя материал призван обратить внимание испытателей и разработчиков стендов к этой чрезвычайно актуальной проблеме. Кратко можно описать решение проблемы следующим образом. Если применить двухканальный измеритель вибраций, то подключив к его входам сигналы с датчика угловой скорости и датчика крутящего момента, можно получить передаточную функцию и по ней найти оценочное значение момента инерции комплекса двигатель/динамометр, а также резонансную частоту механических колебаний. По этим данным можно скорректировать испытательные характеристики, подавляя влияние резонансов.

Стенд-испытания-двигателей-с-защитой-от-резонанса.png

Представлено устройство управления динамометром и способ оценки момента инерции испытываемого двигателя (патент Т Акияма и Н Асакура). Задачей является такое управление возбуждением двигателя, которое исключает резонанс даже в случае, когда момент инерции двигателя неизвестен. Устройство 6 снабжено блоком 61, генерирующим сигнал возбуждения случайного или периодического характера, контроллер скорости 62, генерирующий входной сигнал динамометра через вход датчика угловой скорости. На схеме 8 представлена конфигурация стенда испытания двигателя 100, включающая динамометр DY, присоединенный с помощью вала S к двигателю E, являющегося объектом испытания на стенде. Испытательный стенд включает также привод дроссельной заслонки 110, устройство управления контролирующее выход двигателя, а также инвертор 130 и контроллер динамометра для управления его выходом DY. На стенде испытаний 100 скорость и крутящий момент контролируются контроллером 140 в то время как степень открытия заслонки управляется контроллером 120, с помощью которого оцениваются ресурсный фактор, эффективность топлива и качество очистки выхлопных газов. На стенде испытания двигателей 100 в некоторых случаях их момент инерции оценивается/измеряется до проведения испытаний на эксплуатационные свойства и используется в качестве контрольного параметра при управлении скоростью и крутящим моментом с помощью контроллера 140.

Как это работает



В предлагаемом методе контроллер динамометра 140 осуществляет управление через возбуждение крутящим моментом, передаваемым через вал S, поддерживая при этом угловую скорость двигателя постоянной с помощью контролирующего устройства 120. Выходы датчика крутящего момента 160 на валу датчика скорости 150 при таком управлении возбуждением получаются с помощью арифметического устройства 170 и значение момента инерции двигателя E оценивается с использованием полученных данных. Вообще говоря, двигатель имеет механические потери энергии, зависящие от скорости вала. В противоположность этому по схеме изложенной в патенте, момент инерции оценивается при поддержании угловой скорости на постоянном уровне, так что механические потери можно не принимать во внимание. Наиболее важной изучаемой здесь проблемой являются колебания крутящего момента, зависящие от угловой скорости. Например, для типичного 4-х тактного двигателя колебания момента проявляются на частотах в 2N раз превышающих частоту вращения вала (N -целое число). С другой стороны на частотах около 100 Гц возникают резонансы при соединении двигателя E с динамометром DY. Эти резонансные частоты входят в частотную область колеблющегося крутящего момента, возникающую в двигателе E в типичном домене угловых скоростей порядка нескольких сотен и тысяч оборотов в минуту. Таким образом, при попытке оценки момента инерции с контролем возбуждения с помощью контроллера динамометра 140, амплитуда колебаний крутящего момента на валу может стать больше чем требуется из-за резонансных явлений, зависящих от комбинации угловой скорости мотора и частоты резонанса, что снижает точность измерения момента инерции. Заметим, что если резонансные частоты измерены заранее, выше описанные резонансные явления при испытаниях могут быть подавлены, определяя скорость двигателя так, чтобы не приближать частоту колебаний крутящего момента к частоте резонанса. Однако, если значение момента инерции двигателя не известно, резонансные частоты также, как правило, не известны, поэтому при оценке момента инерции невозможно определить подходящие значения угловых скоростей вала. Заметим, что существует метод подавления резонансных явлений, в котором конструкция регулятора динамометра выполнена по технологии управления системами с неопределенностями μ synthesis или H ∞ control. Однако этот метод подавления резонансов предполагает априорное знание момента инерции и никак не подходит для его измерения.

