內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴機(jī)油自動(dòng)補(bǔ)油控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

靳永強(qiáng) 李江

摘 要 本文通過(guò)分析內(nèi)燃機(jī)車(chē)實(shí)際使用環(huán)境及潤(rùn)滑油系統(tǒng)的運(yùn)行條件，為解決機(jī)務(wù)系統(tǒng)冬季機(jī)車(chē)整備耗時(shí)多等具體問(wèn)題設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑油自動(dòng)預(yù)熱整備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括雙層保溫油箱、自動(dòng)補(bǔ)油控溫系統(tǒng)及相關(guān)管路附件組成。

關(guān)鍵詞 內(nèi)燃機(jī)車(chē);潤(rùn)滑油;信號(hào)采集;控制

引言

為了使柴油機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件在工作時(shí)具有良好的潤(rùn)滑條件，提高柴油機(jī)運(yùn)用的可靠性和耐久性，在內(nèi)燃機(jī)車(chē)上設(shè)置了柴機(jī)油系統(tǒng)。我國(guó)地域遼闊，從北到南氣候多變，尤其是在西北、東北等地區(qū)冬季天氣嚴(yán)寒，且因在東北、西北地區(qū)鐵路電氣化線路運(yùn)營(yíng)里程短，所以?xún)?nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)數(shù)量較多。在國(guó)內(nèi)各型內(nèi)燃機(jī)車(chē)上普遍設(shè)計(jì)了油水預(yù)熱系統(tǒng)，將燃油、潤(rùn)滑油和冷卻水進(jìn)行預(yù)熱，保證油水循環(huán)系統(tǒng)油溫、水溫達(dá)到啟機(jī)要求溫度值時(shí)進(jìn)行機(jī)車(chē)啟動(dòng)操作。

因此，在冬季內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)、檢修單位機(jī)車(chē)整備時(shí)，需要將內(nèi)燃機(jī)車(chē)潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱保溫，而在多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，僅配置有加熱油箱和注油泵、卸油泵，儲(chǔ)油罐中未設(shè)置液位、油溫、補(bǔ)油等控制系統(tǒng)，多數(shù)工作需要操作人員手動(dòng)完成，油溫?zé)o法控制易造成過(guò)熱或低于額定加注條件。本文使用可編程邏輯控制器、控制量采集傳感器和人機(jī)界面設(shè)計(jì)了機(jī)車(chē)柴機(jī)油自動(dòng)補(bǔ)油控溫系統(tǒng)。

1 保溫油箱設(shè)計(jì)

在國(guó)內(nèi)各型內(nèi)燃機(jī)車(chē)中一臺(tái)車(chē)需要添加約1200kg柴油機(jī)組潤(rùn)滑油，而潤(rùn)滑油供應(yīng)商以單桶170kg進(jìn)行整桶供應(yīng)，一臺(tái)車(chē)需要添加約7桶潤(rùn)滑油，故保溫油箱容量大小設(shè)置按N×一臺(tái)車(chē)用量進(jìn)行設(shè)計(jì)。為增加保溫油箱的保溫效果和降低熱源的消耗，油箱選用雙層結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235B，內(nèi)層厚度不小于5mm，外層厚度不小于3mm，內(nèi)外層間設(shè)置加強(qiáng)筋，且密實(shí)填充硅酸鋁耐火保溫棉，保溫層的厚度不小于30mm。油箱內(nèi)部根據(jù)加熱速率和溫度要求均勻排布蒸汽盤(pán)管，盤(pán)管材質(zhì)選用耐腐蝕不銹鋼無(wú)縫鋼管，厚度不小于3mm。油箱注油、卸油采用上進(jìn)下出結(jié)構(gòu)，油箱頂部設(shè)置呼吸閥、底部設(shè)置排污閥[1]。

2 自動(dòng)補(bǔ)油控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PLC為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、用戶(hù)程序執(zhí)行。油箱內(nèi)部安裝溫度和液位探頭、注油和卸油管道安裝渦輪流量傳感器，進(jìn)行油位、油溫、注卸油量等模擬量信號(hào)實(shí)時(shí)采集變送顯示，通過(guò)A/D模塊將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)傳送至PLC，PLC循環(huán)掃描用戶(hù)輸入并控制注油泵、卸油泵及電磁閥的啟停開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.1 溫度信號(hào)采集

