内燃机车柴油机增压器转速检测系统的研制（可编辑）

内燃机车柴油机增压器转速检测系统的研制（可编辑） 内燃机车柴油机增压器转速检测系统的研制 北京交通大学 硕士学位 内燃机车柴油机增压器转速检测系统的研制 姓名:刘晓刚 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:王毅 20071201 中文摘要 摘要:增压系统是实现内燃机车功率提高的重要组成部分，增压器的状态决 定了柴油机功率，进而影响着机车的牵引功率，增压器故障，不仅降低了柴油机 的经济性，更重要的是降低柴油机的功率，影响机车的运用状态，干扰行车秩序， 进而影响了铁路运输企业经济和社会效益，影响了服务质量。增压器的转速很高 每分钟20000转以上 ，对其进行实时监测对于机车的安全运行具有十分重要的 作用。另外增压器每台的检修成本为2万元，通过监测增压器的动态参数，减少 故障修，可大量节约检修成本。 本文通过对机车柴油机增压器故障原因的分析，根据机车运用的实际需要， 为解决柴油机增压器故障问，利用目前成熟的MCS一51单片机技术，选择了 AT89C52为核心，设计并试制了内燃机车柴油机增压器转速检测系统，有效地解决 困扰机务部门多年的油机增压器故障。该检测系统对柴油机转速、工况和增压器 转速及惰转时间能够进行有效的实时监控，当监测到机车增压器转速超速时，能 及时报警，提醒司机采取相应措施，预防重大事故发生;也可以通过地面分析系 统检索分析该装置记录的惰转时间、增压器与工况及柴油机转速的关系等数据， 判断增压器的状态，在增压器不良时，及时施修，避免增压器故障扩大，避免因 此造成的机破等事件，并为机修技术分析提供实时记录资料。 柴油机增压器转速检测系统属智能化设备，它能准确、快速地测试出柴油机 和增压器的转速。由于柴油机增压器检测系统包括增压器转速检测仪和地面数据 处理系统，检测仪体积小，重量轻，它既可以安装在机车上，又可以作为便携设 备使用。 图19幅，表3个，参考文献18篇。 关键词:内燃机车，增压器，转速检测系统 分类号:TM714 j匕塞銮垣太堂童些亟?堂僮逾塞 ?垦墨!,?,! ABSTRACT an of is ABSTRACT:Superchargesystem importantcomponentimproving Sstatusdecidethe internal―combustionlocomotive power(Supercharger’ diesel andinfectthelocomotive’S in draughtpower engine’Spower further( Smalfunctiondoesn’t downthediesel Supercharger’ onlyplay andaffect economics(Anditwillreducethediesel +engine’S enginepower locomotive statusanddisturbthe order( traveling running railway and willaffect benefit Furthermore，itrailwaytransporteconomic，social service of is times rotate quality(Thespeedsuperchargerveryhigh 20k time onitiS forlocomotive perminutes (Real veryimportant inspecting is20k In costof one runningsafety(addition，therepairsupercharger on decreasethemalfunction RMB(By dynamicinspectingit，wemay repairs andreducethe cost( repairing diesel on Inordertoresolvethefailuresof enginesuperchargers internal―combustion reasonsindetail( locomotive，we engine analyzed to thereal we and According workingrequirements，designed test fordiesel trial―manufactureda rotate speed system engine oninternal―combustionlocomotiveamature superchargers engine byusing asacore(ThiS resolvedthe singlechiptechnique，AT89C52 system failures whichhastroubledlocomotire supercharger effectively， diesel rotate departmentsyears(Forengine speed，workingsituation， many able rotate andidlerotate test is superchargerspeed time，thiSsystem to and them andonrealtime(Assoonas control inspect effectively locomotive is over test willalert( speed，thesystem superchargerinspected Sodrivers and