船用低速柴油機電控氣缸注油器注油量測量方法

范玉， 楊建國， 冉曄

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063； 2.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室低速機電控分實驗室，湖北 武漢 430063；3.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063)

氣缸注油潤滑一直是影響船用低速機可靠性、經濟性和排放性能的重要因素之一[1]。氣缸油作用是保護缸套、活塞和活塞環免受燃燒產物的有害影響，并在活塞環和缸套間形成油膜[2]。氣缸注油量過小，破壞了氣缸壁的邊界潤滑，引起缸套磨損增大，嚴重時甚至引起拉缸和咬缸；氣缸注油量過大，氣缸油的消耗率增加，同時氣缸油進入燃燒室不完全燃燒產生的油泥和淤渣，易引起活塞環的粘滯，污染氣口、氣閥、排氣格柵及增壓器噴嘴環和葉片。經驗證明注油量過大缸套的磨損也會加劇[3]。精確測量氣缸注油器的注油量十分重要。

由于注油器和噴油器同樣具有脈沖、周期的特點，目前國內外測量注油量的方法還是參考噴油器噴油量的測量方法，但兩者也有不同之處，注油器相較于噴油器其噴油壓力較低，對背壓的敏感性更大，注油器的功能由于只是潤滑缸套和中和燃燒產生的酸性物質，更多的強調注油定時和注油量，對注油規律則不作更多關注。在借鑒噴油器噴油量的測量方法的同時也應考慮到兩者間的區別。

目前噴油器噴油量的測量方法有很多[5-11]，主要有蜂孔轉盤法、量筒測量法、Bosch長管法、容積法、Zeuch法、稱重法、壓力升程法和位移法等。蜂孔轉盤法其裝置體積較大，控制難度較大；量筒測量法誤差較大，且不能實現自動測量；Bosch長管法主要應用于單次噴射儀，價格昂貴。容積法將燃油噴進一個裝有穩壓裝置的固定容器，通過測量充滿容器的噴油次數計算出噴油器單次的平均噴油量，無背壓設置。Zeuch法[11]通過測量定容器內壓力變化計算噴油量，需要設置高響應的排出閥，背壓設置不易控制[12]。壓力升程法主要用于測量噴油規律。位移法對油缸密封性要求高，其加工難度大。

綜上所述，考慮注油器注油的特點，本文基于Zeuch法，提出了“恒壓等容”法，即在剛性密閉容積內充滿氣缸油，在其外設置1個溢流閥，溢流閥的壓力即為注油器的注油背壓，并可將注油器脈沖的氣缸油流量全部排出，易于后續的自動連續稱量。

1 氣缸注油器工作原理與建模

1.1 氣缸注油器的注油特點分析

現有船用低速機電控氣缸注油器一般通過電磁閥控制液壓力推動柱塞運動來實現注油動作，通過彈簧或者液壓力實現復位(吸油)動作，其注油量具有脈沖和周期的特點，注油端存在氣缸背壓。為了精確測量電控注油器的注油量，需要設置于注油器的合適條件，其難點在于進行注油器測試時需在注油嘴后設置背壓來模擬缸內壓力，以達到和實際工作情況相一致的工作邊界條件，背壓的設置對連續測量的干擾大。注油量的測量裝置的技術需求：

1)具有背壓設置功能；

2)測量的總誤差最小，總誤差是由國標標準化組織的測量誤差表達手冊規定[4]；

3)具有連續測量單次循環注油量的平均值功能。

1.2 Alpha注油器工作原理與理論單次循環注油量

圖1是Alpha注油器的結構圖，氣缸油從日用油柜流出，經氣缸油進口流入注油器本體，兩位三通電磁閥未上電時，注油器的氣缸油經環切口進入柱塞腔內實現注油器吸油過程，氣缸油出口設置有止回閥，防止氣缸油倒流回到注油器；Alpha注油器控制單元控制兩位三通電磁閥動作，液壓伺服系統提供25 MPa伺服油從伺服油進油口P口進入注油器工作口A口，伺服油推動執行活塞克服彈簧預緊力向左移動，壓縮柱塞腔的氣缸油，柱塞腔里氣缸油壓力超過止回閥的啟閥壓力(0.5 MPa)時，高壓氣缸油經油管從注油嘴呈扇面狀噴出，注油器通過注油嘴完成注油，注油器每次動作的注油量都是一定的，但通過調節螺釘改變柱塞的行程可達到改變單次注油量的目的，可通過調頻控制策略實時改變注油率[13]。

