3.2. Motorlaboratóriumi mérések és speciális mérőberendezések 3.2.1. Teljesítménymérés A motor tengelyéről levett mechanikai energiát a teljesítménymérés elvégzéséhez egyéb energiaformára kell átalakítani. A motor mechanikai energiája -
mechanikai súrlódással hőenergiává (Prony-fék),
-
levegő mozgási energiájává (légörvény- és légcsavarfék),
-
folyadék mozgási vagy nyomási energiájává (hidraulikus fék) vagy
-
villamos energiává (villamos fék)
alakítható át. Ezeket az energiaátalakító berendezéseket motorfékpadoknak hívják. A motorteljesítmény mérhető közvetlenül; vagy számítható közvetve a nyomatékból és a szögsebességből, a P = M⋅ω összefüggés alapján. A közvetlen teljesítménymérés egyik lehetősége pl. a motorhoz kapcsolt dinamó vagy generátor villamos teljesítményének a mérése. A generátor felvett teljesítménye P = U⋅I/η, ahol az η hatásfok a villamos gép veszteségeit veszi figyelembe. Ez azonban a terheléstől, a fordulatszámtól és a gép hőállapotától is függ. Ezért, látszólagos egyszerűsége ellenére közvetlenül csak ritkán mérik a teljesítményt. Nyomatékmérés torziós tengellyel A nyomaték -
vagy a belsőégésű motor és az energia-átalakító gép közé helyezett nyomatékmérő tengelyen,
-
vagy az energia-átalakító gép (fékpad) reakciónyomatékaként mérhető.
Bár a nyomatékmérő tengely nyomatékkal arányos elcsavarodása nyúlásmérő bélyegekkel kellő pontossággal mérhető, mégis statikus mérésekhez széleskörűen a fékpad reakciónyomatékának mérése terjedt el. Dinamikus méréseknél viszont előnyei vannak a torziós tengellyel végzett nyomatékmérésnek. Nyomatékmérés a reakciónyomaték mérésével A fékpadok reakciónyomaték-mérésének elve az 1_1/3 fólia segítségével érthető meg. A belsőégésű motor által hajtott fékpad-forgórész mechanikai súrlódás, levegő, folyadék vagy elektromágneses mező közvetítésével adja át a nyomatékot a fékpad álló részének. Az állórész elbillenhetően van ágyazva, a hozzáerősített kar erőmérő berendezésre támaszkodik. Erőmérő (1_1/4. fólia) Az erőmérő berendezés lehet -
mechanikus (tányéros, rugós, futósúlyos, ingás vagy karáttételes mérleg)
-
hidraulikus
-
vagy villamos erőmérő cella. Billenő ágyazás (1_1/5 és 1_1/6. fóliák)
A billenő golyóscsapágyazás bizonyos üzemidő után szennyeződhet, a golyók fészket alakíthatnak ki a csapágycsészében, ez a pontosságot csökkenti. A villamos erőmérő cellák kis útigénye lehetővé teszi, hogy a billenő ágyazást golyóscsapágyak helyett rugós állórész-felerősítéssel valósítsák meg (Schenck). Ez kopás- és hézagmentes, szennyezésre és nedvességre érzéketlen, hiszterézise nincs és csillapítja a belsőégésű motorról a fékpadra átadódó rezgéseket. A rugóerőket természetesen figyelembe kell venni az erőmérő cellák hitelesítésénél. Motorfékpadok Mechanikai fék (Prony-fék) Mechanikus fékeket ma már önállóan egyáltalán nem, más fékpadokkal kombináltan ritkán alkalmaznak. Légörvény és légcsavarfék Kis teljesítmény, nagy fordulatszám mérésére alkalmasak. Jellegzetes alkalmassági terület: modellmotorok. Légcsavaros repülőgépmotorok gyors teljesítmény-ellenőrzésére a gép saját légcsavarja – mint légcsavarfék – lehetőséget nyújt. Hidraulikus fék 1_1/7, 1_1/8 és 1_1/9. fóliák) Fajtái: hidrodinamikus: tárcsás, támolygótárcsás, pálcás, kamrás (öblös), viszkozitás, és hidrosztatikus fék. Mivel a gyakorlatban a kamrás fékpadok terjedtek el, a továbbiakban ezt ismertetjük. A belsőégésű motor közvetlenül hajtja a forgórészt, amely billenő ágyazású, több vagy kevesebb vizet tartalmazó állórészben forog. A víz hozzá- és elvezetésének olyannak kell lennie, hogy az állórész billenését ne befolyásolja. Minden hidraulikus fékpadnál lényeges, hogy ne legyen gőzképződés, vízkőlerakódás és kavitáció. Ezért a kilépő víz hőmérséklete 50...60 °C-nál nem lehet nagyobb. A vízigény a
P = c ⋅ m& ⋅ ∆t összefüggésből 20 °C hőmérsékletű belépő vízhőmérséklettel számolva fajlagosan 20...30 l/(kW⋅h). Ma már csak zárt folyadékrendszerrel készítenek vízfékes próbatermeket, ezeknél általában a fékpadhoz érkező víz melegebb, ezért a vízigény nagyobb. A vízfékpadokkal létrehozható terhelőnyomaték M = k⋅ρ⋅D5⋅n2 (n a fékpad fordulatszáma, D forgórész külső átmérője, ρ a folyadék (víz) sűrűsége és k a fékpad kialakításától függő tényező). A nyomatékfelvétel szabályozása vagy az álló és forgórész közé többé-kevésbé betolt tolattyúval (aktív vízmennyiség szabályozása), vagy az állórészben lévő tényleges vízmennyiség változtatásával valósítható meg. Ez utóbbi esetben a vízmennyiséget fojtással vagy bukócsővel lehet szabályozni. A kamrás vízfékpadok kamrái a forgásirányra vonatkoztatva lehetnek szimmetrikusak vagy aszimmetrikusak. A szimmetrikus kamrájú fékpadok mindkét forgásirányban
használhatók, ez jobb kihasználtságot tesz lehetővé (amíg a pad egyik oldalán járatnak vagy mérnek egy motort, a másik oldalon a fékpadra szerelés előkészítő munkáit lehet végezni). Az aszimmetrikus kamrájú fékpadok viszont ugyanakkora külső méretek mellett nagyobb nyomaték fékezésére képesek. A vízfékpadok relatív olcsók (áruk a villamos örvényáramú fékpadnak kb. 60 %-a). Villamos fék Örvényáramú fék (1_1/10, 1/11, 1_1/12 és 1_1/13. fóliák) Az állórész és a forgórész közötti mágneses erők hozzák létre a fékezőnyomatékot. Az állórészben gerjesztő tekercsek (elektromágnesek) vannak, amelyekben változtatható nagyságú egyenáram folyik. Az elektromágnesek által létrehozott erőtérben mozgó fogazott tárcsa alakú forgórész forgása fluxusingadozást okoz, ez az állórészben örvényáramokat hoz létre. Az örvényáramok a forgó tárcsát fékező mágneses erőteret hoznak létre, és melegítik az állórészt. Ezt a hőmennyiséget hűtővízzel kell elvezetni. A gerjesztő áram nagysága változtatható, vagy különböző igények szerint vezérelhető ill. szabályozható (1_1/14. fóliák). A villamos örvényáramú fékek szélsőséges üzemi körülmények (kis és nagy fordulatszámok és terhelések) között is jól és stabilan szabályozhatóak. Az örvényáramú fék előnye, hogy a forgórészük tehetetlensége kicsi, hátránya, hogy a motor indítására és hajtására nem alkalmas. Ezért olykor villamos indítómotorral egybeépített örvényáramú féket is készítenek (1_2/1. fólia) Fékezés villamos forgógéppel Elvileg minden villamos forgógép alkalmas motorfékpadként. A fékezésnek három lehetősége van: -
áram-visszatérítéssel (rekuperációs fékezés, generátoros fékezés),
-
ellenállás fékezés és
-
ellenáramú fékezés.
