技術(shù)與安全知識

柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)油冷卻器流量特性的試驗與仿真

 

摘要： 機(jī)油溫度是影響柴油發(fā)電機(jī)潤滑系統(tǒng)工作可靠性的最主要因素之一。當(dāng)機(jī)油溫度過高會引起機(jī)油黏度降低顯著，機(jī)油穩(wěn)定性降低，氧化變質(zhì)加劇，機(jī)油壓力偏低等現(xiàn)象，從而易導(dǎo)致燒軸瓦、燒曲軸、缸套拉傷等故障發(fā)生。因此，為控制柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油溫度，保證各部件得到有效而可靠的潤滑，當(dāng)油底殼機(jī)油溫度超過95℃時，就應(yīng)該在潤滑系統(tǒng)中安裝機(jī)油冷卻器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在柴油發(fā)電機(jī)組等各研究領(lǐng)域 ，并取得了良好的效果。康明斯公司在本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能并結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)建立了描述機(jī)油冷卻器流量特性的仿真模型 ，并通過試驗法驗證了所建模型的正確性。

 

一、試驗研究

 

      機(jī)油冷卻器的作用就是降低機(jī)油的溫度，使其保持在合適范圍內(nèi)，從而大幅度提高柴油發(fā)電機(jī)的性能和壽命。機(jī)油冷卻器的性能主要取決于其傳熱和流阻兩項指標(biāo)。人們對機(jī)油冷卻器主要側(cè)重于其傳熱性能的研究，而很少對其流阻特性進(jìn)行全面研究。通過分析流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與壓降的關(guān)系，本研究詳細(xì)考察了不同油溫下機(jī)油冷卻器的流阻特性，為柴油發(fā)電機(jī)潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計與分析提供依據(jù)。對于給定的機(jī)油冷卻器及機(jī)油，機(jī)油流量和溫度是影響壓降的主要因素。

      目前，人們對潤滑系統(tǒng)組成部件流量特性的建模研究主要采用線性回歸、逐步回歸等數(shù)理統(tǒng)計的原理對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到其近似方程表達(dá)式。這些方法大多是針對某一特定工況或某些局部工況來分析和評價其工作特性的。機(jī)油冷卻器在工作時，有關(guān)因素如溫度、壓力等對其流量特性的影響大多是非線性的，因此采用上述方法對機(jī)油冷卻器全工況下的流量特性建立統(tǒng)一的方程表達(dá)式將是十分復(fù)雜的。

1、試驗對象及試驗裝置

      試驗對象為某柴油機(jī)用機(jī)油冷卻器，其主要的一些性能參數(shù)如下：

（1）機(jī)油冷卻器芯子在1.2MPa油壓下作密封性試驗，時間3min，不得滲漏，芯片不得拱起。

（2）限壓閥開啟壓力為0.3MPa。

      油箱內(nèi)的機(jī)油經(jīng)過加熱器加熱，由機(jī)油泵泵出，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥、流量計后進(jìn)入機(jī)油冷卻器，再由冷卻器出口和連接管道回到油箱。在冷卻器機(jī)油進(jìn)出口均裝有用于檢測機(jī)油壓力的壓力表。此外，該試驗系統(tǒng)中還裝有用于監(jiān)測油箱內(nèi)機(jī)油溫度的溫度傳感器、用于回油的溢流閥、驅(qū)動機(jī)油泵的驅(qū)動電機(jī)及系統(tǒng)控制臺和其他輔助設(shè)備。圖2為機(jī)油冷卻器流量特性測試現(xiàn)場照片。

 

圖1  機(jī)油冷卻器結(jié)構(gòu)圖

圖2  機(jī)油冷卻器流量特性測試裝置示意圖

 

2、試驗因素及水平的選擇

      考慮到測試裝置的工作性能要求，本試驗選擇的因素水平見表1，主要測量了9種油溫下機(jī)油流經(jīng)冷卻器產(chǎn)生各種壓降時相應(yīng)的流量。其中，由于機(jī)油黏度低溫時隨油溫的變化比高溫時大得多，因此低溫段劃分較細(xì)。

表1    試驗研究因素和水平

 

3、試驗步驟

      所測冷卻器前后安裝有兩個限壓閥門，如圖3所示。當(dāng)限壓閥門完全開啟后，機(jī)油通過冷卻器出油口和限壓閥處出油口進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)主油道。本試驗中將限壓閥處的出油口堵死，重點考察限壓閥沒有開啟時不同機(jī)油溫度下流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與其所產(chǎn)生的壓降之間的關(guān)系。完成測試系統(tǒng)組裝和調(diào)試后，根據(jù)試驗方案按照以下步驟進(jìn)行試驗：

（1）打開電源開關(guān)，啟動加熱器，將油箱內(nèi)機(jī)油加熱至一定溫度。

（2）啟動電機(jī)驅(qū)動機(jī)油泵，使機(jī)油循環(huán)流動起來，直至油箱內(nèi)機(jī)油溫度均勻。

（3）若上一步驟中的均勻溫度未達(dá)到試驗規(guī)定溫度，則返回到步驟（1）；若超過試驗規(guī)定溫度，則需要等待機(jī)油冷卻，直至達(dá)到試驗規(guī)定機(jī)油溫度。