accident cantakeactions timelypreventbig occurring(And thetestresultsare usefulrecordsfor technique very repair analysiS( ThiSrotate test iSintellectualized can speed system equipment(It testdiesel and and enginespeedsuperchargerspeedaccuratelyquickly( GLDES anddata is test composedby apparatus processingequipment(Test issmalland it beusedonlocomotiveorasa may apparatus light(So portable apparatus( 19 3 18referencedocumentations( tables， figures， j匕夏銮垣叁堂童些亟?堂僮论塞 ?旦S!B?g! KEYWORDS:internal―combustion speed inspecting CLASSN0:TM714 V 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位 论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 王毅 学位论文作者签名:刘晓刚 导师签名: 签字日期: 2007年11月1日 签字日期: 2007年11月15日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签字日期: 2007年11月15日 学位论文作者签名:刘晓刚 47 致谢 本论文的工作是在我的导师王毅教授的悉心指导下完成的，王教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王毅教 授以及电气工程学院的老师们对我的关心和指导。 感谢济南铁路局陈功局长，感谓 铁路局人事处及原青岛铁路分局干部分处的 各位领导同志。正是他们站在全局发展的高度，以超前的眼光和极大的魄力促成 了铁路局与北京交通大学的合作，给我提供了一个学习、提高、发展的好机会。 还要诚挚的感谢电气工程学院的各位老师几年来不辞劳苦，到青岛来为我们 授课和指导;也感谢青岛党校给我们的学习生活提供便利条件，使我们的学业得 以顺利完成。 济南铁路局济南西机务段仪垂俊高级工程师悉心指导我完成了相关的调研研 制工作，在学习上和工作上都给予了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的谢意。 济南铁路局机务处的各位领导对于我的研究工作和论文也提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在调查研究研制工作及撰写论文期间，济南铁路局济南、原青岛、原兖州机 务段技术科和各车间的同事们对我论文中的原始数据积累给予了热情支持和帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的妻子和家人，她们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文。 1绪论 随着科学技术的不断进步和发展，列车运行监控记录装置、机车 轴温报警装置等新设备、新技术在铁路运输生产中的广泛应用，安全 生产的可控性已大大增强，机车质量问题突显出来。铁路大提速的实 施，是铁路跨越式发展的里程碑，同时对机车质量提出了更高的 要求。 1(1课题背景 目前，我国的干线内燃机车柴油机全部采用了废气涡轮增压器， 以大幅度提高进入气缸的空气的密度，通过充分燃烧更多燃料而提高 了平均有效压力，提高机械效率，使柴油机功率和经济性得到提高。 增压器的状态决定了柴油机功率，进而影响着机车的牵引功率。增压 器故障，不仅降低了柴油机的经济性，更重要的是降低柴油机的功率， 影响机车的运用状态，干扰行车秩序，进而影响了铁路运输企业经济 和社会效益，影响了服务质量。 通过对济南铁路局各个机务段的调查发现，每年增压器故障占全 年机破事故的30,40,左右，例如2005年济南机务段共发生机破27 件，其中增压器故障造成机破l0件，占机破件数的37(O,;青岛机务 段共发生机破22件，其中增压器故障造成机破8件，占机破件数的 36(4,。增压器故障不仅严重影响了列车的安全运行，干扰了铁路运输 秩序，而且危害了旅客的健康，造成了检修成本的大量增加。目前， 涡轮增压器故障是全路国产大功率内燃机车的惯性故障，而故障后的 增压器经解体发现绝大部分均出现转子轴拉伤，轴承烧损，压气机叶 轮扫膛，涡轮端大量积碳及涡轮盘裂损叶片飞出等现象，有的转子轴 承烧死无法解体，甚至出现增压器严重破损，很难分析出故障源头是 从那个配件开始引起的。而现在有的检测仪不能准确地诊断故障隐患 及故障点，以此，难以制定出有效的防范措施。 1(2增压器典型故障原因分析及对策 1(2(1增压器典型故障原因分析 济南铁路局充州机务段2005(10,2006(09月增压器故障情况统计 见表卜1: 表卜l 序号 故障现象 故障原因 件数 1 4 油封漏油 油封磨损 轴承磨损使径向间隙超限，导致叶轮或 涡轮损坏10件; 2 扫 膛 12 ( 波纹管内套碎2件 3 12 固死或不灵活 气封圈积炭10件;轴承烧损2件 壳体漏水2件;涡轮叶片拉筋丝断1件; 进油孔丝扣坏1 4 4 其他 件 合计 32 由上表可知，增压器故障占了机破的50, 同期发生机破 12件， 机破因素70件 ，机破因素的73,，2005(1,2006(12两期间共修理增 压器64台，每台修理成本为2万元，合计支出修理成本128万元。