Az áram-visszatérítéses fékezésnél a villamos gép kapcsolása a motorüzemével azonos. A belsőégésű motor a villamos gépet az no üresjárati fordulatszámánál gyorsabban forgatja, a villamos gép nyomatékot vesz fel és energiát táplál vissza a hálózatba. Ezzel a módszerrel csak az no fordulatszám fölött lehet fékezni (M=0-nál n≠0). Az ellenállásfékezésnél a villamos gép nincs hálózattal kapcsolatban, a keletkezett villamos energia ellenálláson hővé alakul. Jellemzője, hogy n=0-nál M=0. Az ellenáramú fékezésnél a villamos gép úgy van a hálózatra kapcsolva, hogy az ellenkező forgásirányba igyekezne forogni. A három felsorolt lehetőség közül ez a leggazdaságtalanabb megoldás, viszont a kis fordulatszámokon elérhető féknyomaték a legnagyobb; és ez az egyetlen villamos fékezés, amellyel megállásig lehet fékezni (n=0-nál M≠0). Megállás után a villamos gép ellenkező forgásiránnyal forgatná a belsőégésű motort, ez ellen megfelelő intézkedést kell tenni. Egyenáramú mérlegdinamó, Legegyszerűbb vezérlése az egyenáramú, külső gerjesztésű mérlegdinamónak van (1_2/2. fólia). A szabályozást Ward-Leonard-átalakítóval vagy tirisztoros berendezéssel végzik. A felsorolt villamos fékezések mindegyike lehetséges, a
belsőégésű motor munkája ellenállásokon hővé alakítható, vagy a hálózatba visszatáplálható. Főáramkörű mérlegdinamóval is lehetséges motort fékezni, de nem lehetséges áram-visszatáplálásos és ellenáramú fékezés (1_2/3. fólia). Az egyenáramú gépek a motor indítására és hajtására (hidegjáratás, különböző veszteségek mérése stb.) is képesek. Ehhez azonban egyenáramú hálózat szükséges. Háromfázisú aszinkron mérleggenerátor (1_2/4. fólia) A villamos gép szinkron fordulatszámát a póluspárok száma szabja meg (n = f/p) ahol f a váltóáram frekvenciája, p a póluspárok száma). Ha a belsőégésű motor e szinkron fordulatszámnál gyorsabban forgatja a villamos gépet, akkor az generátorként viselkedik, visszatáplálásos fékezés lehetséges. A szinkronnál kisebb fordulatszámú mérések végzésére ellenáramú fékezéssel alkalmas. A háromfázisú aszinkron fékberendezések szerkezete egyszerű, felépítésük robusztus (nincsenek kefék és kollektorok), beszerzési költségük mérsékelt. Jelleggörbe (1_2/5 és 1_2/6. fóliák) A fékpad jelleggöbéjének az M = f(n) görbét nevezzük. Minden teljesítménymérő berendezésnek van un. természetes jelleggöbéje. Erre az jellemző, hogy a fékpad szabályozó jellemzője (pl. vízfékpadnál az állórészben lévő vízmennyiség) állandó. Az egyes nyomatékmérő berendezések vezérlő jellemzőit és természetes jelleggörbéjét táblázatosan közöljük: Fékpad rendszer
Vezérlő jellemző
Természetes jelleggörbe
mechanikus
fékerő
M ≈ áll.
pneumatikus
lapátszög-állítás, fojtás
M = k⋅n2
hidrodinamikus
aktív vízmennyiség
M = k⋅n2
villamos örvényáramú
gerjesztő áram
M = k⋅(1-e-n)
villamos mérlegdinamó (külső gerjesztés)
gerjesztő áram, terhelő ellenállás
M = k⋅n
villamos mérlegdinamó (főáramkörű gerjesztés)
terhelő ellenállás
M = k⋅n2
(Ward-Leonard)
gerjesztő áram
n ≈ áll.
Megfelelő vezérléssel és szabályozással bármilyen rendszerrel lehet szinte tetszőleges jelleggörbét lehet megvalósítani. A létrehozható jelleggörbék sokaságának jellemzésére egy konkrét örvényáramú fékpadba beprogramozott lehetőségeket soroljuk fel: -
természetes jelleggörbe,
-
-
-
M n− A ), ahol A 0...n között, B = = B⋅ M max n max ∆M/∆n = 0,5...2,5 között állítható),
állítható ferdeségű jelleggörbe (
állandó fordulatszámú (n = áll.) jelleggörbe, M K n λ = + A⋅( ) ), ahol K 0...M, A M max M max n max 1...10 és λ=1,7…2 között állítható),
exponenciális jelleggörbe (
M = áll. jelleggörbe.
