船舶柴油機新型電控式氣缸潤滑系統驅動扭矩試驗研究

高 炳，馮 楊，曲衛東，顏 林

（1. 廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；3. 玉柴船舶動力股份有限公司，廣東 珠海 519175；4. 中國船級社 廣州分社產品檢驗處，廣東 廣州 510235）

船舶柴油機新型電控式氣缸潤滑系統驅動扭矩試驗研究

高 炳1，馮 楊2，曲衛東3，顏 林4

（1. 廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；3. 玉柴船舶動力股份有限公司，廣東 珠海 519175；4. 中國船級社 廣州分社產品檢驗處，廣東 廣州 510235）

由于在船舶柴油機一種新型電控式氣缸潤滑系統研發的過程中，系統中的步進電機出現了堵轉、失步或無法帶動氣缸潤滑油注油泵等問題，因此為探索研究驅動注油泵需要的力矩大小，設計并實施了氣缸潤滑系統的驅動扭矩試驗。試驗研究分別討論了驅動轉速、油溫、背壓、注油單元個數、循環噴油量等因素與驅動扭矩之間的影響關系，為國產新型電子控制式氣缸潤滑系統中的注油泵和步進電機的選配及推廣應用提供數據參考。

驅動扭矩；電控式氣缸潤滑注油系統；試驗研究

0 引 言

船舶柴油機（主機）作為船舶的“心臟”，其正常、安全、可靠地工作對整船的安全運行十分重要。而在可能影響柴油機正常工作的眾多因素中，由于氣缸工作壓力大、溫度高、條件惡劣，其潤滑困難，導致氣缸潤滑問題尤其引人關注。對于船用低速二沖程十字頭式柴油機（主機），機架上布置有橫隔板與活塞桿填料函，氣缸與曲柄箱被分隔開來，如此結構特征要求船用二沖程十字頭式柴油機必須選用氣缸油注油系統進行強制氣缸潤滑。

傳統的機械式注油器，是通過鏈輪傳動的方式，帶動機械注油器的凸輪軸，它的泵油頻率與主機轉速同步。因此，機械注油器不能根據船舶柴油機運行工況的變化實現精確定時定量注油。電子控制式氣缸潤滑技術最先是 2001年在德國漢堡舉行的第 23 屆國際內燃機大會上展示出現的，引起了船舶柴油機制造商、研究機構、航運企業等各方關注。電控式氣缸潤滑注油系統（電控注油器）能根據工況的變化實現精確定時定量注油，從而能降低氣缸潤滑油的消耗量，進而可提高船舶的可靠性和經濟性［1–5］。

基于研發電控氣缸潤滑系統的課題，研發項目組作了大量的計算論證和試驗研究工作。設計的電控氣缸潤滑系統的注油泵是由步進電機帶動，在前期的試驗中，出現了一些問題，比如，步進電機堵轉、失步或無法帶動注油泵等［6-10］。因此，設計了注油器的驅動扭矩試驗臺架，并進行臺架試驗，以探索分析驅動注油泵正常運轉所需要的力矩大小，并討論驅動轉速、油溫、背壓、注油單元個數、循環噴油量等注油系統關鍵參數與驅動扭矩之間的關系，為研發的電子控制式氣缸潤滑注油系統中的注油泵與步進電機之間的選配提供試驗支持，同時為日后國產新型電控式氣缸潤滑系統的推廣應用給予數據參考。

1 驅動扭矩試驗臺架搭建及其設計思路

設計的電控式氣缸潤滑系統扭矩測量試驗臺架如圖 1 所示。油源（油柜或油箱）供給溫度合適的氣缸滑油，進過氣缸油管路輸送至氣缸注油泵。注油泵由選定匹配的步進電機來驅動。分析注油泵在工作時候的受力情況，供油凸輪主要受到注油泵柱塞彈簧力、注油泵油腔壓力、運動從動件產生的慣性力及從動件與凸輪接觸處產生的摩擦力等諸力的作用。當研發的電子控制式注油系統工作時，是由步進電機輸出傳送給注油泵凸輪軸的力矩來克服上述諸力所產生的力矩，維持注油系統的穩定運轉。在步進電機與注油泵之間裝置一旋轉中間軸。扭矩傳感器安裝在旋轉中間軸上，以便測量驅動注油泵的力矩大小。