因 此，增压器是目前进,步提高机车质量的瓶颈之一。 具体分析 1、油封漏油 轴承油封漏油的主要原因是油封磨损、油封环槽间隙超限或油封 间隙调整不当。油封磨损有,个渐变的过程，开始压气端或废气端有 少许漏油，磨损到一定程度后，漏油量大大增加，因此，只要加强检 查，及时报修，就能避免油封磨损造成的增压器故障。 2、扫膛 造成增压器扫膛的主要原因是轴承磨损使径向间隙超限，转子转 动失衡，导致叶轮或涡轮损坏。增压器转子的转速和增压压力与柴油 机转速和负载情况密切相关，具有,定的对应关系。轴承磨损有一个 逐渐变化的过程，轴承磨损后，磨擦力增大，增压器转速减慢、波动 2 大，压缩压力减小，二者与柴油机转速的对应关系就会偏离正常值。 3、固死或不灵活 固死或不灵活的主要原因是气封圈积炭或轴承烧损，这也有一个 逐渐变化的过程。气封圈积炭后 空气流动阻力变大 和轴承烧损 导致 磨擦力增大 初期最明显的标志是增压器转速下降、压缩压力降低。 4、其它 ， 壳体漏水、涡轮叶片拉筋丝断、进油孔丝扣坏等现象通过加强检 ( 查，及早发现，避免增压器损坏。 扫膛、固死或不灵活导致增压器转速和增压压力降低，影响了进 5,，这种故 气量，导致柴油机功率降低。由此造成的增压器故障高达7 ( 障类型的共同特点就是当柴油机转速一定时，增压器转速和压缩压力 显著降低，如果定期测量它们之间的关系，加以分析，就能及时发现 问题，以便进行检修，避免故障扩大，影响机车。 1(2(2解决增压器故障对策 1(2(2(1加强检测、检修 为了保持增压器状态良好，减少增压器故障，避免影响机车运用， 加强检测检修，制定了以下措施: ?机车小修时，检修车间要测量增压器转速，所测数据作好记录， 积累经验。 ?机车辅修后走行1万公里以上，DF4C机车必须做一次中检，检 修车间利用中检检查增压器各部状态:转子转动灵活，无异音;叶片 良好;压气端、废气端无漏油;手感增压器轴向间隙、径向间隙无异 常，若有异常，吊修增压器检查。 ?机车2次、4次、6次小修时更换增压器机油滤清器，3次小修 更换燃油精滤器滤芯。 ?机车辅、小修时要认真检查各处滑油压力及增压器状态，状态 不良者及时扩大解体。 ?机车辅、小修时要认真检查空气滤清器状态，要保证安装正确 和状态良好，状态不良者及时更换。 1(2(2(2加强运用保养 通过对增压器故障的分析，为加强增压器的运用保养，保持增压 器状态良好，加强运用保养，制定了以下措施: ?柴油机启机前，检查中冷器内有无存油，若有存油，仔细检查， 确认增压器及其它部位无异常方可启机。 ?柴油机启机前，打滑油必须达到3分钟，以保证增压器转动前 润滑良好，方可启机。 ?柴油机停机后，打滑油必须达到3分钟，确保待增压器停转前 润滑良好。 ?乘务员途中发现增压器异常情况:如异音、漏油、冒黑烟，功率 不升等，必须回段提票。 1(2(2(3研制机车柴油机增压器检测系统 增压器的日常检测、检修及运用保养并没有定量的标准，与检修 及乘务员的素质与经验有很大的关系，在发现故障时存在滞后现象。 增压器的转子转速和压缩压力是增压器的最重要的性能参数，能够反 应出增压器的优劣，当增压器状态不良时，转子转速和压缩压力就会 显著降低。为及时、准确发现增压器故障，减少人为检查的失误，减 少因此对机车运用的影响，可以研制机车柴油机增压器检测系统。 1(3课题目标 通过对增压器故障原因的分析及提出的对策可以看出，增压器故 障不仅严重影响了列车的安全运行，干扰了铁路运输秩序，而且造成 了检修成本的大量增加。因此，研制增压器转速检测系统，及时地、 正确地对增压器可能发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的 性质、类别、程度、原因、部位，消除事故隐患，保证增压器安全运 行是十分迫切的问题。 目前，增压器只是在地面上通过测量其惰转时间与动平衡等判断 其工作状态。由于缺乏对其运行性能的检测，所以不能全面准确地评 4 价其性能。为此，研制了内燃机车增压器转速检测系统，该系统可在 机车运行中和检修期间实时检测增压器转速、机油压力、涡轮机进气 温度、增压器机出口压力等增压器运行的重要参数，一旦增压器出现 异常情况，车载数据采集报警装置立刻报警提醒乘务员采取相应的措 施。采集的增压器运行数据能够存储一个月以上，经数据转存盒、地 面分析软件处理后生成相应的图表，为检修人员提供详细的运行数据， 指导增压器的维修。 同时随着单片机技术的发展，应用范围越来越广，大量应用于仪 表、检测中。单片机技术广泛应用于机车、车辆、施工机械、客 车等 铁路部门，在确保行车安全、提高效率、规范管理等方面发挥了重要 作用。例如，监控装置能够有效防止“两冒一超”，在其应用1O几年以 来，各类行车事故大大减少，确保了运输安全和秩序;微机控制技术 的应用，使我国机车控制技术迈上了新的台阶，大功率、节能柴油机 的使用也离不开单片机控制技术;客车手持补票机的应用，规范了列 车补票工作;机车信号、无线列调、供电控制等均是在单片机基础了 研发成功的。因此只要设计适当的单片机电路，辅以适当的输入输出 电路和外部检测装置，就能检测到增压器状态的信号一惰转时间、增 压器与工况及柴油机转速的关系等数据，建立合理的数学模型并据此 编写软件，就能够判断增压器的状态，状态不良时，及时预警，避免 增压器故障扩大，避免因此造成的机破等事件。同时内燃机车大部件 破损还会造成修车成本大幅超支。