目前農(nóng)業(yè)機械油耗測量特別是在農(nóng)機工況試驗中測試儀器單一, 測試方法無法完全反映農(nóng)機的各種運行工況和發(fā)動機的實際油耗量。本文在研究了容積式流量計的結(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上, 提出選用旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量計以測量農(nóng)業(yè)機械發(fā)動機的油耗。實驗結(jié)果表明, 該方法操作簡單, 度較高, 影響測量精度的因素大大減少, 對今后研究更高精度的油耗測試儀具有重要的借鑒意義。

 

　　引言：

 

　　隨著農(nóng)業(yè)機械的高速發(fā)展和普及, 農(nóng)機油耗測試是農(nóng)機研制企業(yè)開展節(jié)能工作、能量平衡工作、進行農(nóng)機技術(shù)改造和改進設(shè)計中必不可少的一項基礎(chǔ)研究。然而除少數(shù)大型農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)或?qū)I(yè)研究單位有精度較高、設(shè)備齊全的油耗測試手段和設(shè)備外, 絕大多數(shù)企業(yè)采用天平砝碼稱重法來進行。該方法操作復雜, 容易加量過多, 測量精度不高, 并易受到環(huán)境濕度、柴油易揮發(fā)等因素的干擾從而產(chǎn)生較大的測量誤差。也有部分企業(yè)采用液體渦輪流量計來采集油耗, 該方法成本較低, 安裝方便, 但由于渦輪流量計的口徑普遍較小, 柴油含雜質(zhì)過多, 在工作中常發(fā)生流量計內(nèi)部油道被雜質(zhì)堵塞的現(xiàn)象, 故障率較高[1]。針對上述問題, 本文在研究容積式流量計結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上, 提出一種選用旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量計安裝在農(nóng)業(yè)機械油路上的方法來測量農(nóng)機的油耗, 并搭建實驗平臺測試和分析該款流量計的檢測精度及可靠性。

 

　　一、容積式流量計結(jié)構(gòu)及分類：

 

　　容積式流量計又稱為定排量流量計 (positive displacement flowmeter) 。它主要由計量本體和測量部分組成, 計量本體由殼體、活動體 (轉(zhuǎn)子流量計的轉(zhuǎn)子) 組成。其中核心部件是活動體, 它是測量過程中的運動部件。活動體和殼體構(gòu)成的每個測量腔就是一個標準容積單元, 用來測量被測流體的體積, 測量部分實際上是一個轉(zhuǎn)速或計數(shù)傳感器, 螺桿流量計上的其中一只螺桿伸出的小齒輪上嵌有磁材料, 螺桿轉(zhuǎn)動時傳感器可以通過磁效應(yīng)識別螺桿的轉(zhuǎn)速, 并轉(zhuǎn)化為標準脈沖信號或電流信號, 方便測量人員使用二次儀表顯示油耗數(shù)值或被計算機采集信號并進行進一步的分析和應(yīng)用[2,3]。

 

　　容積式流量計種類繁多, 可以根據(jù)不同的原則來分類, 通常按照測量元件的結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子式、刮板式、旋轉(zhuǎn)活塞式、往復活塞式和膜片式等, 基于旋轉(zhuǎn)活塞流量計具有工作可靠、測量精度高、壓力損失小的特點, 且當介質(zhì)粘度大于50cp時, 粘度的變化對精度無影響, 特別適用于不含固體顆粒介質(zhì)的液體瞬時流量和累計流量的測量, 因此本文采用由上海某公司制作的流量計傳感器油耗采集設(shè)備, 主要由兩個旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量傳感器和一個顯示屏組成。

 

　　二、旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量計工作原理及安裝方法：

 

　　(一) 流量計工作原理

 

　　如圖1 (a) 所示, 被測液體從進口端進入流量傳感器內(nèi)腔, 在進、出口端形成壓差, 迫使活塞按圖中箭頭所示的方向旋轉(zhuǎn)。隨著液體的繼續(xù)流入, 活塞轉(zhuǎn)到如圖1 (b) 所示位置, 形成封閉的新月形截面的容腔v1。在差壓的作用下活塞繼續(xù)旋轉(zhuǎn), 剛才形成的封閉的新月形截面v1與出口端連通而開始排液, 如圖1 (c) 所示位置。當活塞旋轉(zhuǎn)到如圖1 (d) 所示的位置時又形成另一封閉的新月形截面容腔v2。再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)則容腔v2與出口端連通而開始排液, 然后轉(zhuǎn)子又回復到如圖1 (a) 所示的位置。這樣, 活塞每旋轉(zhuǎn)一周, 從進、出口端流過的液體等于容積v1和v2的總和[4]。

