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。

 

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(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

 

3、試驗(yàn)步驟

      所測(cè)冷卻器前后安裝有兩個(gè)限壓閥門(mén)，如圖3所示。當(dāng)限壓閥門(mén)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(mén)，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(mén)，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。

 

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(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。

 

圖5  機(jī)油冷卻器工作過(guò)程示意圖

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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