因此，实时地监测增压系统的工作 状态，及时准确地诊断、预报增压器故障的性质、部位和原因，为增 压器检修提供可靠依据，使柴油机始终在良好状态下工作，具有重要 意义。 2增压器工作原理与检修运用 2(1增压器结构与工作原理 柴油机提高充入气缸的空气密度的具体方法可将充入气缸的空气 在缸外进行预压缩，以提高进气压力，并对预压缩后的迸气加以冷却 后送入气缸，这种方法称为柴油机增压。根据驱动增压器能量的来源，增压 的方式可分为机械增压、废气涡轮增压和复合式增压三种。 1 6V240ZJB型柴油机采用废气涡轮增压系统，利用排出气缸的具有 一定能量的废气导入涡轮机中膨胀作功，再由涡轮机带动压气机将新 鲜空气压缩。空气在压力升高的同时温度也随之升高，为进一步增加 气缸的充气量，废气涡轮增压系统中设置有冷却增压空气的冷却器， 使空气密度得到进一步提高，而压力损失较小。这种增压系统中，增 压器与柴油机曲轴之间无机械联系，由于回收利用废气能量，所以增 压柴油机降低了燃油消耗率，提高了工作经济性。废气涡轮增压系统 与其它增压系统相比，省去了柴油机对增压器的驱动机构，故结构简 单紧凑;又利用了废气能量两提高了柴油机的经济性;并由于进 气压 力的提高，在换气过程气门重叠期对燃烧室进行扫气，这样既提高充 气效率，又降低活塞、气缸盖和气门的热负荷，还降低了涡轮叶片的 工作温度，因而得到了广泛的应用。涡轮增压器工作原理如图2―1所示。 图2―1 涡轮增压器工作原理 6 在废气涡轮增压系统中，根据对废气能量利用方式的不同，又可分为恒压 定 压 增压、脉冲增压和脉冲转换增压三种。 1、恒压涡轮增压系统 恒压涡轮增压系统是指涡轮前排气管内压力波动很小，燃气压力基本上恒定。 在这种增压系统中，柴油机各缸排出的废气都通入一根排气总管内，然后再导入 涡轮的喷嘴环。这样由于排气总管的截面和长度较大 即容积较大 ，同时各缸排气 交替补充，使排气总管内的压力波动较小，进入涡轮的燃气压力基本上恒定，因 此，这种增压系统称为恒压涡轮增压系统。由于排气总管内的压力趋近于一平均 值，因此在排气门开启初期，缸内压力远高于排气总管内的压力，大部分燃气畅 快地排出，使燃气在流经排气门和进入排气总管时出现节流和自由膨胀，产生较 大的涡流和摩擦损失。虽然涡流和摩擦损失产生热量，使燃气温 度有所升高，但 可以回收一部分能量，但大部分燃气的能量没有得到充分利用。 2、脉冲涡轮增压系统 在脉冲涡轮增压系统中，将间隔发火的2个或3个气缸连接到一根截面较小、 长度较短的排气管上，再和涡轮增压器相接。因排气管容积较小，在排气门开启 初期，排气管内的压力迅速升高，接近于缸内燃气压力。由于在同一根排气管内 没有其它气缸同时排气，因此随着燃气进入涡轮，缸内压力和排气管内压力一起 迅速下降，形成排气管内压力周期性脉动变化。涡轮是在进口压力有较大脉动的 情况下工作的，这种增压系统称为脉冲涡轮增压系统或变压涡轮 增压系统。在脉 冲涡轮增压系统中，排气f-JN打开时，气缸内与排气管内的压力差较大，涡流和 节流损失也较大，但由于排气管内的压力迅速升高，与气缸内压力差随之减小， 因而气流总的节流损失大为减少，这样使可利用的燃气能量增加。同恒压涡轮增 压系统相比，当排气管内平均压力相同时，脉冲增压系统涡轮的功率约大30,。 通常四冲程柴油机的排气持续期约为2400曲轴转角。为得到良好的扫气效果，必 须避免各缸压力波的相互干扰，因此使连接在一根排气管上的各缸发火顺序错开， 每根排气管连接的气缸数不超过3个。燃气经各排气管进入涡轮，涡轮虽然在脉动 压力下工作，但涡轮喷嘴环的进气是连续的。 3、脉冲转换涡轮增压系统 在脉冲转换涡轮增压系统中，各缸排气管分组原则与脉冲涡轮增压系统相同， 所不同的是排气管道中增设脉冲转换器。排气管接在脉冲转换器上，燃气在脉冲 转换器内实现压力能与动能间的转换，这种增压系统称为脉冲转换涡轮增压系统。 脉冲转换器由引射管、混合管、扩压管和稳压器组成。在脉冲转换器中，从一根 排气管来的排气脉冲流过截面渐缩的引射管时，气流速度进一步提高，即把压力 能转换成动能。这股高速气流对另一根引射管产生引射和抽吸作用。如果连接另 7 一根引射管的气缸正处于扫气阶段，可使该缸具有较低的排气背压而进一步改善 扫气效果。从各引射管来的不同流速的气流在混合管内相互混合，然后进入扩压 管，将动能转换成压力能。进入稳压管后，废气的压力波动得到进一步稳定，然 后进入涡轮，因此脉冲转换涡轮增压系统的涡轮机与恒压涡轮增压系统的涡轮机 都具有较高的效率。 比较上述三种增压系统，恒压涡轮增压系统的优点是涡轮前气流较稳定，高 负荷下涡轮效率较高，排气管结构简单，缺点是气流的节流和自由膨胀损失大， 排气脉冲能量不能有效地加以利用;在柴油机部分负荷时，因缸内排出燃气的能 量较低，增压压力亦较低，扫气效果较差，需要活塞协助排出废气。此外，涡轮 的加速性能较差。脉冲涡轮增压系统由于在排气门开启初期，排气管内的压力迅 速上升到接近气缸内的压力，因此气流节流损失较小，排气脉冲能量能部分地传 递给涡轮加以利用，但在高增压时此优点并不突出:在排气门开启期间，排气管 内平均压力较低，因而活塞泵气损失小，扫气压差大，效果较好，其缺点是涡轮 因流动损失和冲击损失较大，涡轮效率较低;同时排气管结构复杂，总体布置困 难，组装和检修较困难。脉冲转换涡轮增压系统兼有脉冲及恒压涡轮增压系统的 优点，既能有效地利用排气的脉冲能量，又能使气流稳态进入涡轮，从而提高了 涡轮效率。 2(2增压器的主要故障原因 增压系统故障主要有: 1 增压压力偏低: 2 柴油机排气温度过高; 3 涡轮增压器转速降低或转速过高; 4 涡轮增压器窜油;涡轮增压器异音; 5 涡轮增压器回油温度过高; 6 涡轮增压器压气机喘振等。 