圖 1 設計的電控式氣缸潤滑系統扭矩測量試驗臺架Fig. 1 electronically controlled cylinder lubrication system torque measurement test bench

扭矩測量試驗臺架選擇型號為 TT9000 的遙感扭矩測量儀實時測量傳動軸上的扭矩大小，此遙感扭矩儀構架的組成有發射器和接收機兩部分。扭矩測量的機理是：圖 2 為 TT9000 遙感扭矩儀外觀與工作機理示意圖，發射器以及由應變片組成的四橋臂惠斯通電橋一起固定安置在傳動軸上，當步進電機傳出的扭矩傳送至旋轉中間軸時，旋轉中間軸上就會產生應變，進而會引起粘貼裝置在軸上的應變計的電阻出現變動，這樣會致使應變電橋失去平衡，測量儀就輸出與扭矩大小對應成線性關系的電壓信號。然后，發射器把應變電橋所輸出的電壓信號通過前置處理，再以無線電的方式傳送給接收機，接收機再次把信號進行調理后，對應輸出與扭矩大小成線性關系的電壓信號。得到實測電壓數據后，通過標定換算出扭矩數據。

圖 2 TT9000 遙感扭矩儀外觀與工作機理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of TT9000 remote sensing torque instrument mechanism

2 扭矩儀的標定

驅動扭矩試驗前需對扭矩儀進行標定，以便準確測量換算出臺架試驗的驅動扭矩大小。

扭矩儀靜態標定之前，需對應變片橋路性能進行檢測驗證。其檢驗方法如下：將應變片先安裝好，然后把其連接到電阻式靜態應變儀上。加扭之后依次讀取應變值，通過應變值數據的線性度來判斷四橋臂惠斯通電橋橋路的性能。本文所進行的標定試驗，對應變片橋路性能的檢驗結果顯示：扭矩的大小與應變的大小成線性關系。因此，判定應變片的粘貼、橋路的連接都正常可靠，認定可以用此設計的扭矩儀進行靜態標定和扭矩測量臺架試驗。

圖 3 為扭矩儀的標定試驗機理示意圖。本文所展開的扭矩儀標定試驗在 WUT 扭轉臺架實驗室進行。標定的實心旋轉中間軸尺寸為：直徑 30 mm，長 200 mm；扭轉試驗機型號為 6609CHG；TT9000 扭矩遙測系統設置為增益 4 檔，2 000 增益。按照注油系統先期研發試驗掌握的數據，先按規律逐漸加載，一直加到 100 N·m之后，再按規律逐漸減載。標定試驗結果曲線如圖 4所示。

圖 3 扭矩儀的標定試驗機理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the experimental mechanism calibration torque meter

圖 4 扭矩儀標定結果曲線Fig. 4 Results of calibration curve torque meter

從圖 4 標定結果曲線可推出，試驗中采集的扭矩數據與電壓數據成較好的線性關系。對標定試驗數據進行整理擬合，可得出此扭矩儀關于臺架試驗旋轉中間軸的扭矩 Y（N·m）與輸出電壓 X（V）標定曲線的擬合關系式：Y=38.456X–0.252 1。并通過回歸分析，計算出相關系數 R=0.999 98，顯著性水平 α＜0.01，也就是說標定結果回歸方程的可信度為 99%，相關性非常顯著。

通過靜態標定試驗及其結果分析，驗證了扭矩傳感器輸出較穩定可靠，在測量的范圍內靈敏度較高，線性誤差和彈性滯后比較小，滿足精度要求。因此可利用得到的標定關系式，后續進行臺架試驗時，數據采集單元得到輸出的電壓信號后，便可得出與扭矩大小成線性關系的相應扭矩值，為測量扭矩提供了一種準確可靠的方法。

3 扭矩試驗研究

圖 5 為試驗室搭建的扭矩測量試驗臺架。

扭矩測量試驗臺架系統的設定參照標準運行條件如下：步進電機正常驅動轉速為 300 r/min，氣缸油溫度為 40 ℃，背壓為 10 bar，注油單元個數為 6 個，注油泵油門齒條設置為極大位置。系統在如上設定參照標準條件下正常運行時，測得驅動扭矩最大值為17.8 N·m。

