农用动力机械性能检测系统的研制

郑凯仁，梁朝通，林叙彬，蒋姣丽，蔡庆进，宋瑜清，黄启锋

（广东省农业机械试验鉴定站，广州 510535）

0 引言

农用动力机械包括汽油机、柴油机、煤气机等，是农业机械的“心脏”，为大部分的拖拉机、收获机械、排灌机械、农副产品加工机械提供动力。动力性能的优劣直接影响到整机的性能，是农业生产活动能否高效、环保的重要保障。

在当今节能减排的大环境下，不仅仅对道路机动车排放标准日益严苛，对非道路移动机械的排放标准也日渐提高。据有关数据统计，我国非道路用柴油机每年新增约200万台左右，在全国每年超过1亿t的柴油消耗总量中，约有20%用于各类非道路移动机械。这些非道路移动机械是氮氧化物的重要排放源，每年约排放氮氧化物200万t以上[1]。由于非道路移动源的污染问题越来越严峻，因此有必要检测和控制非道路移动机械的污染物排放成分和含量，以减轻由该类产品使用量和保有量的持续增长而给环境带来的压力。

自2016年4月1日起，所有制造、进口和销售的整机机械都要装用符合国Ⅲ标准的非道路移动机械用柴油机[2]。根据国家标准GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段)》的规定：气体排放（主要是碳氢（HC）+氮氧化物（NOX）+颗粒（PM））的排放限值比第二阶段分别加严了21%和25%，而且国Ⅲ标准必须严格通过750 h的排放耐久考核。随着非道路移动机械车辆的排放标准的日益提高，发动机的测试技术应用要求也相应提高，这给农用动力机械性能的检测带来了新的挑战。

广东省农业机械试验鉴定站原有的农用动力机械性能检测系统的功率测试范围有局限性，检测能力达不到标准要求。为了适应形势发展，我们对原有的动力性能检测系统进行升级改造，改造后的农用动力机械性能检测系统的检测能力有了大幅度的提升，能满足现在及未来一段时间内的检测需求。该农用动力机械性能检测系统检测精度高、测量范围广，能够进行100 kW以下的农用机械动力台架试验检测。检测内容包括内燃机的多项性能指标和尾气排放物（HC、NOX、PM）的排放值，为判定农用机械动力性能的相关指标是否符合标准要求提供了重要的支持。

1 检测系统的构成及设计

农用动力机械性能检测系统主要由负载系统、基础平台、油耗检测系统和数据采集及处理系统组成，如图1所示。该系统通过直流电作为转换元件，实现电能与机械能相互转换，并以转矩形式为承载电机加载。通过轴连接器与被测动力同轴对接，转矩通过传感器将力的大小转换成电信号输出，用来模拟和控制被测电机的负载，以测量电机的转矩、转速、电流、电压、功率、效率等参数，以及其他特殊的动力试验测试项目，如安全性试验、动平衡试验和可靠性试验等。

图1 农用动力机械性能检测系统

1.1 基础平台的设计和安装

该系统的基础平台主要是指测功机和发动机的安装、传动轴及防护罩等工装。根据试验室的实际情况，按照3个发动机试验台架的设计，在试验间重新规划出3个台架的平板位置，在安装平板的地面，打钢筋砼基础，满足3块平板安装后与设计的试验间地面平齐。如图2所示，发动机和测功机的联接点需要承受一定的静载荷和动载荷，将发动机和测功机的联接点固定在同一块底板上，在安装前用精密水平仪来校正底板面的水平度，以保证测功机和发动机的安装足够稳定可靠。

图2 测功机安装图

传动轴是由联轴器、高弹联轴器、工业传动轴等组成，用于测功机与发动机之间的对接。采用可伸缩弹性联轴器与发动机联接，联轴器中段为整体式结构，具有轴向及径向偏差补偿能力。

安全防护罩用6 mm的钢板制造，防护罩的下半部分支架通过组合紧固在铁底板上面。防护罩包裹在传动轴外，避免人员和设备与旋转连接轴系统接触，防止轴断裂时部件飞溅而造成的危险。

1.2 油耗检测系统

该农用动力机械性能检测系统采用智能油耗仪测油耗，用于测量各种发动机的燃油消耗。其结构原理如图3所示。

图3 结构原理图

智能油耗仪通过控制一个常闭式二位二通电磁阀，能够很好地控制充油和放油过程。电磁阀在打开状态下，油箱在向油杯供油的同时也向发动机供油，而当油杯的油面到达所设定的上限的时候，电磁阀会自动关闭，同时油箱不再向发动机供油，由油杯直接向发动机供应燃油。当油杯中的油面降到系统预定的位置时，仪表就会开始测量。当测量结束的时候，仪表会自动显示在测量时间内油杯的容量变化，并且电磁阀会同时开启，进入下一个测量过程。

