礦用防爆柴油機(jī)三種自動(dòng)保護(hù)裝置型式的比較分析

趙明崗

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆柴油機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置的作用是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定任一監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常(達(dá)到限值或設(shè)定值)時(shí)，自動(dòng)停止柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或阻止柴油機(jī)啟動(dòng)[1-2]，從而保證防爆柴油機(jī)在煤礦危險(xiǎn)環(huán)境下的使用安全。根據(jù)防爆柴油機(jī)的自動(dòng)保護(hù)裝置以控制方式、信息采集和主要執(zhí)行元件的類型不同，其大致可分為機(jī)油保護(hù)裝置、氣保護(hù)裝置、電保護(hù)裝置三種型式。為確保礦用防爆柴油機(jī)安全使用，對(duì)三種保護(hù)裝置的進(jìn)行分析研究。

1 機(jī)油保護(hù)裝置的原理

機(jī)油保護(hù)裝置常配置在進(jìn)口礦用防爆柴油機(jī)上，如CAT3306、CAT3126、CAT3126DATE等[3]，其保護(hù)裝置原理如圖1所示。圖1中粗實(shí)線為機(jī)油保護(hù)管路，細(xì)虛實(shí)線為氣體輔助管路，柴油機(jī)保護(hù)管路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的介質(zhì)是機(jī)油。啟動(dòng)前要在保護(hù)管路中建立機(jī)油壓力，打開(kāi)柴油關(guān)斷缸，接通柴油管路。

圖1 機(jī)油保護(hù)裝置原理圖

監(jiān)測(cè)參數(shù)異常時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作過(guò)程：例如當(dāng)柴油機(jī)水溫達(dá)到103 ℃時(shí)，水溫監(jiān)測(cè)閥打開(kāi)，柴油關(guān)斷缸的機(jī)油，經(jīng)過(guò)先導(dǎo)開(kāi)關(guān)-水位監(jiān)測(cè)閥，通過(guò)打開(kāi)的水溫監(jiān)測(cè)閥釋放回機(jī)油箱，關(guān)斷缸活塞延伸，柴油路切斷，防爆柴油機(jī)斷油停機(jī)。

2 氣保護(hù)裝置的原理

國(guó)產(chǎn)防爆柴油機(jī)相當(dāng)數(shù)量采用氣保護(hù)裝置[4-5]，如TY6121FB、TY4100FB、TY6132ZLFB等，保護(hù)裝置原理如圖2所示。保護(hù)管路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的介質(zhì)是壓縮氣體，啟動(dòng)時(shí)壓縮氣體經(jīng)過(guò)1閥、3閥進(jìn)入保護(hù)管路、打開(kāi)燃油關(guān)斷缸和進(jìn)氣關(guān)斷缸，接通柴油機(jī)燃油管路和進(jìn)氣管道，柴油機(jī)具備啟動(dòng)條件。柴油機(jī)啟動(dòng)后機(jī)油泵開(kāi)始工作，在機(jī)油壓力作用下，4閥動(dòng)作換位→2閥動(dòng)作換位→3閥動(dòng)作換位，壓縮空氣經(jīng)4閥、3閥進(jìn)入保護(hù)管路，替換啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)1閥的管路持續(xù)為保護(hù)管路提供壓縮氣體。

圖2 氣保護(hù)裝置原理圖

若被監(jiān)測(cè)的參數(shù)異常，該監(jiān)測(cè)閥動(dòng)作須換位，從而保護(hù)管路的壓縮氣體通過(guò)該監(jiān)測(cè)閥釋放，關(guān)斷缸回位，柴油機(jī)斷油、斷氣停機(jī)。

3 電保護(hù)裝置的原理

電保護(hù)裝置于2008年首先應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)防爆膠輪車的柴油機(jī)上[6]，經(jīng)過(guò)研究、試用、技術(shù)升級(jí)，逐漸成熟，應(yīng)用已較為廣泛[7-9]，其基本原理如圖3所示。