在一樣的參照標準測量條件下，對電子控制式氣缸注油系統驅動扭矩進行多次測量，從測量得到的數據結果的重復性和穩定性來驗證臺架試驗的可靠性。圖 6 是在相同的參照設定標準條件下，3個不同時間段A，B，C 內采集到的驅動扭矩數據曲線。經試驗分析，在不同時間段內，測量數據結果的最大誤差為1.7%。在重復性條件下，按照貝塞爾公式計算分析，測量值實驗標準差經計算具有足夠的可靠性。經觀察，扭矩測量曲線基本一致、有較好的重復性和穩定性，推斷扭矩儀測量可靠穩定，可以用于試驗研究工作。

圖 6 扭矩測量試驗驅動扭矩數據曲線Fig. 6 torque measurement test drive torque curve

下面將對照扭矩測量臺架試驗的設定參照工況條件，改變電控式注油系統中某個關鍵參數，比如運行參數或者結構參數，而維持其他各項系統參數不調整，以探索研究驅動轉速、油溫、背壓、注油單元個數、循環噴油量等因素對驅動扭矩的影響。

3.1 驅動轉速對驅動扭矩的影響

保持參照設計工況條件其他參數不改變，僅僅調整步進電機的設定驅動轉速，進行注油系統的扭矩測量臺架試驗，以分析討論注油系統中步進電機的設定驅動轉速與驅動扭矩之間的影響關系。

在試驗室開展的臺架試驗，通過改寫驅動程序，控制步進電機驅動轉速由 300 r/min 逐漸增大為 350 r/min，從而分析研究不同的設定驅動轉速與整個注油系統臺架試驗的性能及其所需驅動扭矩之間的影響關系。從臺架試驗觀察中總結可知：當步進電機的驅動轉速增至 310 r/min 時，開始出現失步或堵轉的現象。在 310 r/min這一臨界驅動轉速下運轉時，測算到對應的驅動扭矩峰值為 20.0 N·m。當設定驅動轉速繼續增大，超過 310 r/min時，觀察到步進電機出現了不同程度的失步或堵轉。而且設定驅動轉速調整到越大，失步、堵轉發生的幾率越大，失步、堵轉越嚴重。

圖 7 步進電機的設定驅動轉速對驅動扭矩的影響Fig. 7 stepper motor driving effect of rotational speed on driving torque

不同設定驅動轉速下的驅動扭矩測試數據如圖 7所示。觀察試驗所得數據表明：在步進電機還沒有出現失步或堵轉時，也就是驅動轉速低于臨界值 310 r/min 時，隨著驅動轉速的加大，驅動扭矩也上升。在步進電機的設定驅動轉速超過 310 r/min，也就是其失步或堵轉的臨界轉速時，隨著驅動轉速的調整增大，驅動扭矩反而降低。

對這個試驗結果從步進電機的工作原理入手，進行分析研究。步進電機有一個很重要的技術參數，即為空載啟動頻率 f0。f0是步進電機在空載的工況下，正常啟動所對應的脈沖頻率。在正常運行工況下，假如脈沖頻率（或速度）超過了 f0，電機就無法正常驅動。在帶有負載的工況下，驅動頻率必須更小，否則電機就更加無法正常驅動。步進電機在帶有一定的負載時能夠正常驅動的脈沖頻率或速度是有限制的。步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。本文試驗中的不正常情況就是驅動速度超出該極限值，步進電機無法正常驅動，出現丟步、失步或堵轉。

步進電機在運轉時，各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；脈沖頻率或速度越高，形成的反向電動勢就越大。在反向電動勢的作用下，電機的相電流隨頻率（或速度）的增大而減小，從而導致力矩降低。經分析推理，這就是本文試驗中設定驅動轉速超過臨界轉速 310 r/min 時，隨著驅動轉速的調整加大，實測驅動扭矩減低的原因。所以，在電控式氣缸注油系統的控制中，如指望步進電機相對較高轉速的工況下運轉還能發出較大的力矩時，注油系統步進電機的選配就應作適當的調整：比如可選擇力矩特性曲線相對較平坦的電機，或選配相對應扭矩較大的電機。

