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機(jī)油冷卻器流量特性的測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果
發(fā)布時(shí)間:2022-05-15 21:34:11  ▏閱讀:

 

技術(shù)與安全知識(shí)

柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)油冷卻器流量特性的試驗(yàn)與仿真

 

摘要: 機(jī)油溫度是影響柴油發(fā)電機(jī)潤(rùn)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(guò)高會(huì)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(rùn)滑,當(dāng)油底殼機(jī)油溫度超過(guò)95℃時(shí),就應(yīng)該在潤(rùn)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??得魉构驹诒疚睦肂P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)法驗(yàn)證了所建模型的正確性。

 

一、試驗(yàn)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(xiàng)指標(biāo)。人們對(duì)機(jī)油冷卻器主要側(cè)重于其傳熱性能的研究,而很少對(duì)其流阻特性進(jìn)行全面研究。通過(guò)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(rùn)滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù)。對(duì)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(duì)潤(rùn)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(jì)的原理對(duì)試驗(yàn)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(duì)某一特定工況或某些局部工況來(lái)分析和評(píng)價(jià)其工作特性的。機(jī)油冷卻器在工作時(shí),有關(guān)因素如溫度、壓力等對(duì)其流量特性的影響大多是非線性的,因此采用上述方法對(duì)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(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)裝置

      試驗(yàn)對(duì)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(yàn),時(shí)間3min,不得滲漏,芯片不得拱起。

(2)限壓閥開(kāi)啟壓力為0.3MPa。

      油箱內(nèi)的機(jī)油經(jīng)過(guò)加熱器加熱,由機(jī)油泵泵出,流經(jīng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)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(cè)機(jī)油壓力的壓力表。此外,該試驗(yàn)系統(tǒng)中還裝有用于監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及系統(tǒng)控制臺(tái)和其他輔助設(shè)備。圖2為機(jī)油冷卻器流量特性測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片。

 

機(jī)油冷卻器結(jié)構(gòu)-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖1  機(jī)油冷卻器結(jié)構(gòu)圖

機(jī)油冷卻器流量特性測(cè)試裝置示意圖.png

圖2  機(jī)油冷卻器流量特性測(cè)試裝置示意圖

 

2、試驗(yàn)因素及水平的選擇

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

表1    試驗(yàn)研究因素和水平

水平

因素

機(jī)油溫度/℃

機(jī)油壓降/MPa

1

40

0.08

2

45

0.16

3

50

0.24

4

55

0.32

5

60

0.40

6

65

0.48

7

75

0.56

8

85

0.64

9

105

0.72

10

 

0.80

1 1

 

0.88

12

 

0.96

 

3、試驗(yàn)步驟

      所測(cè)冷卻器前后安裝有兩個(gè)限壓閥門,如圖3所示。當(dāng)限壓閥門完全開(kāi)啟后,機(jī)油通過(guò)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(yàn)中將限壓閥處的出油口堵死,重點(diǎn)考察限壓閥沒(méi)有開(kāi)啟時(shí)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(cè)試系統(tǒng)組裝和調(diào)試后,根據(jù)試驗(yàn)方案按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn):

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

(2)啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵,使機(jī)油循環(huán)流動(dòng)起來(lái),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(yàn)規(guī)定溫度,則返回到步驟(1);若超過(guò)試驗(yàn)規(guī)定溫度,則需要等待機(jī)油冷卻,直至達(dá)到試驗(yàn)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(kāi)第二限壓閥門,記錄壓力表和流量計(jì)讀數(shù)。如圖4所示。

(5)重復(fù)步驟(4),測(cè)試各個(gè)預(yù)定進(jìn)油壓力下的流量,記錄每次壓力表和流量計(jì)讀數(shù)。

(6)重復(fù)步驟(1)~(5),測(cè)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(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)控。由于受各種外在因素的影響,所記錄的試驗(yàn)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。

 

柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油壓力表安裝.png

圖3  柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油壓力表安裝

柴油機(jī)機(jī)油冷卻器壓力讀取.png

圖4  柴油機(jī)機(jī)油冷卻器壓力讀取

 

4、試驗(yàn)結(jié)果與分析

      通過(guò)機(jī)油冷卻器工作過(guò)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(guò)對(duì)試驗(yàn)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(shí)各壓降下的流量數(shù)據(jù),結(jié)合原試驗(yàn)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(shí)存在明顯的非線性關(guān)系。同時(shí)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。

 

機(jī)油冷卻器工作過(guò)程示意圖.png

圖5  機(jī)油冷卻器工作過(guò)程示意圖 

機(jī)油冷卻器流量特性測(cè)試結(jié)果-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖6  機(jī)油冷卻器流量特性測(cè)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(dòng)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(guò)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(diǎn)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(lái)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(shí)際輸出的誤差最小。一個(gè)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(gè)特性,即致密性、遍歷性和相容性。本研究采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(jì)

      實(shí)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(shí),兩層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的映射。對(duì)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(duì)于一個(gè)給定的問(wèn)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(guò)試算比較,本研究最終選定使用Levenberg 2 Marquardt算法來(lái)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(shí)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(rùn)滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法分析過(guò)程中的建模效率。

 

總結(jié):

      綜上所述,結(jié)合試驗(yàn),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(shí)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(guò)5%。


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