Реализация


Для того ,чтобы решить поставленную задачу испытаний в условиях риска возникновения резонансных явлений, стенд должен включать контроллер динамометра 6, генерирующий токовый сигнал управления крутящим моментом, подаваемый на динамометр D, соединенный валом S с двигателем-объектом стендовых испытаний E. При этом контроллер динамометра включает в себя: датчик угловой скорости (например, энкодер 8), датчик крутящего момента, например 7, блок генерации сигнала возбуждения 61 случайного или периодического характера, контроллер скорости 62, генерирующий подаваемый на вход динамометра сигнал для того, чтобы устанавливать заданное значение угловой скорости, компенсатор крутящего момента 64, который генерирует входной сигнал для динамометра, опираясь на сигнал датчика крутящего момента, таким образом, чтобы колебания вала подавлялись/демпфировались; сумматор 65, генерирующий токовый сигнал управления моментом, добавляя к нему входной сигнал контроллера скорости и компенсатора крутящего момента. 

(2) В этом варианте стенда испытания двигателей предпочтительно, чтобы входной сигнал динамометра, идущий от компенсатора крутящего момента, вырабатывался с фильтрацией сигнала датчика крутящего момента через фильтр высоких частот или полосовой фильтр, включающий резонансные частоты механической системы испытываемый двигатель + динамометр. 

(3) В этом варианте предпочтительным является включение в контроллер фильтра низких частот 63, который демпфирует резонансные составляющие в выходном сигнале контроллера скорости. 

(4)В этом варианте предпочтительно, чтобы контроллер скорости, подающий сигнал на вход динамометра, формировал его по пропорционально-интегральному закону с коэффициентом пропорциональной составляющей Kp и интегральной Ki (входами являются сигнал датчика скорости и его задатчик). При этом фильтр низких частот имеет частоту среза ωLPF/2π и коэффициент передачи Kp, интегральный коэффициент передачи Ki и частота среза фильтра ωLPF/2π определяются так чтобы соответствовать уравнению (1). 

Kp=J·ωc,Ki=(J·ωc2)/3,ωLPF=3ωc (1) 

Здесь J суммарный момент инерции комплекса двигателя с динамометром, ωc положительное действительное число. 

 Способ достижения поставленной цели включает: -контроль крутящего момента возбуждением динамометра с помощью контроллера, при поддержании угловой скорости на постоянном уровне устройством управления двигателем; -сбор данных с датчиков крутящего момента и скорости за определенный период времени, контролируя при этом сигнал возбуждения; вычисление передаточной функции по каналу крутящий момент (вход), и скорость вращения(выход); оценка момента инерции по передаточной функции.

Эффект изобретения:

Входной сигнал, генерируемый посредством регулятора скорости, так что скорость вращения динамометра соответствует предварительно установленной скорости вращения, и входной сигнал, генерируемый посредством компенсатора крутящего момента вала, так что вибрация вала подавляется, добавляются к случайному или периодически колеблющемуся сигналу возбуждения, посредством чего генерируется командный сигнал тока возбуждением динамометра для управления крутящим моментом. Управление скоростью вращения и компенсатором крутящего момента приводит к тому, что флуктуации и колебания скорости и крутящего момента становятся незначительными даже при наличии резонансов. Применение контроллера скорости и компенсатора крутящего момента позволяют подавить вибрации на резонансных частотах без предварительной оценки момента инерции. Сигнал с датчика крутящего момента после прохождения через полосовой или фильтр высоких частот (полосовой охватывает частоты резонанса с запасом, так как точные значения резонансных частот заранее могут быть не известны) накладывается на вход динамометра, что позволяет подавить колебания крутящего момента. Резонансный компонент с выхода контроллера угловой скорости подавляется фильтром низких частот. В результате чего ослабляется влияние резонансных явлений системы двигатель-динамометр. Формула 1 представляет корень характеристического полинома передаточной функции системы с обратной связью, упрощенно представленной вращением твердого тела с моментом инерции J.


Возврат к списку