圖1 Alpha注油器結構Fig.1 Structure of Alpha lubricator

(1)

式中：m為單個柱塞單次沖程注油量；d為柱塞直徑；s為柱塞注油行程；ρ為氣缸油密度；η為液壓效率。

表1 注油器結構參數Table 1 Structural parameters of lubricator

理論上單個柱塞單次循環注油量為0.12 g。根據Alpha注油器測試規范，其背壓設置為1.5 MPa，液壓效率為0.97，測量的注油單個柱塞單次平均注油量在理論值90%～100%為合格，即合格值在0.108 g～0.12 g。

1.3 注油器“恒壓等容”法建模研究

氣缸油注入充滿氣缸油的剛性密封背壓罐內時，由于液體難于壓縮，則容器內的壓力會升高[14]，其升高的壓力Δp：

(2)

式中：v0為背壓罐的容積；v為注入的氣缸油體積；k為氣缸油體積的彈性系數。式(1)也可寫為：

(3)

由式(3)可得：注入的注油量與背壓罐容積和壓力升高有關，氣缸油體積彈性系數可認為是常數[15]。實際測量中背壓罐設置1個出口調壓背壓閥，注油器工作時背壓罐內的壓力隨氣缸油的注入而升高，壓力達到背壓閥啟閥壓力時背壓閥開啟氣缸油匯集至量杯，用精密電子天平稱量。精確測量注油量的前提是注油器每次注出的油量與背壓閥出口的平均流量相等，為了滿足這一條件，注油器的動作頻率應與背壓閥的動作頻率相等。

由于注油器的實際工作過程復雜，受機、電、液以及溫度等因素的影響大，根據上述Alpha注油器的結構特點，作如下假設：

1)注油過程系統內的溫度假設為恒定值；

2)各集中容積氣缸油狀態的變化瞬時平衡，同一集中容積內的瞬時壓力密度等參數均相等；

3)所有密封配合面均無泄露，只考慮動力活塞圓柱運動副和柱塞運動副處的氣缸油泄露；

4)動力伺服油的壓力為恒定值，設定其為25 MPa。

為了定量研究“恒壓等容”法測量注油量的可行性，用AMESim軟件對電控注油器和注油嘴的工作過程進行了模擬計算。液壓油和氣缸油選擇同一種油，柱塞模型選擇外閥芯和實物相同，為帶有環槽的結構，柱塞本體的止回閥和注油嘴單向閥均簡化為單向閥模型，為了與實際情況相吻合，單向閥選擇帶有動態參數的模型，由于6個柱塞工作方式是相同的，建模只考慮了1個柱塞。

圖2電控注油器“恒壓等容”法測量模型，虛線橢圓圈出的背壓罐和背壓閥提供注油器的出口背壓，流量計則給出注油器單次循環質量和體積流量。

圖2 電控注油器“恒壓等容”法的測量模型Fig.2 Measuring model of electronic lubricator with constant pressure and constant volume method

2 注油量測量臺架試驗

為了驗證“恒壓等容”方法的測量精度，研制了電控注油器注油量測量試驗臺。

2.1 電控注油器注油量測量試驗臺

圖3是電控注油器注油量測量試驗臺，其硬件由3個部分組成，分別是注油器測控臺、液壓站及注油器測量臺，注油器測控臺用以設定控制注油器的工作條件、監測試驗臺運行以及安全報警；液壓站用以提供滿足注油器正常工作的伺服驅動液壓油；注油器供油與注油量測量臺是提供給注油器一定壓力和溫度的氣缸油，使得注油器進油腔充滿氣缸油，同時還設置了智能電子天平，配合測控臺完成連續自動注油量測量。注油器安裝在操作臺上，通過管路與6個注油嘴連接，如圖4所示。

