某航空發(fā)動(dòng)機(jī)油封車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周易，陶國(guó)云，王鐵軍

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

油封車是基于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和保障要求而設(shè)計(jì)的配套地面保障設(shè)備，用于燃油系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)的油封。本文對(duì)油封車的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了系統(tǒng)可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、可維修性。基于PLC平臺(tái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)全流程自動(dòng)化運(yùn)行。

田少政等[1]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油封需求，結(jié)合多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合油封設(shè)備的功用、組成、工作原理及主要技術(shù)難點(diǎn)和解決方法；韓斐等[2]闡述了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合油封設(shè)備的功用、組成及工作原理，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了在研制過(guò)程中所使用的主要部附件的特點(diǎn)及相關(guān)設(shè)計(jì)思路；張津東[3]設(shè)計(jì)一種地面油封裝置，它能夠?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)在地面上或是在存放航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工廠中進(jìn)行油啟封，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)則無(wú)需移動(dòng)位置，可以很好地滿足軍用需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；溫海濤等[4]介紹了一種通用型發(fā)動(dòng)機(jī)油啟封裝置的研制方案，說(shuō)明了該設(shè)備的組成、工作原理及在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決的主要的技術(shù)問(wèn)題；石宏月等[5]著眼于航空裝備技術(shù)保障的未來(lái)發(fā)展，首先分析了國(guó)內(nèi)外通用保障裝備的發(fā)展和現(xiàn)狀，然后提出了研究通用型航空發(fā)動(dòng)機(jī)油封裝置的重要意義，以滑油加溫脫水、電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓管路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)等知識(shí)為基礎(chǔ)，提出了通用型航空發(fā)動(dòng)機(jī)油封車的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了初步理論論證；王洲偉等[6]介紹了一種新型通用溫控油封車的設(shè)計(jì)方案，闡述了該油封車的組成、工作原理及主要部分的設(shè)計(jì)說(shuō)明；姜曉蓮等[7]介紹某種航空發(fā)動(dòng)機(jī)油封裝置的設(shè)計(jì)，主要說(shuō)明了該裝置的功用與主要性能指標(biāo)、主要技術(shù)方案，以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的創(chuàng)新技術(shù)和解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 油封車工作原理

油封車是在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，向燃油系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)提供一定壓力、溫度和清潔度潤(rùn)滑油的維護(hù)保障設(shè)備。油封車工作原理大致可分為循環(huán)過(guò)濾、加溫脫水、冷卻保溫和油封4個(gè)步驟，具體流程如下所述。

1）循環(huán)過(guò)濾。滑油在油封車內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾，直至滑油清潔度化驗(yàn)合格，過(guò)濾完成。

2）加溫脫水。啟動(dòng)電加溫器，滑油循環(huán)加溫，利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)油箱內(nèi)滑油溫度，自動(dòng)控制電加熱器的啟停，使滑油溫度保持在一定范圍內(nèi)（該溫度應(yīng)高于水的沸點(diǎn)），直至完成加溫脫水工作。

3）冷卻保溫。啟動(dòng)空氣冷卻器，當(dāng)滑油循環(huán)降溫至目標(biāo)溫度時(shí)，關(guān)閉空氣冷卻器；冷卻保溫過(guò)程中溫度傳感器自動(dòng)控制電加溫器的啟停，維持油溫在目標(biāo)溫度附近。

4）油封。用供油軟管組件連接油封車與發(fā)動(dòng)機(jī)接口，打開(kāi)供油管路，關(guān)閉循環(huán)管路，開(kāi)始給發(fā)動(dòng)機(jī)油封；油封過(guò)程中，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑油溫度，自動(dòng)控制電加溫器的啟停，使油封過(guò)程中的滑油溫度始終維持在目標(biāo)溫度附近，完成發(fā)動(dòng)機(jī)油封。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

油封車控制系統(tǒng)包括以下6個(gè)部分。

1）控制箱。控制箱包含控制系統(tǒng)的大部分主要元器件，如PLC、觸摸屏、按鈕及聲音報(bào)警器、變壓器、直流電源、斷路器、接觸器等。

2）電加熱器。電加熱器安裝于油箱內(nèi)部，用于油封油的加熱加溫脫水。

3）散熱風(fēng)機(jī)。用于油封油的冷卻降溫。

4）油泵電動(dòng)機(jī)。用于帶動(dòng)油泵進(jìn)行油封打壓。

5）電磁閥。供油電磁閥和回油電磁閥各1個(gè)，用于油路控制。

6）變送器。壓力變送器2個(gè)，用于監(jiān)測(cè)油濾前后壓力；溫度變送器1個(gè)，用于監(jiān)測(cè)油箱內(nèi)油溫。

控制系統(tǒng)按層次分為控制級(jí)、過(guò)程級(jí)和設(shè)備級(jí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

控制級(jí)為控制箱門處安裝的觸摸屏及按鈕、聲音報(bào)警器，能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的操作及參數(shù)監(jiān)視。

過(guò)程級(jí)的PLC能夠采集設(shè)備級(jí)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，控制設(shè)備級(jí)的各元器件運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種控制邏輯。設(shè)備級(jí)包含實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的各類電氣元件。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