A különböző jelleggörbe-lehetőségekre azért van szükség, mert az erőgépből (belsőégésű motor) és munkagépből (fékpad) álló gépcsoport üzeme csak közös fordulatszámon, a motor és a fékpad jelleggörbéjének metszéspontjában, az u.n. munkapontban lehetséges. A munkapont akkor stabil, ha a gépcsoport fordulatszámának növekedésekor visszatérítő nyomaték, csökkenésekor gyorsító nyomaték keletkezik. Másképpen ha a
d ( M f − Mm ) d (n − n0 ) tört értéke pozitív, akkor a munkapont stabil, ha negatív, akkor labilis. A stabilitás ill. labilitás mértékére a tört számértéke (a motorjelleggörbe és a fékpadjelleggörbe által bezárt szög) jellemző. A nagyon stabil munkapont állandósult munkapontok mérésekor előnyös. Dinamikus méréseket a tehetetlenségi, út- és légellenálláserők összegét szimuláló jelleggörbéjű fékpadokon célszerű végezni. Ilyen lehet akármelyik négyzetes karakterisztikájú fékpad megfelelő lendkerékkel kiegészítve, de a legkorszerűbb fékpadok a lendkerék tehetetlenségét is képesek szimulálni. Tartós lejtmenet szimulálása (motorféküzem, külső hajtás) csak mérlegdinamóval lehetséges. Mérési tartomány (1_2/7, 1_2/8 és 1_2/9. fóliák) A motorfékpad fajtája és méretei meghatározzák a fékpad mérési tartományát. A mérési tartományt -
a természetes jelleggörbe,
-
M = áll.
-
P = áll.
-
n = áll és
-
üresjárási jelleggörbe
szakaszai határolják. A természetes jelleggörbe a fékpad adottsága, az M = áll. szakasz a tengelyektengelykapcsolók által átvihető nyomatéktól függ, a P = áll. szakaszt az időegység alatt elvezethető hőmennyiség korlátozza, az n = áll. a centrifugális erők szempontjából megengedett fordulatszám. Az M = áll. szakasz egyes fékpadoknál kimaradhat.
Adott fékpaddal olyan motor jellemzői mérhetők, melyeknek külső karakterisztikája berajzolható a fékpad M - n vagy P - n síkon megadott jellegmezőjébe. Gyakori a jellegmező megadása log-log diagramban is, mert ilyen ábrázolásnál a határoló görbék kiegyenesednek. A villamos örvényáramú fékpad kis fordulatokon nagyobb, ill. nagy fordulatszámoknál kisebb fékezőnyomatékot képes létrehozni, mint a vízfékpad. Érzékenység Mérőműszerek érzékenységén általában a kijelzés egységnyi (digitális kijelzésnél digitnyi) változásához szükséges mérendő mennyiséghányadot értjük. Fékpadoknál mértékegysége osztás/N⋅m, °/N⋅m vagy digit/N⋅m lehet. Más fogalom a műszerek zavarérzékenysége. Ilyen lehet a fékpad vízfékpad érzékenysége a víznyomásra (dM/dp), a villamos fékpadok érzékenysége a hálózati feszültségingadozásra stb. Pontosság (1_2/10. fólia) A különböző fékpad-rendszerek különböző hibakorlátokkal dolgoznak. Tájékoztató értékeket a következő táblázat tartalmaz: Mérőberendezés
Hiba, kb, %
Súrlódó (Prony-) fékek pofás szalagos
1...5 1
Hidraulikus fékek külső forgórészű
0,1...0,2
belső forgórészű
0,2...0,5
Légfék szárnyaskerék levegőben
1...5
Villamos fékek örvényáramú fék
0,2...0,5
mérlegdinamó, -generátor
0,1...0,2
Fékpadok dinamikus viselkedése A vizsgálati céltól függően szükség lehet -
állandósult mérési pontok
-
tranziens folyamatok vagy
-
dinamikus változások mérésére.