溫度傳感器能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類(lèi)，根據(jù)金屬膨脹原理設(shè)計(jì)，隨著測(cè)溫環(huán)境中的溫度變化，測(cè)溫傳感器金屬材料的外形變化而形成電阻值或電位差變化，把不同的電阻值或電位差進(jìn)行量化表達(dá)成溫度值的變化。采用廣泛應(yīng)用的Pt100熱電阻型溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-50℃～200℃。

2.2 液位信號(hào)采集

液位傳感器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器，常見(jiàn)的有浮筒式液位傳感器、浮球式液位傳感器和靜壓式液位傳感器。靜壓式液位傳感器利用所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。采用靜壓式液位傳感器，液位測(cè)量范圍在0～3m[2]。

2.3 流量信號(hào)采集

國(guó)內(nèi)各型內(nèi)燃機(jī)車(chē)普遍采用按美國(guó)LMOA（機(jī)車(chē)維修人員協(xié)會(huì)）分類(lèi)的第四代機(jī)油，其運(yùn)動(dòng)粘度上限達(dá)19mm?/s，渦輪流量傳感器測(cè)量范圍寬、適用黏度大，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。渦輪流量傳感器中流體流經(jīng)殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速與流速成正比，葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號(hào)檢測(cè)器的磁場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性地改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號(hào)。

2.4 PLC自動(dòng)控制電路

為提高機(jī)車(chē)潤(rùn)滑油加熱、注卸油油箱的自動(dòng)化程度，系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器進(jìn)行自動(dòng)化控制。系統(tǒng)需配置注油泵控制、卸油泵控制、蒸汽輸入電磁閥控制、注卸油管道電磁閥控制等開(kāi)關(guān)量輸入輸出點(diǎn)及模擬量信號(hào)輸入模塊，開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入采用主令開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，模擬量信號(hào)輸入采用PLC專(zhuān)用模擬量輸入模塊。在本設(shè)計(jì)中選用西門(mén)子S7-200型PLC，根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)配置CPU 222型可編程邏輯控制器，CPU 222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，并可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊;四路模擬量信號(hào)采用EM231專(zhuān)用模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中PLC作為執(zhí)行層面的控制器實(shí)時(shí)循環(huán)接收來(lái)自用戶(hù)的輸入，人機(jī)界面采用西門(mén)子Smart 700IE觸摸屏，作為用戶(hù)和系統(tǒng)交互的橋梁，通過(guò)串行接口與PLC進(jìn)行通訊，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集油箱油溫、液位、注卸油流量，主令輸入觸發(fā)PLC執(zhí)行程序，并輸出給繼電器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Smart 700IE觸摸屏在WinCC flexible環(huán)境中進(jìn)行組態(tài)，CPU 222型PLC在Step 7-Micro/Win專(zhuān)業(yè)編程軟件中進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作過(guò)程描述如下：系統(tǒng)上電，PLC開(kāi)機(jī)自檢，循環(huán)掃描執(zhí)行用戶(hù)程序，判斷是否有用戶(hù)指令輸入，若有油泵啟動(dòng)、電磁閥開(kāi)閉等指令，跳入相應(yīng)動(dòng)作執(zhí)行程序，執(zhí)行完畢，重新進(jìn)入循環(huán)掃描模式。系統(tǒng)中涉及多路模擬量信號(hào)的采集變送，而油箱的應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜，存在著電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中多采用軟件方法消除電磁干擾，常用的軟件電磁干擾消除方法有：平均值濾波法、中值濾波法和慣性濾波法，不需要增加硬件設(shè)備僅采用相應(yīng)的算法指令就可達(dá)到濾波效果[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于PLC的潤(rùn)滑油加熱保溫、注卸油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)冬季在機(jī)車(chē)整備車(chē)間柴機(jī)油的恒溫存儲(chǔ)，提高內(nèi)燃機(jī)車(chē)整備速度;另外油箱液位控制功能，可實(shí)現(xiàn)油箱油位低提醒功能和卸油泵的停機(jī)控制，保護(hù)卸油泵防止空轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂少力.一種新型的油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2010，（08）：66-67.

[2] 劉石紅.基于PLC控制技術(shù)的信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)方法[J].科學(xué)時(shí)代，2019，（01）：102-103.

[3] 劉達(dá)德.東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)原理檢修[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：89.

作者簡(jiǎn)介

靳永強(qiáng)（1989-），男，青海西寧人;學(xué)歷：本科，工程師，現(xiàn)就職單位：中車(chē)蘭州機(jī)車(chē)有限公司，研究方向：機(jī)車(chē)行車(chē)安全控制技術(shù)及電傳動(dòng)系統(tǒng)。