油封車控制系統(tǒng)采用380 V、50 Hz三相三線制供電，并在電源插座處提供地線以實(shí)現(xiàn)油封車整體接地。通過(guò)控制變壓器和直流電源為各電氣元件提供不同類型的供電。

電加熱器、油泵電動(dòng)機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)的供電回路均包含斷路器和接觸器，電加熱器的加熱棒共用1路接觸器，油泵電動(dòng)機(jī)和散熱風(fēng)機(jī)共用1路斷路器。

將控制變壓器的輸出端定義為控制回路，利用“控制回路啟動(dòng)”帶燈自鎖按鈕實(shí)現(xiàn)控制回路的通斷。控制回路中包括PLC、觸摸屏、各電氣元件的接觸器線圈、直流電源、電磁閥、變送器及各按鈕和報(bào)警裝置。

PLC通過(guò)中間繼電器控制各接觸器的通斷，采集并監(jiān)視各變送器參數(shù)，采集各按鈕的控制信號(hào)，控制聲音報(bào)警裝置。

上述電氣元件均安裝在控制箱，各供電回路、控制信號(hào)回路、采集信號(hào)回路通過(guò)控制箱底部的電連接器連接至設(shè)備級(jí)的電氣元件。

系統(tǒng)選用的所有電氣元件均需要滿足使用環(huán)境溫度、三防等要求。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

油封車控制系統(tǒng)軟件包括PLC控制程序和觸摸屏程序2個(gè)部分。

PLC控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的全部功能，包括系統(tǒng)的上電/斷電、油封油循環(huán)過(guò)濾、加熱加溫脫水、降溫、油封整個(gè)流程的自動(dòng)控制、各變送器的參數(shù)監(jiān)視、超限報(bào)警、緊急情況的急停。

根據(jù)工作流程需求，設(shè)計(jì)的PLC控制程序的全部變量如表1所示。

表1 PLC控制程序變量表

基于上述變量表，設(shè)計(jì)全工作流程的自動(dòng)控制邏輯如表2所示。

表2 自動(dòng)控制邏輯表

觸摸屏程序能夠顯示控制系統(tǒng)的全部參數(shù)，操作人員的所有操作均能在觸摸屏上完成。觸摸屏操作界面示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 觸摸屏自動(dòng)模式示意圖

圖3 觸摸屏手動(dòng)模式示意圖

當(dāng)使用自動(dòng)模式時(shí)，操作人員只需在觸摸屏右側(cè)設(shè)定好工作流程的開(kāi)始/停止，以及對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，控制程序根據(jù)油箱內(nèi)溫度變送器的數(shù)值自動(dòng)控制電加熱器和散熱風(fēng)機(jī)的通斷電以控制油溫，并自動(dòng)控制各個(gè)電磁閥的通斷，觸摸屏左側(cè)顯示系統(tǒng)各設(shè)備及傳感器狀態(tài)供操作人員監(jiān)視，油濾前后壓差、油箱內(nèi)溫度、供油壓力有超上限報(bào)警，通過(guò)聲音報(bào)警裝置和觸摸屏文字提示進(jìn)行報(bào)警。

當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí)，所有設(shè)備的啟動(dòng)/停止操作均在觸摸屏上通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)，操作人員可手動(dòng)進(jìn)行各項(xiàng)工作流程的操作，或進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

2.4 箱體設(shè)計(jì)

控制箱本身具有IP67級(jí)防護(hù)，能夠保護(hù)箱內(nèi)的電氣元件。控制箱體上及控制箱門處安裝的電氣元件同樣具有IP67 級(jí)防護(hù)。控制箱內(nèi)的電氣元件可不滿足IP67級(jí)防護(hù)，通過(guò)控制箱為其提供保護(hù)。

控制箱門處的元器件為操作人員需要操作的部分，包括電源指示燈、聲音報(bào)警裝置、控制回路啟動(dòng)帶燈自鎖按鈕、急停蘑菇頭自鎖按鈕、觸摸屏。

3 性能分析

3.1 可靠性分析

控制箱所有元器件均選用成熟的貨架產(chǎn)品，滿足可靠性要求；控制箱的電連接器都有防松措施，滿足可靠性要求；控制箱箱體材料采用的不銹鋼能夠耐腐蝕，保證了控制箱的功能、性能，滿足可靠性要求。

3.2 安全性分析

控制箱380 V供電電源線采用三相四線制，設(shè)有接地線，滿足安全性要求；控制箱防護(hù)等級(jí)為IP67，滿足安全性要求。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性分析

所選元器件均能滿足工作環(huán)境溫度要求；控制系統(tǒng)整體滿足三防要求，可以適應(yīng)各種使用環(huán)境。

3.4 維修性分析

控制箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于檢查和排故；外部接線采用電連接器的插座插頭形式，方便維修和更換損壞部件。

4 結(jié)論

油封車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮了先進(jìn)性、繼承性、合理性。基于PLC平臺(tái)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)全流程自動(dòng)化運(yùn)行，具有一定的創(chuàng)新性。對(duì)后續(xù)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。