3.2 油溫對驅動扭矩的影響

保持參照設計工況條件其他參數不改變，僅調整氣缸潤滑油的溫度，進行注油系統的扭矩測量臺架試驗，從而探討油溫對驅動扭矩的影響。在試驗室開展臺架試驗時環境溫度較低，未加熱的冷氣缸油原始溫度在 10 ℃左右，使用輔助電加熱的手段來控制油溫，逐漸加熱最高至 70 ℃，以探討不同油溫對臺架試驗性能和驅動扭矩的影響。觀察臺架試驗過程，結果顯示：氣缸油溫度低于 35 ℃時，步進電機不同程度地出現了失步、丟步或堵轉等不正常現象，且溫度調整得越低，失步、堵轉越嚴重。可推知，本注油系統試驗臺架中的步進電機堵轉或失步的臨界氣缸油溫度為 35℃，采集得到對應的驅動扭矩極值為 19.8 N·m。

不同油溫下的驅動扭矩測試數據如圖 8 所示。試驗數據顯示：油溫越高，驅動扭矩越小。根據氣缸油的流體力學特性，在所使用到的溫度范圍內，溫度越高，氣缸油的運動粘度越低。運動粘度是流體的動力粘度與同溫度下該流體的密度的比值，其是流體在重力作用下表征流動阻力的參數。所以，隨著氣缸油的溫度的調整升高，流動阻力降低，注油器系統中的注油泵所需的驅動扭矩也就減小。

圖 8 油溫對驅動扭矩的影響Fig. 8 Effect of temperature on the drive torque

3.3 背壓對驅動扭矩的影響

保持參照設計工況條件其他參數不改變，僅調整背壓大小，進行注油系統的扭矩測量臺架試驗，從而探討背壓與驅動扭矩之間的影響關系。

試驗數據說明：背壓越大，驅動扭矩越大，如圖 9所示。

圖 9 背壓對驅動扭矩的影響Fig. 9 Effect of pressure on the drive torque

3.4 注油單元個數與驅動扭矩之間的影響關系

臺架試驗針對某輪船 MAN B & W6L60MC 型號柴油機配套設計，每個氣缸計劃配套裝置一個注油泵，而每個注油泵可選擇多個注油單元，本文所進行的研究參照標準設計有 6 個注油單元。為探索分析注油泵的注油單元個數與驅動扭矩之間的影響關系，進而分別開展了保留 6 個、5 個、4 個注油單元的扭矩測量試驗。采取的方案是：保持參照設計工況條件其他參數不改變，僅僅調整注油單元個數，即分別撤卸 0 個、1 個、2 個注油單元，進行注油系統的扭矩測量臺架試驗，來討論注油單元個數與驅動扭矩之間的影響關系。

注油單元個數為 4，5，6 三種情況下的驅動扭矩測試結果數據如表 1 所示。

表 1 注油單元個數為 4，5，6 三種情況下的驅動扭矩極大值Tab. 1 The number of injection unit for driving torque of 4，5，6 and three cases of great value

注油單元個數為 4，5，6 時，對應的驅動扭矩逐漸增大，后者較前者分別升高 0.4 N·m（2.4%）和0.6 N·m（3.5%）。臺架試驗數據證實：隨著注油單元個數的調整增多，系統中注油泵所需的驅動扭矩增加。電控注油系統實際應用到船上時所需的驅動扭矩大小需根據實際使用的注油嘴個數、注油量等運行工況而定。

3.5 循環噴油量與驅動扭矩之間的影響關系

根據注油泵的工作機理，移動注油泵齒條位置，就會變動柱塞斜槽與柱塞套上回油孔的相對位置，也就調整了柱塞的有效供油行程，進而改變了循環噴油量的大小。保持參照設計工況條件其他參數不改變，僅僅調整電控注油系統中注油泵循環噴油量，實際是通過可操作穩定可靠的調整注油泵的齒條位置來實施，進行注油系統的扭矩測量臺架試驗，探討注油泵循環噴油量與驅動扭矩之間的影響關系。

循環噴油量調整變動時實測驅動扭矩數據如圖 10所示。

圖 10 循環噴油量與驅動扭矩之間的影響關系Fig. 10 effect between cycle injection quantity and driving torque relationship