圖3 試驗臺整體實物Fig.3 Overall physical picture of the test bed

圖4 注油器安裝實物Fig.4 Lubricator installation map

如圖5所示，注油器6個注油嘴分別與6個兩位三通換向電磁閥P口相連接，6個換向電磁閥A口分別接入6個單向閥后接入背壓罐，背壓罐的出口接入調壓閥，氣缸油經過調壓閥后流入量杯，高精度電子天平稱量量杯的氣缸油增量，用計數器計數注油器的電磁閥動作次數，計數結束通過斷油盤切斷流向量杯的氣缸油。從而可以計算得到注油器單次注油量的平均值，測量的關鍵是保證流向量杯的油流為穩定的氣缸油流量，以保證測量精度。

圖5 注油量的測量Fig.5 Schematic diagram of oil injection measurement

2.2 注油器注油量測量試驗

在電控注油器注油量測量試驗臺用壓電式壓力傳感器、電荷放大器和數據采集卡測量注油器的注油壓力，壓力傳感器安裝在注油器止回閥后端，如圖6所示，表2是注油器試驗工況設置。傳感器選用Kistler公司4011A型壓電式壓力傳感器，其測量誤差小于等于±0.25 MPa，響應頻率為4 kHz，可準確測量注油壓力的變化。試驗選用長城船用4050氣缸油，氣缸油溫度設置40±5 ℃，與模擬的邊界條件基本保持一致。

表2 注油器試驗工況設置Table 2 Lubricator test condition setting

圖6 注油器注油壓力測量設備Fig.6 Lubricator injection pressure measuring equipment

電控注油器用原廠的注油器，產品經過檢驗合格。由于是為了研究驗證“恒壓等容”方法的可行性和評價此方法的精度，試驗時只測量1#注油嘴的注油量，其他的注油嘴注出的油回油箱。測量的結果為注油器動作500次1#注油嘴累計的注油量，計算得到單次注油量的平均值。為了使測試的結果就具有可信性，對上次測量進行3次重復測量，3次測量穩定才取為1#注油嘴的單次循環注油量。

3 模型驗證與測量結果討論

3.1 模型驗證

通過背壓閥設定不同的背壓，注油器動作頻率設置為2 Hz，計算與試驗的結果對比如圖7(a)、(b)所示。發現注油壓力變化趨勢相一致，背壓1.5 MPa時注油壓力峰值計算值為2.28 MPa，試驗值為2.24 MPa誤差為1.8%，但計算的注油壓力最小值為2.00 MPa，但實際測量值下降至1.60 MPa左右，這是因為實際測量時的注油器管路接頭處有微量滲油，使其壓力有所下降。背壓為2.00 MPa的注油壓力計算值與試驗值如圖7(b)，實際測量的注油壓力峰值為2.75 MPa，計算值為2.85 MPa，誤差為3.5%。由于只有微量滲漏，其對注油量的影響較小，圖7(c)是不同背壓的單次循環的注油量比較，在背壓為1.50 MPa時，單次循環的注油量試驗值為0.110 6 g·cyc-1，計算值為0.111 g·cyc-1，誤差為0.36%，可認為模型能夠真實反映注油器注油的工作過程。

圖7 不同背壓注油壓力與單次循環注油量的仿真值與試驗值對比Fig.7 Comparison of simulation and experiment value of different back pressure injection pressure and single cycle injection amount

3.2 背壓罐容積對注油量測量的影響

為了分析不同背壓罐容積對注油量測量的影響，分別設置背壓罐容積為150、300、500、1 000以及2 000 mL，設定背壓閥啟閥壓力為1.50 MPa，進行計算分析。