同时，在油耗仪进油端的油路上安装一个开关阀门和燃油滤清器，在油耗仪溢油或系统故障等情况下能自动切断油路，防止安全事故发生。

1.3 发动机尾气排放系统

3个试验台架共用一套尾气排放系统。该系统将发动机燃烧产生的废气，通过试验室内部管道和外部管道，在耐高温排烟风机抽吸作用下，经过排气消声器降噪，在尾气净化器对有害气体、碳排放颗粒进行处理后，最终排放到室外。在发动机试验台铸铁平板的一边，离地面300 mm处，预留管径DN125的碳钢排气管道和连接法兰盘，连接管道地下部分与主管道连接，采用隐蔽工程预埋，连接到室外。在室外采用DN125组合绝热管道，并且加装防雨帽，在试验室管路上配置耐高温排气背压调节阀。

2 硬件选择

发动机作为配套动力，在实际使用中不同工况的能耗有所不同，因此合理配型对于机器的性能以及油耗都是至关重要的[3]。为了更好地对农业用的配套动力进行技术参数、产品性能等质量评价，在选用农用动力检测系统的硬件时主要考虑测功机、变频控制器、扭矩传感器、尾气排放系统等仪器性能和精度问题。

采用了100 kW、30 kW和10 kW共3套测功机测试系统，测量范围为：功率0～100 kW，转速0～4 000 r/min，扭矩0～500 N·m，油耗0～500 g。准确度范围为：扭矩±0.2%（FS），油耗±0.4%（FS）。检测功率范围和精度范围都处于合理空间，极大地提高了试验的准确度和科学性。

变频控制器采用带有手动定转速、定电流的设定装置，并且具有计算机检测和控制的通用数字接口，具有完整的通讯接口协议的控制器，其谐波电压＜2%，谐波电流＜5%，正常运行时效率＞98%。其安全保护措施符合IP21的要求，包括过流、过压、失压保护，限速、限温保护，跳闸保护功能。这样就能保证电机在各种工况下运行时，都能保证所有试验仪器设备相互间均不受电力干扰，能正常运行使用。

扭矩传感器采用500 N·m传感器，其技术参数为：额定扭矩500 N·m；转速范围0～6 000 r/min，测量精度±0.2%FS，转速测量精度±1 r/min。具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

3 数据采集及处理系统

数据采集及处理系统主要是由数据采集模块和数据处理模块组成。数据采集模块采用了CAN现场总线技术，可以将各种形式的传感器进行信号转换；而数据处理模块可以实现数据的测量、控制、处理、储存、报表、绘图，从而使测试的结果更加科学合理。

进行发动机台架试验时，试验人员根据标准和操作规程的要求，调节发动机的各项参数来完成各项指标的检测。除了需要数据采集系统来测量发动机温度、压力、大气压力、环境温度和相对湿度等信号外，还要测量油耗、扭矩、转速等参数。试验完成后系统自动出具试验报告。

该系统能够按照用户定义好的试验过程自动完成整个试验，实现对测功机出水温度、发动机冷却液机油温度、燃油温度、进排气温度、机油压力、大气压力、环境温湿度等诸多参数的测量、显示，并且进行相应的处理、储存、报表、绘图等。数据采集及处理系统中所涉及的各种型号的传感器的技术参数如表1所示。

4 试验测试

根据GB/T 1147.2—2007《中小功率内燃机 第2部分：试验方法》的要求，进行了内燃机台架试验。在台架试验中，经过调试，环境条件符合GB/T 6072.1—2000《往复式内燃机 性能 第一部分：标准基准状况，功率、燃油消耗和机油消耗的标定及试验方法》的规定，各测点传感器的分布符合GB/T 1105.3—1987《内燃机台架性能试验方法 测量技术》的规定，试验应满足以下试验条件：

1）负载（发动机）应带自身运转所需的附件，不带空气滤清器、消声器等；

2）试验用油：标准柴油和CD级15W/30号柴油机油；

3）确认传感器的分布、环境条件等外界因素符合标准的要求；

表1 传感器的技术参数

4）试验时发动机进气状况应调节到标准状态：进气温度25℃，相对湿度30%，进气压力100.0 kPa。

图4 台架试验室效果图

在上述的试验条件确定后，如图4台架试验室效果图所示，调节发动机到标定工况，然后开始进行发动机台架试验、燃油消耗率、废气排放等性能检测。根据GB/T 1147.2—2007《中小功率内燃机 第2部分：试验方法》进行发动机台架试验，试验结果如表2所示。

表2 变速试验记录

5 结论

农用动力机械性能检测系统的成功研制解决了两大问题：一是该系统自动化程度较高，操作界面简单明了，可以节省大量人力物力；二是可减少环境条件等客观因素对检测过程的影响，从而保证了试验数据的客观真实。因此，该系统能为生产企业生产定型、出厂检验和委托检测等方面提供有效的手段，促进了广东省的农业机械化发展，也能为农户和主管部门选择推广先进适用的农业机械提供技术支持及决策参考。

[1]杨红英. 非道路柴油机国Ⅲ标准执行 国Ⅳ尚无时间表[N]. 中国工业报社，2014-11-10.

[2]新农村网. 遭遇四大挑战玉米机市场忽现扑朔迷局[J]. 新农村：黑龙江，2015，（12）：60-61.

[3]王淑红, 柳得山. 谈发动机与农机具的合理匹配[J]. 科技与企业， 2013，（2）：276-276.