圖3 電保護(hù)裝置原理框圖

柴油機(jī)各被監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)在采集處理后，由控制模塊與各限值比較判斷，并發(fā)送到顯示單元。啟動(dòng)前監(jiān)測(cè)各數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)內(nèi)部程序控制，隔絕機(jī)油壓力(低)產(chǎn)生停機(jī)命令，當(dāng)檢測(cè)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于600 r/min時(shí)，機(jī)油壓力信號(hào)再接入常規(guī)保護(hù)檢測(cè)項(xiàng)目中。

在運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的狀態(tài)量及參數(shù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值或設(shè)備、元件斷線時(shí)，裝置發(fā)出聲光報(bào)警，顯示器顯示相應(yīng)的報(bào)警內(nèi)容，提示操作者某傳感元件故障或監(jiān)測(cè)量超標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制輸出。例如，當(dāng)檢測(cè)到冷卻水溫、表面溫度、排氣溫度其中任何一項(xiàng)或幾項(xiàng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，或當(dāng)檢測(cè)到最低水位時(shí)，保護(hù)裝置3 s內(nèi)聲光報(bào)警，持續(xù)30 s，若仍超限，斷氣電磁閥動(dòng)作，釋放關(guān)斷缸的壓縮氣體10 s(轉(zhuǎn)速≥設(shè)定值1的情況下)，然后閉合。此后保護(hù)裝置仍持續(xù)監(jiān)測(cè)并顯示各參數(shù)，如監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速為0，則電磁閥不再動(dòng)作，否則在參數(shù)超限情況下，每30 s電磁閥動(dòng)作10 s,直到停機(jī)或參數(shù)正常。

電保護(hù)裝置還具有故障自診斷功能，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障或斷線時(shí),可以顯示故障信息并聲光報(bào)警，但不停機(jī)。

4 三種保護(hù)裝置的比較分析

機(jī)油保護(hù)需要設(shè)置回油管路，啟動(dòng)時(shí)要先通過(guò)機(jī)油增壓缸建立保護(hù)管路壓力，管路較多，比較復(fù)雜；執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)氣關(guān)斷缸，僅有1個(gè)燃油關(guān)斷缸，存在安全隱患；保護(hù)管路介質(zhì)使用的是柴油機(jī)的潤(rùn)滑機(jī)油，滲漏會(huì)影響柴油機(jī)潤(rùn)滑和壽命。目前只有早期進(jìn)口的防爆柴油機(jī)使用機(jī)油保護(hù)裝置。

氣保護(hù)裝置的缺點(diǎn)：在某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到限值時(shí)會(huì)直接關(guān)停柴油機(jī)，沒(méi)有提前預(yù)警功能，無(wú)顯示，無(wú)記錄，不能查詢，需要駕駛員或維修人員逐項(xiàng)排查。沒(méi)有液位顯示/提示功能，需要駕駛?cè)藛T自行目視檢查，駕駛?cè)藫?dān)心缺油少水，加油加水的頻率較高，導(dǎo)致有效運(yùn)行時(shí)間減少。某些氣保護(hù)裝置雖然增加了冷卻水損失關(guān)斷測(cè)試、機(jī)油壓力損失關(guān)斷測(cè)試等，但僅能幫助判斷該壓力參數(shù)管路是否正常、閥塊是否完好，在因保護(hù)超標(biāo)柴油機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)無(wú)助于問(wèn)題判斷。監(jiān)測(cè)元件為定量值[10]，誤差較大。元件不易選用正好合適的，如表面溫度限值150 ℃，因?yàn)闆](méi)有相近的溫度傳感器，只能選擇118 ℃?zhèn)鞲衅鳎荒艹浞职l(fā)揮監(jiān)測(cè)功能。