　　正常工作下, 流量計內(nèi)部相當于一個按鍵開關(guān)的作用, 在有液體流入的過程中反復關(guān)斷吸合, 在輸出端口形成連續(xù)的脈沖信號, 通過檢測該口的電平變化并對其計數(shù), 可知一定時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù), 根據(jù)式 (1) 可流過某量傳感器的液體體積:

　　式中n為某一時間段內(nèi)從流量傳感器采集到的脈沖數(shù), k為傳感器系數(shù), 具體數(shù)值由廠家提供。

 

　　(二) 流量計安裝方式

 

　　柴油發(fā)動機的燃油消耗量的計量采用差分測量法。由于柴油發(fā)動機有進油管和回油端, 柴油發(fā)動機工作時, 柴油從油箱被吸入進油管, 經(jīng)過油水分離器過濾后, 進入供油泵然后從供油泵壓出, 經(jīng)過精濾過濾后進入噴油嘴噴射, 沒有噴射的柴油經(jīng)過回油管回到油箱。柴油發(fā)動機的油耗計量是進油管流過的燃料體積與回油管流過的燃油體積的差值, 所以需要在進油管和回油管上各安裝一個流量傳感器, 如圖2所示。有部分農(nóng)機的柴油發(fā)動機并無回油端或回油量極少, 則可不接回油傳感器。

　　圖2 流量計傳感器安裝示意圖

 

　　三、實驗測試結(jié)果與分析：

 

　　實驗平臺采用的是廣西某企業(yè)生產(chǎn)的方拖, 其發(fā)動機為時風歐第二代的單缸發(fā)動機, 功率為14.7k w, 怠速空載運行情況下每小時消耗柴油約為0.52l, 方拖空載載行駛100km所有柴油約為9~11l。按圖3所示安裝流量計傳感器, 因為該款發(fā)動機的回油管并不回到油箱而是直接回到濾清器上, 所以無需裝回油傳感器。進油傳感器把流過的柴油體積轉(zhuǎn)換成脈沖信號發(fā)送給顯示屏進行處理, 發(fā)動機消耗的油量數(shù)值會實時顯示在顯示屏上。

 

　　

 

　　圖3 單缸柴油機接法   

 

　　

 

　　圖4 實驗測試所用方拖   

 

　　3.1、怠速工況下油耗測試：

 

　　點燃發(fā)動機, 待其穩(wěn)定運行后每隔10分鐘讀取并記錄顯示屏上的油耗數(shù)值, 如表1所示。

 

　　

　　圖5 每隔10min所測得油耗值   

 

　　由圖5可知, 怠速情況下發(fā)動機油耗以平均9.965ml/min的數(shù)值平穩(wěn)遞增, 200min內(nèi)共消耗了1993ml柴油, 平均每小時所耗油量約為598ml, 這與發(fā)動機廠家提供的怠速油耗數(shù)值基本符合, 誤差為13.04%。由于柴油機是怠速運行, 單位時間內(nèi)流過傳感器的液體流速較低, 與傳感器的指定液體流速***小量程1l/h相差較大, 因此如發(fā)動機帶載工作時, 傳感器所測得的油耗與實際發(fā)動機油耗的誤差范圍會有所降低, 油耗傳感器的測量精度也會隨著發(fā)動機功率的增大而提高。

 

　　3.2、方拖行駛工況下油耗測試實驗：

 

　　方拖在空載情況下進行實車行駛油耗測試, 出車前加滿油箱, 然后從加油站開始沿指定路線行駛4.3km后沿原路返回至加油站并把油箱加滿, 所加油量即為方拖行駛8.6km里實際油耗, 并記錄此時油耗設(shè)備顯示屏上的數(shù)值。重復上述實驗, 得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

 

 

　　表2 方拖行駛8.6km所用油耗測試數(shù)據(jù) (單位:ml)

 

　　4、結(jié)語：

 

　　隨著我國對農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)行業(yè)項目的重視, 適用于測量農(nóng)業(yè)機械油耗的流量計市場巨大, 積極研究和發(fā)展新型流量計產(chǎn)品, 應(yīng)用先進的微電子控制技術(shù)相結(jié)合來測量農(nóng)機油耗有著重要的發(fā)展意義[5]。本文提出的農(nóng)機油耗測量方法具有簡單實用、可靠性高等特點, 對今后研究更高精度的油耗測試儀具有重要的借鑒意義。