Ezek jellegzetes példa a 1_2/11. fólián látható, az egyes fékpadfajták alkalmasságát
a 1_2/12 és 1_2/13. fólia szemlélteti. A fékpad alkalmassága elsősorban felfutási idejétől (1_2/14. fólia) függ, vagyis attól, hogy hirtelen terhelésváltozást hogyan tud követni a fékpad/motor együttes. A tranziens és a dinamikus méréseknél gondot jelent a forgatónyomaték mérése. A billenő ágyazású rendszerek ugyanis csak a fék forgórész tehetetlenségi nyomatékával csökkentett értéket mérik (Mmért = Mmotor - Θ⋅ε). Lehetőleg kis tehetetlenségi nyomatékú fékeket használnak, a fékpad-forgórész tehetetlenségi nyomatékát számítással veszik figyelembe. Másik megoldás: a fékpadot csak energiaátalakításra (vagy motorhajtásra) használják, és a motor forgatónyomatékát a motor és a fékpad közé elhelyezett torziós nyomatékmérő tengellyel mérik . Fordulatszámmérés (1_2/15. fólia) A motorteljesítmény számításához szükséges másik alapvető jellemző a fordulatszám. Ennek mérése elvileg a következők szerint lehetséges: Adott idő alatt megtett fordulatok mérése Az átlagfordulatszám pontos mérésére alkalmas. A mechanikus mérések korszakában a motorméréseknél szabványban előírt mérési módja. Adott tüzelőanyag-mennyiség elfogyásának időtartamát és az ezalatt megtett fordulatok számát mérték. Előírás volt a fordulat- és időmérő berendezés azonos kapcsolóval való indítása, leállítása. Jellegzetes műszere volt ennek a mérésnek az u.n. palacsintasütő. Ilyen, adott típusú fordulatszámláló pl. 20 000 1/min fordulatszámig használható, a fordulatok mérésének pontossága ±0,5 fordulat, az időmérésé ±0,1 s (Jaquet 250). Másik jellegzetes átlagfordulatszám-mérő a tengelyvégre illesztés és a mérés indítása után adott ideig (pl. 6 másodpercig) mér, majd automatikusan leáll. A skála már időegységre vonatkoztatott fordulatszámra van kalibrálva. Pontossága ±0,25 %. Szögsebesség-mérés Elterjedt a tachométer megnevezés. A szögsebességgel arányos mennyiséget mér. Mérhet centrifugális erőt, örvényáram elektromágneses erejét vagy generátor feszültségét. Kevésbé pontos, mint az előző csoportba tartozó műszerek. Ezért elsősorban a fordulatszám mérés előtti beállítására, vagy folyamatos kijelzésére alkalmazzák. Stroboszkópikus fordulatszámmérés Az elektronikus mérések elterjedése előtt az egyetlen érintkezés nélküli fordulatszám-mérési lehetőség volt. Olyankor alkalmazták, ha olyan kistömegű forgórész fordulatszámát kellett mérni, amelynek fordulatszámát befolyásolta volna a mérőműszer terhelése, vagy ha nem lehetett a forgórészt kellően megközelíteni (pl. turbótöltő). Jól használható kis fordulatszám-különbségek (pl. tengelykapcsoló vagy ékszíj csúszásának) mérésére. Lényege, hogy a forgórészre irányított tehetetlenségmentes fényforrás (neon vagy xenon villanólámpa) folyamatosan változtatható felvillanási frekvenciáját addig változtatják, amíg a forgórészen lévő jelzés látszólag meg nem áll. A felvillanás időtartama kb. 10 µs. Az így beállított felvillanási frekvenciából lehet következtetni a fordulatszámra. A fordulatszám tájékoztató ismerete szükséges, mert pl. minden második fordulatra villanó lámpa esetén is állni látszik a forgó tárgy.
Ha teljesen ismeretlen a fordulatszám, akkor értéke két mérésből számítható. Először addig változtatjuk a frekvenciát, amíg a tengely állni látszik. Ekkor leolvassuk a műszert (f frekvencia). Ezután csökkentjük a frekvenciát a következő állóképig (f’ frekvencia). Az első mérésből a fordulatszám
n = i⋅f,
a másodikból
n = (i+1)⋅f’.
Az egyenletrendszerből i-t kiküszöbölve adódik a fordulatszám: n = (f⋅f’)/(f-f’). Elektronikus (digitális) fordulatszámmérés Induktív vagy fotoelektromos adótól érkező jel frekvenciáját számoló, érintkezésmentes mérési eljárás. Pontosságát növeli, hogy fordulatonként több (pl. 60) jel is vehető, a pontosságot csak a kijelző műszer pontossága (analóg kijelzésnél 1 % alatt, digitális kijelzésnél a digitek száma) korlátozza.
