船舶發(fā)動機冷卻水自補給報警系統(tǒng)設(shè)計

寧海強，楊德山，鄧利平，王冰波

(1.鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003;2.中國人民解放軍73326 部隊，福建 廈門361012;3.中國人民解放軍71187 部隊，山東 煙臺265800)

0 引 言

船舶發(fā)動機是船舶的主要動力源，如同人類的心臟，冷卻系統(tǒng)是船舶發(fā)動機的重要組成部分，其作用是冷卻發(fā)動機受熱零部件，保證受熱零部件的溫度保持在正常的工作范圍內(nèi)，對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性、耐久性以及排放指標等有著重要的影響。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻方式可分為開式冷卻系統(tǒng)和閉式冷卻系統(tǒng)［1］。船舶發(fā)動機大部分采用閉式冷卻系統(tǒng)，即發(fā)動機冷卻水腔利用淡水冷卻，而淡水通過熱交換器由海水冷卻。采用閉式冷卻系統(tǒng)的船舶發(fā)動機一般在機艙內(nèi)壁上都設(shè)置一高置淡水箱，作為船舶發(fā)動機冷卻水儲存容器，通過冷卻水管與發(fā)動機機帶淡水泵進口相連，在發(fā)動機冷卻水因泄漏或蒸發(fā)時自動向發(fā)動機冷卻水腔補充冷卻水，以保證發(fā)動機各系統(tǒng)部件良好冷卻。因此，冷卻水箱要始終保證有充足的淡水。目前，船舶機艙管理人員大多采用定期檢查與人工補充冷卻水的方法，這種方法不但增大了工作量，而且可靠性不高［2－3］。為保證發(fā)動機在工作中可靠冷卻，從冷卻系統(tǒng)的要求出發(fā)，設(shè)計一種船舶發(fā)動機冷卻水自動補給報警系統(tǒng)，以實現(xiàn)發(fā)動機冷卻水的自動補充以及在冷卻系統(tǒng)泄漏或自動補充裝置產(chǎn)生故障時的故障報警，保證船舶發(fā)動機可靠運行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

船舶發(fā)動機冷卻水自補給報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)船舶冷卻水箱水位顯示、冷卻水低于最低值時自動補充以及在冷卻系統(tǒng)泄漏或自動補充裝置故障導致冷卻水箱水位達到警戒水位時自動接通報警電路，并發(fā)出報警信號，提示機艙人員啟動手動補充系統(tǒng)迅速補充冷卻水，實現(xiàn)自我保護，保證船舶發(fā)動機可靠運行。

1.1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)主要由船舶壓載水艙、電機與水泵、發(fā)動機及冷卻水箱、一個帶觸頭的浮子水位計和自動控制電路系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system overall structure

系統(tǒng)將觸頭浮子水位計與發(fā)動機冷卻水箱相連組成一個連通器，水泵通過水管與船舶壓載水艙相連。當水箱水位低于設(shè)定的最低水位時，浮子利用觸頭使低水位開關(guān)接通，通過控制電路使電機帶動水泵將壓載水補給水箱;當水箱水位達到最高水位時，浮子觸頭使高水位動開開關(guān)動作，控制電路失電，水箱自動停止補水，由此實現(xiàn)冷卻水箱自動補水。為保證發(fā)動機可靠冷卻，系統(tǒng)設(shè)置了手動補水操作，在自動補水系統(tǒng)故障無法自動補水時，水箱水位低于最低水位會使低位開關(guān)接通報警器，發(fā)出報警信號，提示工作人員切換到手動補水控制系統(tǒng)，進行手動補水操作［4－5］。

1.2 觸頭浮子水位計結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

觸頭浮子水位計結(jié)構(gòu)如圖2所示，其下端入口與發(fā)動機冷卻水箱底部相通，上端設(shè)有通氣孔，形成一個連通器，內(nèi)部浮子由一個空心球和液位指示桿組成，能夠正確反映冷卻水箱水位。水位計內(nèi)壁設(shè)有H，L 接線柱，分別與浮子高水位“High”位和低水位“Low”位相對應(yīng)，并用絕緣材料與水位計相絕緣。液位指示桿上端連接有觸頭，當水箱水位處于“Low”位時，浮子觸頭隨冷卻水同時下降并與接線柱“L”接觸，此時動閉開關(guān)“L”閉合，接觸器線圈KM 接通;當水箱水位處于“High”位時，冷卻水推動浮子觸頭與接線柱“H”接觸，動開開關(guān)“H”斷開，接觸器線圈KM 斷電。

圖2 觸頭浮子水位計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the float gauge with pointing stick