增压压力低的主要原因有: 1 空气滤清器严重堵塞使进入增压器空气量少、 2 涡轮增压器压气机气道粘污、有时油垢可达2mm以上，这种现象在风沙 较大地区; 3 空气滤清器洗后浸油情况下最为严重; 4 柴油机进气管各接头有漏气处所，造成压力损失; 5 空气中间冷却器气道粘污，主要由冷却水质问题或水中进油引起; 6 涡轮增压器转子和静止零件间严重积碳，使旋转阻力增加造成增压器转 速下降，甚至低速气滞; 7 涡轮增压器叶片变形或喷嘴环变形造成增压器喷嘴出口面积增大，柴油 机热负荷增加; 8 涡轮增压器轴承损坏。 排气温度过高的主要原因有: 1 由于喷油提前角减小或喷油器雾化不良造成柴油机后燃严重; 2 由于油环装反，缸套与气、油环配合间隙大或配合压力不合适等造成机 油参与燃烧; 3 涡轮增压器喷嘴环面积减小，排气阻力大，背压高。 涡轮增压器窜油的主要原因有: 1 涡轮增压器压气机端油封轴承座间垫片漏油; 2 进油道堵漏油; 3 涡轮端气封圈和轴承座间垫片漏油; 4 涡轮轴梯形螺纹和气封圈不同心。 涡轮增压器转速降低或过高的主要原因有: 1 增压器转子和静止零件间接磨，使旋转阻力增加，转速下降; 2 喷嘴叶片超温发生变形，使喷嘴出口面积增大，造成转速下降; 3 增压器轴承损坏使增压器转子卡滞; 4 柴油机排温高，使涡轮转速过高; 5 柴油机超速; 6 运用地区大气压力低; 7 喷嘴叶片或涡轮叶片积碳，使燃气通道减小。 涡轮增压器产生不正常噪音和振动的主要原因有: 1 涡轮增压器转子部分和静止零件相碰接磨; 2 增压器转子积碳严重，使动平衡破坏; 3 涡轮轴或轴承磨损严重; 4 涡轮增压器安装松动。 涡轮增压器回油温度过高的主要原因有: 1 机油油压低或机油系统堵塞; 2 润滑轴承的机油量不足; 3 涡轮端气封圈漏气，使燃气进入润滑油道; 4 增压器轴承损坏; 5 冷却系统堵塞，使轴承冷却不良; 9 6 机油管路漏泄等原因使润滑油量不足。 涡轮增压器压气机喘振的主要原因有: 1 空气滤清器或空气中间冷却器气道堵塞，使空气流量减少: 2 增压器压气机流通面积减小; 3 柴油机在高温环境下工作，空气流量减少; 4 柴油机负荷突然降低或紧急停车，增压器转子由于惯性转速不能立即降 低造成瞬时喘振; 5 由于气门机构故障，使燃气窜入进气道。 2(3内燃机车增压器检修检测工艺 2(3(1 增压器检修试验条件 ?。回油温度不得超过100*C。出口水温不应超过90。C。 2 迸排气压力:增压器压气机进气负压不大于2(5kPa，增压器涡轮排气 背压不大于2kPa。 2(3(2 增压器试验 1383的 增压器试验分为型式试验和出厂试验。试验的各项数据应符合TB,T 规定。 1 型式试验 增压器有下列情况之一，应做型式试验: a 新产品试制完成时; b 转厂生产的产品试制完成时; c 停产满一年再重新生产时; d 产品结构、工艺或材料有重大改变时; 曲J下常生产的产品每生产1000或生产满3年时; D质量监督检验部门提出检验要求时。 供型式试验的增压器，应具备下列文件: 幻转子动平衡试验记录; b 主要零部件探伤检查记录; c 主要装配尺寸及间隙记录; 10 d 主要零部件材料的理化试验证明; e 主要零部件尺寸检查记录; 0出厂试验记录。 型式试验包括性能试验和耐久性试验，下面分别介绍。 性能试验包括以下内容: 其一是压气机特性试验: 应在压气机试验台或增压器试验台上用外风源进行试验。允 许采用自循环方 法进行部分性能试验。试验结束后按附录B填写试验记录和附录C绘制出性能曲线。 r,rain 等转速线分挡:最低起始转速不应高于标定转速的60,，然后每隔1000 2000r,min作一条等转速线，直到标定转速的110,。 流量测点分挡:从喘振点起，在每一条等转速线上按流量划分，不应少于五 点。 其二是涡轮特性试验: 可以在增压器试验台上采用外风源方式或自循环方式进行，做自循环线，可 与自循环试验相合 调节自循环阀，模拟柴油机标定工况点的PK ,PT值 ，测取压 气机和涡轮端各参数。 注:PK(一压气机出口处总压力; PT一涡轮进口处总压力。 其三自循环试验: a 在自循环试验中，增压器在标定工况下，应模拟柴油机在标定工况时的PK ,PT值，按此做白循环试验，以考察涡轮进口温度的变化。在试验中此温度应低 于最高允许值。 b 脉冲增压器，试验前允许更换小面积的喷嘴环，以完成自循环试验。 c 增压器总效率应按自循环时压气机处于标定点的试验参 数进行计算。 d 自循环试验时应按压气机特性试验所选定的转速进行，同时测定机组的振 动。 其四惰转试验 在增压器转速为50,标定转速时，切断燃油供给，逐渐降低滑油压力测定惰 转时间。 2 耐久性试验要求 提供做耐久试验的增压器应是通过性能试验的同一台增压器。试验前，应核 。 对增压器各主要零部件的尺寸、间隙和装配记录。 耐久性试验包括以下内容 a 、100h试验 试验方式按性能试验标准进行。 试验工况按以下工况顺序进行: 1 标定转速试验30h; 2 交替突变转速试验10h，转速在标定转速和60,标定转速之间交变，前 8 h每4rain变换一次，后2h每2min变换一次，’升降速时间不大于lOs; 3 超速试验24h，转速为标定转速的110,; 4 交替突变转速试验10h，I况同前; 51标定转速试验26h。 试验过程中测量和记录各参数，每1h进行一次。 b 、超温试验 在lOOh试验后进行。增压器在标定转速运转，使涡轮 进口温度保持在最 高允许温度的 105,，时间不少于5min。 c 、复校性能 100 h试验后应复校增压器的性能 在超温试验后进行 。 d 、停车要求 在lOOh试验中，因非增压器故障 漏气、漏水、漏油 而停车不应超过一次， 停车时间不应超过30min，增压器试验时间应按停车时间相应延长。