（4）關(guān)閉第一限壓閥門，使冷卻器進(jìn)油壓力達(dá)到預(yù)定值；再打開第二限壓閥門，記錄壓力表和流量計讀數(shù)。如圖4所示。

（5）重復(fù)步驟（4），測試各個預(yù)定進(jìn)油壓力下的流量，記錄每次壓力表和流量計讀數(shù)。

（6）重復(fù)步驟（1）~（5），測量不同機(jī)油溫度下流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與其所產(chǎn)生壓降之間的關(guān)系。

      機(jī)油溫度控制十分困難，實際試驗過程中需要及時進(jìn)行調(diào)控。由于受各種外在因素的影響，所記錄的試驗數(shù)據(jù)存在一定偏差。其中，壓力偏差為±0.01MPa，溫度偏差為±2℃，流量偏差為±0.1L/min。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油壓力表安裝

圖4  柴油機(jī)機(jī)油冷卻器壓力讀取

 

4、試驗結(jié)果與分析

      通過機(jī)油冷卻器工作過程示意圖（如圖5所示），可以更全面了解機(jī)油溫度、流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量及其所產(chǎn)生的壓降三者之間關(guān)系。通過對試驗數(shù)據(jù)的插值處理，分別得到了在機(jī)油溫度為70℃，80℃，90℃，95℃，100℃時各壓降下的流量數(shù)據(jù)，結(jié)合原試驗數(shù)據(jù)，整理得到反映機(jī)油溫度、流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量及其所產(chǎn)生的壓降三者之間關(guān)系的曲面圖，如圖6所示。

      由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在較低油溫和高壓降情況下，流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與其所產(chǎn)生的壓降之間有很好的線性關(guān)系，而在高溫、低壓降時存在明顯的非線性關(guān)系。同時還可以發(fā)現(xiàn)，流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線性度更好。

 

圖5  機(jī)油冷卻器工作過程示意圖

圖6  機(jī)油冷卻器流量特性測試結(jié)果

 

二、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模分析

 

1、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

      BP反向傳播網(wǎng)絡(luò)是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備非線性映射功能，可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近動態(tài)系統(tǒng)輸入和輸出之間任一非線性關(guān)系。這樣，經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可成為描述系統(tǒng)的模型。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的最大特點是，只需樣本數(shù)據(jù)而不需要建立具體的數(shù)學(xué)方程表達(dá)式，就能建立起輸入與輸出之間的非線性映射關(guān)系，用于函數(shù)逼近，理論上可達(dá)到任意精度。

2、模型的建立

（1）學(xué)習(xí)樣本的選擇

      學(xué)習(xí)樣本是用來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)的模擬輸出與實際輸出的誤差最小。一個性能良好網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)樣本的選擇應(yīng)具有3個特性，即致密性、遍歷性和相容性。本研究采用試驗實測數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本。

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

      實際應(yīng)用中，BP網(wǎng)絡(luò)主要有兩層和3層（不包括輸入層）兩種。研究表明，當(dāng)隱含層的神經(jīng)元足夠大時，兩層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)任意復(fù)雜的映射。對于給定的機(jī)油冷卻器及所使用的機(jī)油，機(jī)油流量和溫度是影響壓降大小的主要因素。本研究采用兩層結(jié)構(gòu)，將機(jī)油流量和溫度作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，所產(chǎn)生的壓降作為輸出。

（3）訓(xùn)練算法的選擇

      BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法有很多種，對于一個給定的問題，采用哪種訓(xùn)練方法使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度最快是很難預(yù)料的。通過試算比較，本研究最終選定使用Levenberg 2 Marquardt算法來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

3、仿真結(jié)果分析

（1）隨著流量的增加，機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器所產(chǎn)生的壓降也明顯增加。

（2）在較低油溫和高壓降情況下，流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與其所產(chǎn)生的壓降有很好的線性關(guān)系，而高溫、低壓降時存在明顯的非線性關(guān)系；流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線性度更好。

（3）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立機(jī)油冷卻器的流量特性模型是可行的，取得了很好的性能仿真效果，可以提高潤滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法分析過程中的建模效率。

 

總結(jié)：

      綜上所述，結(jié)合試驗，詳細(xì)考察了不同油溫下機(jī)油冷卻器的流量特性，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了描述機(jī)油冷卻器流量特性的仿真模型。研究結(jié)果表明：隨著流量的增加，機(jī)油流經(jīng)機(jī)油冷卻器所產(chǎn)生的壓降也明顯增加；在較低油溫和高壓降情況下，流經(jīng)機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量與其所產(chǎn)生的壓降均有很好的線性關(guān)系，而在高溫、低壓降時存在明顯的非線性關(guān)系；流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線性度更好。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的流量特性模型取得了很好的性能仿真效果，最大誤差不超過5%。

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