1.3 系統(tǒng)各個部件的主要功能

冷卻水箱的主要作用是補償循環(huán)中的淡水，保證系統(tǒng)始終具有足量的淡水，同時還具有放氣功能，可以釋放系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的氣體，確保冷卻介質(zhì)壓力和流量的穩(wěn)定［6］;電機通過法蘭與水泵同軸相連，其作用是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，為水泵提供動力源;水泵的作用是將船舶壓載水艙的淡水輸送到機艙高置冷卻水箱;交流接觸器主要用作系統(tǒng)電路的開斷和控制，它利用主觸點來開閉電路，用輔助觸點來執(zhí)行控制指令;帶觸頭的浮子水位計的作用是顯示冷卻水箱水位并將水箱水位信號轉(zhuǎn)換為電信號;水位開關(guān)H和L為電磁開關(guān)，可以利用水位轉(zhuǎn)換過來的電信號控制開關(guān)的自動開閉，實現(xiàn)系統(tǒng)電路自動控制。

2 電氣控制方案設(shè)計

2.1 控制電路組成

系統(tǒng)控制電路如圖3所示，主要由380 V 電源、空氣開關(guān)QS、保險絲FU、交流接觸器KM、過載保護由熱繼電器FR、變壓器T、按鈕、電機、水泵、報警器、帶觸頭的浮子水位計以及指示燈等組成［7－8］。合上空氣開關(guān)QS 接通三相電源，通過變壓器將380 V 降壓為220 V，電源指示燈亮。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖Fig.3 System control circuit diagram

2.2 冷卻水箱自動補水控制

將單刀雙置開關(guān)打到“自動”位，當水箱水位下降到“Low”位時，低位開關(guān)L 閉合，此時接觸器線圈KM 通電，同時運行指示燈亮，報警器響起，接觸器主觸點和輔助常開觸頭閉合，電機通電并帶動水泵運轉(zhuǎn)，將船舶壓載水艙的淡水輸送到機艙高置冷卻水箱。隨著水箱水位升高，水位計浮子與觸頭同時上升，與觸頭L 脫開，低位開關(guān)L 斷開，報警解除。由于接觸器線圈通電，常開觸點KM 閉合，水泵繼續(xù)工作。當水位達到“High”位時，冷卻水推動浮子觸頭與接線柱H 接觸，高位動開開關(guān)H 斷開，接觸器線圈KM 斷電，水泵停止工作，自動補水結(jié)束。

2.3 手動補水控制

當水箱水位下降到“Low”位時，低位開關(guān)L閉合，此時接觸器線圈KM 通電，同時運行指示燈亮，報警器響起，如果此時自補給電路故障，不能自動補充，此時，由于水位計浮子觸頭與接線柱L未能脫開，報警器持續(xù)報警，提示工作人員立即啟動手動補給系統(tǒng)。

首先，將單刀雙置開關(guān)打到“手動”位，手動按下常開按鈕SB1，此時接觸器線圈KM 通電，同時運行指示燈亮，接觸器主觸點和輔助常開觸頭閉合，電機通電并帶動水泵運轉(zhuǎn)，將船舶壓載水艙的淡水輸送到機艙高置冷卻水箱。當松開按鈕SB1時，由于接觸器線圈通電，常開觸點KM 閉合，水泵能夠繼續(xù)工作。當手動按下常閉按鈕SB2，SB2斷開，接觸器線圈KM 斷電，常開觸點KM 斷開，水泵立即停止工作。

3 結(jié) 語

1)船舶發(fā)動機冷卻水自補給報警系統(tǒng)是由一個帶觸頭的浮子水位計和自動控制電路系統(tǒng)組成，水位計浮子將發(fā)動機冷卻水箱水位信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^發(fā)動機冷卻水箱水位來控制補水、報警電路的通斷，實現(xiàn)自動控制。

2)該系統(tǒng)設(shè)置有手動備用補給功能，在冷卻系統(tǒng)泄漏或自動補充系統(tǒng)故障時冷卻水箱水位將達到警戒水位，此時自動接通報警電路，并持續(xù)發(fā)出報警信號，提示機艙人員利用手動補給系統(tǒng)迅速補充冷卻水，并檢查、排除自動補充裝置故障，保證船艇發(fā)動機安全運行。

3)在船舶發(fā)動機上安裝冷卻水自動補給報警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)發(fā)動機冷卻水過低時的自動補充以及在發(fā)動機因冷卻系統(tǒng)泄漏導致膨脹水箱無法自動補充時的故障報警，降低機電人員勞動強度，提高船舶自動化水平。

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