若超过30min， 试验无效。 3 拆检 型式试验后进行分解检查，并记录如下项目: 、 幻、复校转子动平衡; b 、对涡轮轮盘、主轴、止推垫片及轴承套进行探伤检查; c' 、检查轴承、轴颈和减振器装置的磨耗情况; 2(3(3 内燃机车增压器检测 1 转速测量 用电磁感应测头和电子计数式频率计测量，也可用其他转速测量仪器，测量 、 精度不低于0(5。 2 压力测量 测量仪器及测点位置:压气机和涡轮进出口都应使用精度为0(3级的仪表测 量，测点位置应按气体动力学有关规定 系统压力测量:冷却水和机油系统压力用2(5级压力表测 量。 12 大气压力测量:试验地点的大气压力用槽式气压计或其他气压计测量。 3 温度测量 压气机进、出口温度测量:用精度为0(2级的温度计，测点位置应按气体动 力学有关规定设置。 涡轮进、出口废气温度测量:用精度为0(5级的温度计，测点位置应按气体 动力学有关规定设置。 冷却水和机油温度测量:可使用精度为2级的温度计测量。‘ 环境温度测量:可使用精度为0(5级的温度计测量。 4 空气湿度测量:可使用空气相对湿度计进行测量。 5 流量测量 空气流量:用精度为l级的孔板流量计或其他流量计测量。 冷却水和机油流量测量:可用浮子流量计测量或用称重法进行测量。 6 测量仪器要求:测试、测量用的压力表、温度计及其他测量工具应有上 一级计量单位颁发的检定合格证。 7 工况点的测量:试验中每一工况需稳定5min后方可进行测量，每一工况 应测量2次，测量数据填入记录表 8 零部件的测量:增压器零部件的测量由专人负责，使用 检定合格的量具 进行测量。试验前后的测量，原则上由同一人在相同的条件下进行。 3总体 3(1 设计原则 本着有效可靠、成本支出少、不对机车其它电气设备产生任何影 响的前提，确定以下设计原则: ?能够显示、查询机车工况、柴油机转速、增压器转速、机油压力、 涡轮机进气温度、增压器出口压力等增压器运行的重要参数; ?相关软硬件要符合铁道部有关技术规范: ?与机车电气连接部分要进行光电隔离; ?不干扰机车乘务员的正常操纵。 首先，通过对增压器转速、增压器机油压力、涡轮机进气温度、 增压器出口压力、增压器惰转时间等检测数据的积累，诊断涡轮增压 器轴承及转子等的工作状态，摸索并确定 综合参数 门限值，提前 发现问题，处理问题。 其次，对轴承烧损、固死、扫膛等故障原因准确分析出故障源头， 从而找出造成增压器故障的原因，在修程中制订有针对性地防范措施， 解决内燃机车增压器轴承烧损、固死、扫膛等惯性故障，降低检修成 本，降低职工劳动强度。 3。2 技术方案的确定 该检测诊断装置采用了便携式离线采集方式，系统主要由车载数 据采集报警装置、转存盒、笔记本电脑、应用软件和打印机组成等部 分组成。采用嵌入式计算机系统，通过传感器及相应的软硬件系统， 对表征机组主要机械动态特性的转速、惰转时间、机油压力、空气出 口压力、废气进气温度等参数实时测试和分析，达到对机车涡轮 增压 器工作状态检测目的。 14 3(2，1 信息获取 涡轮增压器是高速运行的旋转机械，运行过程中，其内部零件必 然受到机械应力，热应力，化学应力等作用，随着时间的推移，作用 的累积将使机组正常运行的技术状态不断发生变化，随时可能产生异 常，故障或劣化状态。伴随着这些变化，又必然产生相应的压力、噪 声、温度等二次效应。可以利用机车涡轮增压器在运行过程中的二次 效应，或称机械图像所提供的信息，诸如转速，噪声，温升，压力， 润滑油状态等有关物力变化的信息。由于机械动态检测技术具有多参 性，多维性，可传递性和可实现性等优点而得到了迅速发展，因而将 转速、温升、压力、润滑油状态的检测确定为“内燃机车涡轮增压器 检测系统"的主要内容。 3(2(2基本分析方法 增压器轴承上嵌有永磁铁，能够通过电磁式转速传感器测得增压 器的转速;机车工况是高低电平信号;柴油机转速信号能够从测发直 接取得，，将转速传感器所提供的信息转变为电信号;机油压力、空气 出口压力、废气进气温度等参数可通过传感器采集并转换;最后将采 集的各种检测参数信息，通过采用人工智能监测诊断的新技术，进行 时域等分析，监视、诊断机车涡轮增压器的状态及变化趋势，得出状 态是否正常的结论。将实测机械动态特性参数与档案库数据进行智能 化对比分析，实现状态判断的自动化。因此只要设计适宜的单片机系 统，就能够测量并记录上述数据，再通过单片机的人机对话功能， 来 实现查询、显示、诊断、报警等功能。 4柴油机增压器检测系统设计 4(1柴油机增压器转速检测系统基本组成 柴油机增压器检测系统主要是为了检测增压器状态、减少和防止 增压器破损事件发生而设计的。系统由车载检测报警装置 主机 、转 存盒、笔记本电脑、地面处理软件等组成。 4(1(1增压器转速检测系统的指标 增压器转速检测系统的指标如表4―1 增压器转速检测系统参数指标 表4―1 检测参数名称 参数值 正常范围 检测参数名称 参数值 正常范围 , O,l O(25 电源电压 V 99,l2l 增压器机油压 O(4 力 MPa , O,1200 0,0(5 O(08 柴油机转速 430,1050增压器出口压 O(3 r,min 力 MPa O,320001900,27000 0，,800 90,650 增压器转速 涡轮机进气温 r,min 度 ? 4(1(2车载检测报警装置 车载检测报警装置通过检测柴油机转速、增压器转速、废 气排气 温度、空气出口压力、机油进口压力以及加载情况等指标，来判断增 压器运行状态的好坏。具有数据查询、时钟调整、机车号、增压器型 号设置、数据清除、数据发送等功能。 该装置由传感器、信号取样电路、CPU控制电路、DC-DC电源模块、 存储器、数据转存、接线盒、连接线等组成。