其結果如圖8所示，由圖可以看出，隨著背壓罐容積的增大，其背壓罐壓力所建立的時間增長，需要注油器動作的次數亦越多。隨著背壓罐容積的增大，單次循環注油量先突降，然后變為一個相對恒定的值。背壓罐容積為150 mL時，注油器單次循環注油量為0.216 g·cyc-1，其遠大于本文2.1節得到理論值0.12 g·cyc-1，在300、500、1 000以及2 000 mL，則基本均為0.1 106 g·cyc-1，均在本文1.2節提到的注油量合格范圍內。為了研究背壓罐150 mL時的注油量發生突變現象，對比分析了150 mL以及300 mL情況下，背壓罐內的壓力變化和背壓閥閥后流量變化，如圖9所示。首先，背壓罐容積為300 mL時，壓力和流量變化曲線呈周期變化且周期與注油器動作頻率相等，背壓罐容積為150 mL時，則出現壓力和流量無周期變化。其次，圖中顯示在10 s時刻，其罐壓力出現峰值接近2.50 MPa，高于背壓罐容積為300 mL時的2.00 MPa，這說明容積過小，使得背壓罐的壓力峰值過大，導致背壓閥沖擊過大，瞬間出現較大的注油量流量，但這其實不是真實反映注油器動作注的油量，而是慣性作用影響，背壓罐內氣缸油因慣性作用流出的結果。背壓罐內氣缸油大量流出使得背壓罐的壓力下降快，低至1.00 MPa，使得下次注油器動作需先補充油量剛剛使背壓罐內的壓力超過背壓閥啟閥壓力，而出現了下個循環周期流量較小的情況，說明過小的背壓罐容積使得背壓閥的開關動作與注油器電磁閥動作不一致，其原因是過小的背壓罐容積使得注油的脈沖速度能沖擊后面背壓閥，使得背壓閥出現了震蕩開關的現象，導致注油量不能反映真實注油規律，當背壓罐容積增大至300 mL以上值時，背壓閥閥后流量、背壓罐壓力都出現周期性變化，且周期與注油器電磁閥動作周期相同，說明背壓罐容積為300 mL以上值時，此時注油的脈沖速度能已轉化為壓力能，且注油的頻率與背壓閥的動作能夠匹配。

圖8 不同背壓罐容積對注油量測量的影響Fig.8 Effect of different back pressure tank volume on the measurement of oil injection

圖9 不同背壓罐容積背壓閥后流量Fig.9 Back pressure valve flow of different back pressure tank volume

3.3 背壓閥彈簧固有頻率對注油量測量的影響

“恒壓等容”法的測試方法，其關鍵點是背壓閥的動作頻率能匹配注油器的動作頻率。設置注油器動作頻率為2 Hz，如圖10所示，發現背壓閥彈簧固有頻率為4 Hz時，其背壓閥后的流量無周期性，背壓閥彈簧固有頻率為10、20 Hz時均有周期性，且其周期2 Hz，與注油器的動作頻率相同。從表3可知，背壓閥彈簧固有頻率為4 Hz時，單次循環注油量達到了0.250 1 g·cyc-1，遠超過了計算值，其原因是注油頻率非常接近背壓閥彈簧的固有頻率，使得背壓閥動作發生共振，閥的開度增大，流量突然增大，但后續受迫振動會使其發生衰減，流量又逐漸減少。背壓閥彈簧固有頻率超過10 Hz時，流量出現周期性變化，說明應選擇背壓閥的固有頻率應大于等于注油器兩位三通電磁閥動作頻率的5倍比較合適。背壓閥的固有頻率越大，彈簧剛度越大，瞬態的氣缸油流量增加，而持續時間變短，導致整體流量不變。

圖10 不同背壓閥彈簧固有頻率對注油量的影響Fig.10 Effect of natural frequency of different back pressure valve spring on filling amount

表3 背壓閥彈簧固有頻率的單次循環注油量

4 結論

1)測量注油器注油量用“恒壓等容”的方法是可行的。

2)選擇的背壓閥彈簧固有頻率應該大于等于注油器兩位三通電磁閥動作頻率的5倍，可使背壓閥動作的頻率匹配注油器兩位三通電磁閥動作頻率，測量誤差也越小。

3)背壓罐的容積選擇300 mL較為合適，過小容易出現背壓閥的動作震蕩，測量誤差增大；過大則會增加測量的時間，降低測量效率。