技術(shù)與安全知識

柴油發(fā)電機組機油冷卻器流量特性的試驗與仿真

 

摘要： 機油溫度是影響柴油發(fā)電機潤滑系統工作可靠性的最主要因素之一。當機油溫度過(guò)高會(huì )引起機油黏度降低顯著(zhù)，機油穩定性降低，氧化變質(zhì)加劇，機油壓力偏低等現象，從而易導致燒軸瓦、燒曲軸、缸套拉傷等故障發(fā)生。因此，為控制柴油發(fā)電機機油溫度，保證各部件得到有效而可靠的潤滑，當油底殼機油溫度超過(guò)95℃時(shí)，就應該在潤滑系統中安裝機油冷卻器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建模技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用在柴油發(fā)電機組等各研究領(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(xiàn)性映射功能并結合相關(guān)試驗數據建立了描述機油冷卻器流量特性的仿真模型 ，并通過(guò)試驗法驗證了所建模型的正確性。

 

一、試驗研究

 

      機油冷卻器的作用就是降低機油的溫度，使其保持在合適范圍內，從而大幅度提高柴油發(fā)電機的性能和壽命。機油冷卻器的性能主要取決于其傳熱和流阻兩項指標。人們對機油冷卻器主要側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(guò)分析流經(jīng)機油冷卻器的機油流量與壓降的關(guān)系，本研究詳細考察了不同油溫下機油冷卻器的流阻特性，為柴油發(fā)電機潤滑冷卻系統設計與分析提供依據。對于給定的機油冷卻器及機油，機油流量和溫度是影響壓降的主要因素。

      目前，人們對潤滑系統組成部件流量特性的建模研究主要采用線(xiàn)性回歸、逐步回歸等數理統計的原理對試驗數據進(jìn)行處理得到其近似方程表達式。這些方法大多是針對某一特定工況或某些局部工況來(lái)分析和評價(jià)其工作特性的。機油冷卻器在工作時(shí)，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(xiàn)性的，因此采用上述方法對機油冷卻器全工況下的流量特性建立統一的方程表達式將是十分復雜的。

1、試驗對象及試驗裝置

      試驗對象為某柴油機用機油冷卻器，其主要的一些性能參數如下：

（1）機油冷卻器芯子在1.2MPa油壓下作密封性試驗，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。

      油箱內的機油經(jīng)過(guò)加熱器加熱，由機油泵泵出，流經(jīng)調節閥、流量計后進(jìn)入機油冷卻器，再由冷卻器出口和連接管道回到油箱。在冷卻器機油進(jìn)出口均裝有用于檢測機油壓力的壓力表。此外，該試驗系統中還裝有用于監測油箱內機油溫度的溫度傳感器、用于回油的溢流閥、驅動(dòng)機油泵的驅動(dòng)電機及系統控制臺和其他輔助設備。圖2為機油冷卻器流量特性測試現場(chǎng)照片。

 

圖1  機油冷卻器結構圖

圖2  機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(jiàn)表1，主要測量了9種油溫下機油流經(jīng)冷卻器產(chǎn)生各種壓降時(shí)相應的流量。其中，由于機油黏度低溫時(shí)隨油溫的變化比高溫時(shí)大得多，因此低溫段劃分較細。

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(gè)限壓閥門(mén)，如圖3所示。當限壓閥門(mén)完全開(kāi)啟后，機油通過(guò)冷卻器出油口和限壓閥處出油口進(jìn)入柴油發(fā)電機主油道。本試驗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)不同機油溫度下流經(jīng)機油冷卻器的機油流量與其所產(chǎn)生的壓降之間的關(guān)系。完成測試系統組裝和調試后，根據試驗方案按照以下步驟進(jìn)行試驗：

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

（2）啟動(dòng)電機驅動(dòng)機油泵，使機油循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，直至油箱內機油溫度均勻。

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

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

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

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

      機油溫度控制十分困難，實(shí)際試驗過(guò)程中需要及時(shí)進(jìn)行調控。由于受各種外在因素的影響，所記錄的試驗數據存在一定偏差。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)電機機油壓力表安裝

圖4  柴油機機油冷卻器壓力讀取

 

4、試驗結果與分析

      通過(guò)機油冷卻器工作過(guò)程示意圖（如圖5所示），可以更全面了解機油溫度、流經(jīng)機油冷卻器的機油流量及其所產(chǎn)生的壓降三者之間關(guān)系。通過(guò)對試驗數據的插值處理，分別得到了在機油溫度為70℃，80℃，90℃，95℃，100℃時(shí)各壓降下的流量數據，結合原試驗數據，整理得到反映機油溫度、流經(jīng)機油冷卻器的機油流量及其所產(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，在較低油溫和高壓降情況下，流經(jīng)機油冷卻器的機油流量與其所產(chǎn)生的壓降之間有很好的線(xiàn)性關(guān)系，而在高溫、低壓降時(shí)存在明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。同時(shí)還可以發(fā)現，流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線(xiàn)性度更好。

 

圖5  機油冷卻器工作過(guò)程示意圖

圖6  機油冷卻器流量特性測試結果

 

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(xiàn)性映射功能，可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )逼近動(dòng)態(tài)系統輸入和輸出之間任一非線(xiàn)性關(guān)系。這樣，經(jīng)過(guò)訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可成為描述系統的模型。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建模的最大特點(diǎn)是，只需樣本數據而不需要建立具體的數學(xué)方程表達式，就能建立起輸入與輸出之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，用于函數逼近，理論上可達到任意精度。

2、模型的建立

（1）學(xué)習樣本的選擇

      學(xué)習樣本是用來(lái)訓練網(wǎng)絡(luò )、調整網(wǎng)絡(luò )的連接權值使網(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)習樣本的選擇應具有3個(gè)特性，即致密性、遍歷性和相容性。本研究采用試驗實(shí)測數據作為學(xué)習樣本。

（2）網(wǎng)絡(luò )結構的設計

      實(shí)際應用中，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，當隱含層的神經(jīng)元足夠大時(shí)，兩層結構的網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現任意復雜的映射。對于給定的機油冷卻器及所使用的機油，機油流量和溫度是影響壓降大小的主要因素。本研究采用兩層結構，將機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）訓練算法的選擇

      BP網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習算法有很多種，對于一個(gè)給定的問(wèn)題，采用哪種訓練方法使網(wǎng)絡(luò )訓練速度最快是很難預料的。通過(guò)試算比較，本研究最終選定使用Levenberg 2 Marquardt算法來(lái)訓練網(wǎng)絡(luò )。

3、仿真結果分析

（1）隨著(zhù)流量的增加，機油流經(jīng)機油冷卻器所產(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)機油冷卻器的機油流量與其所產(chǎn)生的壓降有很好的線(xiàn)性關(guān)系，而高溫、低壓降時(shí)存在明顯的非線(xiàn)性關(guān)系；流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線(xiàn)性度更好。

（3）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立機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，可以提高潤滑系統網(wǎng)絡(luò )法分析過(guò)程中的建模效率。

 

總結：

      綜上所述，結合試驗，詳細考察了不同油溫下機油冷卻器的流量特性，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立了描述機油冷卻器流量特性的仿真模型。研究結果表明：隨著(zhù)流量的增加，機油流經(jīng)機油冷卻器所產(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)機油冷卻器的機油流量與其所產(chǎn)生的壓降均有很好的線(xiàn)性關(guān)系，而在高溫、低壓降時(shí)存在明顯的非線(xiàn)性關(guān)系；流量—壓降關(guān)系比流量—溫度關(guān)系的線(xiàn)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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