装置工作时，CPU不断采 集增压器工作数据，根据采集到的数据来判断增压器工作状态，当CPU 判断出增压器故障后，发出指令报警，并及时存储数据，从而检测到 增压器故障数据。信号取样电路的设计，使本装置可适用于各种型号 的内燃机车，该装置有显示、报警、存储、数据转存等功能抗干扰能 力强，显示故障直观。 16 该采集装置安装于机车司机驾驶室中，增压器转速、机油压力、 风压传感器安装在增压器机体测试口上。当机车蓄电池闸刀闭合时， 装置面板上液晶屏显示时间及各种指标信息，说明已处于工作状态， 所有功能将通过CPU控制自动完成。平时不需要拆下维修，也不需要 人工干预或操作。设备绝缘性能好，不会影响和干扰机车上各种电器 的正常工作。不影响乘务员的各种操作。如果因故须切除该装置工作 时，只要将其面板上的控制开关置断开位就可以了。 增压器与柴油机转速是频率信号，经放大后输入CPU，增压器压力 1 是模拟信号，经放大、D,A转换后输入CPU，机车工况是1OV开关信 号，经光电隔离后输入CPU，增压器与柴油机转速、增压器压力经处理 后在显示器上实时显示。机车车号、增压器型号及编号、柴油机类型 由检测仪键盘输入，主机是该检测系统的核心部分，主机能够检测并 记录增压器转子的转速、增压压力和柴油机转速、负载情况，并根据 预存的各种类型的增压器的主要性能技术参数初步判断增压器的状 态，当严重偏离对应的技术参数时发出声音报警提示，其记录数据通 过转储盒可转存到计算机内。主机以AT89C52处理器为核心，由存储 器、光电隔离输入输出接口及复位电路等部分组成。 车载检测报警装置原理如图4一l所示，车载检测报警装置软件流 程图如图4―2所示。 柴油机转速 增压器转速 +110V 加载情况 I 电源模块 液晶显示 进口温度 存储器 模 微 出口压力 数 处 声光报警 机油压力 理 转 换 器 键盘输入 器 数据转存 电压基准 图4(1车载检测报警装置原理图 17 图4―2 车载检测装置软件流程图 4(1(3地面微机处理系统 地面微机处理系统由地面分析软件、笔记本电脑和打印机组成， 数据转存后经微机处理显示打印。数据转存盒工作人员可随身携带。 地面数据处理系统对车载数据采集报警装置存储的数据进行分析处 理，并给出指标异常时的故障分析。该系统具有数据接收、文件转存、 数据打印、图形显示等功能，使用方便快捷。 地面分析软件预存了各种类型增压器的性能技术参数 各种负载 情况下的转速、增压压力与柴油机转速的对应关系，惰转曲线等 ，通 过与多次检测到的增压器良好状态下记录数据比较，得到每一台增压 器良好状态的特性曲线，做为该台增压器的标准特性曲线， 以后测得 的数据每次与之比较，即可准确判断出该增压器状态是否良好。 ‘ 软件系统构成: 1(硬件配置: PIII系列微机 主频450兆赫及其以上 以上配置。 2(操作系统: Wi nXP ndows95,98,wi 3(开发工具: ViSualBaSiC6(0 MiCrosoftAcCeS S数据 库 利用SQL语言对数据库进行修改和查询 4(系统功能结构 地面数据处理系统功能框图如图4―3所示。 图4-3 地面数据处理系统功能框图 ’ 4(1(3外部信息输入部分 机车工况取自机车司控器、柴油机转速取自机车柴油机测速发电 机，增压器转速是由专用传感器测得。DC―DC电源模块采用北京纽波尔 1 2V OV电压转换为+24V、+5V和一1 公司生产SF25W型DC-DC模块，将+l 电压转换后给CPU和传感器供电，电源模块最大输出功率为25W，+24V l 经LM782低压差稳压模块转换成+l2V。柴油机转速信号直接取自测速 发电机输出信号，转速信号经RC滤波器滤波、差分放大、限幅二极管 限幅后由施密特比较器LM224N整形形成方波，方波经光电耦合器 TLP5 1 2卜2进行隔离，再经六反相器SN74HCT4N整形后转换为TTL电平 信号。增压器转速信号取自增压器转速传感器，通过磁电式传感器内 部线圈感应输出相应的交流电压信号经处理后获得增压器转速信号。 机油压力、空气出口压力、废气进气温度传感器输出成线型对应关系 的4,-(J20mh标准电流输出信号，通过串联250欧姆精密电阻 精度l ‰ 转换成1,5V的电压信号，再经结型场效应管TL084和A,D转换 器TLC2543转换成数字量。 19 4(1(4关键技术及解决方法 4(1(4(1内燃机车增压器转速检测系统主要由车载检测装置和微 机处理系统两部分组成。车载检测装置主要是采集增压器的动态运行 数据，通过传感器由CPU自动采集增压器运行数据。增压器在工作时 有许多技术指标，经研究课题组决定采集增压器5种主要的技术指标 来反映增压器的工作状态:即柴油机转速、增压器转速、涡轮机进气 温度、机油压力、增压器出口压力。这5种指标已能基本反映了增压 器的工作状态。确定采集指标后，选取相应的传感器和安装位置。经 反复试验、比较，确定了传感器的型号和安装位置，保证了增压器技 术指标的采集。 地面数据处理系统采用笔记本电脑，其目的是携带方便，查找、 i crosoftAcces sualBasc6和Mi s数据库， 反馈信息及时。软件采用Vi 该软件图形画面清晰、直观、数据准确，很好地反映了增压器的运行 状态。为机务段检修增压器提供了可靠的数据。 4(1(4(2利用微处理器采集增压器的各种典型指标数据，再由微机 将数据进行分析处理，判断出指标异常时的增压器故障状态。 4(1(4(2(1庞大数据量的存储管理 由于增压器是连续工作的，启机工作几小时甚至十几小时，数据 采集装置采集数据量非常大，数据要求保存一个月，5个参数每 分钟甚 至是每秒保存一个数据，因此要求采集装置能存储大量的数据，存储 e的存储器和 器芯片的选取就非常重要，经研究、计算确定采用lMByt 相应的电路，来满足存储大量数据的需要，该芯片市场紧俏、使用电 路复杂，经过课题组的努力解决了该难题。 