試驗數據表明：循環噴油量越大，驅動扭矩越高。臺架試驗針對某輪船 MAN B&W6L60MC型號柴油機配套設計，配套的齒條固定在有代表性的極大和一個較小尺度2個位置時，對應每個噴嘴每次的循環噴油量為 212 mm3和 15 mm3，驅動扭矩分別為 17.8 N·m和11.8 N·m，后者較前者小 6.0 N·m（33.7%）。這也只能定性的推斷分析出：船舶柴油機所需氣缸注油量越大，采用的電控式注油系統中的注油泵所需驅動扭矩越大。而電控注油系統應用到船上時所需的驅動扭矩大小需根據實際氣缸油的定量定時等控制條件而定，必要的時候還需多次實驗驗證。

4 結 語

設計并實施了船舶柴油機新型電控式氣缸潤滑注油系統的驅動扭矩試驗，探索研究了注油系統驅動注油泵正常運轉所需的力矩大小，并討論了驅動轉速、油溫、背壓、注油單元個數、循環噴油量等因素對驅動扭矩的影響：

1）在步進電機出現失步或堵轉之前，隨著驅動轉速的調整上升，驅動扭矩也逐漸加大。電控注油系統扭矩測量試驗探得，步進電機失步、丟步或堵轉的臨界驅動轉速為 310 r/min，測得對應的驅動扭矩峰值為20.0 N·m。在步進電機的設定驅動轉速超過 310 r/min，也就是其失步或堵轉的臨界轉速時，隨著驅動轉速的調整增大，驅動扭矩反而降低。在電控式氣缸注油系統的控制中，如期望步進電機相對較高轉速的工況下運轉還能發出較大的力矩時，注油系統步進電機的選配就應作適當的調整：比如可選擇力矩特性曲線相對較平坦的電機，或選配相對應扭矩較大的電機。

2）油溫越高，電控注油系統驅動扭矩越小。步進電機失步、丟步或堵轉的臨界氣缸油溫度為 35 ℃，對應的驅動扭矩極大值為 19.8 N·m。氣缸潤滑油溫度低于 35 ℃時，步進電機出現不同程度的失步、丟步或堵轉等不正常遠轉現象，而且溫度越低，失步、丟步或堵轉等不正常情況發生的幾率越大。

3）背壓越大，驅動扭矩越大。

4）隨著注油單元個數的調整增多，電控氣缸潤滑系統注油泵所需的驅動扭矩升高。

5）新型電控式氣缸潤滑系統每個噴嘴每次循環噴油量越多，系統中注油泵驅動扭矩相應要加大。

本文試驗研究的這些數據以及根據試驗推出的結論，可為研發電子控制式氣缸潤滑系統中的注油泵與步進電機之間的選配提供試驗支持，并為日后國產新型電控式氣缸潤滑系統的推廣應用給予數據參考。

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Experimental research on driving torque of the electronically controlled cylinder lubricator

GAO Bing1， FENG Yang2， QU Wei-dong3， YAN Lin4
（1. Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou 510800， China；2. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640， China；3. Yuchai Marine Power Co.，Ltd， Zhuhai 519175， China；4. CCS Guangzhou Branch Products Survey Department， Guangzhou 510235， China）

As the stepper motor in the process of research and development in marine diesel engine of a new electronically controlled cylinder lubricating oiling system， the stepping motor of the system appears some problemssuch as locked-rotor， out of step or cannot drive the pump . Therefore to explore the torque size for driven the injection pump required， designed and implemented the cylinder lubricator system driving torque test.Experimental study discussed the relationship between the drive torque with the drive speed， oil temperature， back pressure， injection unit number， loop fuel injection quantity etc. That's for the pump and the stepper motor matching of cylinder lubricator system and provide reference data.

driving torque；electronically controlled cylinder lubricator；experimental research

U664.121.1

A

1672 – 7619（2016）04 – 0081 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.017

2013 – 05 – 20；

2015 – 06 – 16

廣東省交通運輸廳科技項目（科技-2014-02-31）

高炳（1983 – ），男，碩士，講師，研究方向為輪機工程技術、船舶動力裝置性能優化。