4(1(4(2(2增压器故障判断 增压器故障比较复杂。我们通过长期实验，摸出了在不同的故障 情况下，各种指标数据的规律，为增压器故障预警提供了精确保障。 4(1(4((3软件设置 用汇编软件编制数据采集程序。本程序具有设置、查询、调时、 20 发送等功能，能够将各指标的数据每秒钟采集一次，每分钟存储一次， 停机时，每秒钟存储一次数据。微处理器对采集到的数据进行分析判 断，对超出正常范围的指标进行报警，提醒乘务员注意，以防止增压 sualBasi 器故障的发生。采用Vi C高级语言对数据进行图形显示，并 根据指标之间的相互关系判断增压器工作是否正常，并表明故障类型， 提供给技术人员作为分析故障的参考。 4(2 柴油机增压器检测系统功能和原理 该检测系统主要功能有二:一是实时检测并显示机车柴油机转速、 增压器转速、涡轮机进气温度、机油压力、增压器出口压力，并根据 检测系统的增压器状态定义表进行比较，当监测到机车增压器转速与 机车工柴油机转速及工况的关系符合不良条件时，能及时报警，提醒 司机采取相应措施;二是能够记录机车柴油机转速、工况和增压 器转 速等参数，当发生增压器故障时可通过查询记录数据，从而准确地判 断增压器故障原因，消除隐患;三是地面数据处理系统对车载数据采 集报警装置存储的数据进行分析处理，并给出指标异常时的故障分析。 本系统以8位单片机AT89C52为核心器件，由存储器、串行通讯 接口、光电隔离、输入输出接口及复位电路等部分组成，并通过一个 1 O芯多路接口与外部条件信号及报警装置联接。系统选用89C52单片 KB闪速可 机作为主控制器，此芯片与8051完全兼容(且内部带有4 MHz。69 编程、可擦除PEROM，工作时钟可高达24 1主要用来实现 掉电保护，同时起到“看门狗" 的作用。 I 1 系统电源突然断电时，69PFO端及时向89C52NTO申请中 断(保护采集的数据不丢失，若软件执行中出现故障，89C52P3(2经 一定时间间隔没有脉冲输出时，691将起“看门狗”的作用，使 RST 复位有效，重新启动系统数据存储器6ll6主要作为数据传输的缓冲， 显示电路由8l55完成，PA口作键盘输入，PB口作字形显示，PC口作 1 控制线用855内部256BRAM用于存放8通道采集到的原始数据。 CL71 l 数据采集与转换由l2位A,D转换器I09来完成。709是高 精度、低噪声、低漂移的双积分模数转换器，其内部带14位锁存器和 l 1 4位三态输出寄存器，具有较强的接口处理能力。设定709为直接接 109可连续进行数据的转换，转换结束时 口方式。这种工作方式下，7 由STATUS发出转换结束信号送至单片机INT0请求中断。89C52将转换 后的数据分两次先低8位后高4位读取。为了实现对8个通道的参数 测量，同时尽量降低成本，简化系统配置，设计了利用模拟多路开关 CD405 1 1进行通道的切换，共用一片709由89C52控制，分时完成所有 通道的采样与转换。检测系统的原理框图如图4―4所示。 I I 巨雪 Tq，f月? I观32接口卜 图4―4 柴油机增压器检测系统原理框图 4(2(1 89052简介 4(2(1(1 概述 89C52系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS as 工艺制造并带有非易失性Flh程序存储器。全部支持l2时钟和6 时钟操作。 P89C5i X2和P89C52X2,54X2,58X2分别包含128字节和256字 节RAM、32条I,0口线、3个16位定时,计数器、6输入4优先 级嵌套中断结构、1个串行I,O口 可用于多机通信、I,O扩展 或全 双工UART 以及片内振荡器和时钟电路。 此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围 频 率可降至0 。可实现两个由软件选择的节电模式一空闲模式和掉电模 式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。 掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功 能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。 运行可从时钟停止处恢复。 4(2(1(2DI P封装及管脚功能 89C52封装分为DIP封装、LQFP封装两种，图4―5是DIP 封装各 管脚排列。 Vcc pO，讲AOO P0(1，A01 PO，2，AD2 pO。3，AD3 PO(4lAD4 PO。5，A05 PO，最，AD6 pO(，，AD7 韵VPP ALE 芦贰 P271A15 4 P2，6，A1 3 P2(5，A1 P24，A12 p2，3，A" P2。2，A10 P2(1，A9 P2搿A8 DIP封装管脚图 图4―5 表4-2是89C52各管脚功能说明。 名 称 管 脚 名称和功能 VSS 20 地 Vcc 40 电源:提供掉电空闲正常工作电压 PO口:PO口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮 用作高阻输入。PO也可以在访问外部程序存储器时作地址 39―32 P0(O一0(7 的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内 部强上拉输出1。 P