電保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)：可顯示，可記錄，可查詢，可在達(dá)到限值前提前報(bào)警，有助于駕駛?cè)藛T及時(shí)采取措施。多數(shù)電保護(hù)裝置擴(kuò)展了水位和油位的顯示和低位報(bào)警功能，在補(bǔ)水箱和柴油箱內(nèi)，增加了液位傳感器，并將其以柱狀型式實(shí)時(shí)顯示在儀表盤上，液位低時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒車輛駕駛?cè)藛T及時(shí)補(bǔ)充油和水，減少了因?yàn)槿彼⑷庇驮斐傻募傩怨收贤＼?。駕駛員直觀掌握油、水液位，可擇機(jī)補(bǔ)充，減少加油加水次數(shù)，延長(zhǎng)車輛的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。

氣保護(hù)裝置中，由于幾種保護(hù)項(xiàng)目要求的觸發(fā)溫度不同，需要幾種傳感器，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)不易識(shí)別，造成較大的安全隱患。電保護(hù)裝置溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)都是溫度信號(hào)，數(shù)據(jù)格式一樣，故規(guī)格型號(hào)一樣，觸發(fā)判斷由智能控制單元根據(jù)其所監(jiān)視的參數(shù)而判定，避免了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)因錯(cuò)裝傳感器而引起的保護(hù)項(xiàng)目錯(cuò)誤動(dòng)作，并且可擴(kuò)展，可監(jiān)測(cè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛速度，記錄柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間、車輛行駛里程等參數(shù)，對(duì)整車的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行里程累積記錄，為車輛管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。管理者能及時(shí)準(zhǔn)確地了解車輛實(shí)際使用率，準(zhǔn)確提供車輛維護(hù)保養(yǎng)。

以智能控制單元為核心，采集模塊，輸出模塊均可擴(kuò)展，是研究未來(lái)井下智能化無(wú)人駕駛車輛必不可少的基本構(gòu)成部分。

當(dāng)前電保護(hù)裝置存在的問(wèn)題：

1) 最終的停機(jī)執(zhí)行元件是氣缸，造成管線冗余交叉，增大故障發(fā)生率。

2) 傳感器與本安電纜之間為膠封結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器故障損壞需要更換時(shí)，需要連同本安電纜一起更換，這些線路在裝配布置時(shí)，都是數(shù)條線纜捆扎在一起的，規(guī)范的裝配雖然在每根線纜的兩端都有標(biāo)記，但是由于線纜較長(zhǎng)，需要重新綁扎，造成傳感器不易更換，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難度較大。

3) 電池易饋電。停放數(shù)天后，再次啟動(dòng)時(shí)需給電池充電。

4) 液位傳感器采用的是浮球感應(yīng)型式，液位采集高度不同，需要專門設(shè)計(jì)，笨重，通用性不強(qiáng)。

5 保護(hù)裝置選用和設(shè)計(jì)建議

選用何種保護(hù)裝置，需要綜合考慮防爆柴油機(jī)的啟動(dòng)方式、整車參數(shù)監(jiān)控要求。早期防爆柴油機(jī)采用油壓?jiǎn)?dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用油缸，保護(hù)裝置自然選用機(jī)油保護(hù)裝置。氣啟動(dòng)出現(xiàn)后，新設(shè)計(jì)防爆柴油機(jī)中機(jī)油保護(hù)裝置目前已較少采用。在2000年初，國(guó)產(chǎn)防爆柴油機(jī)采用氣馬達(dá)、氣啟動(dòng)，設(shè)計(jì)了氣保護(hù)裝置，啟動(dòng)與保護(hù)一體設(shè)計(jì)，一時(shí)廣泛采用。國(guó)產(chǎn)的氣動(dòng)保護(hù)裝置偶爾會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，誤保護(hù)在路面有坡度變化或顛簸時(shí)發(fā)生較多，分析是因?yàn)閺U氣處理箱水位保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作引起。機(jī)油保護(hù)裝置的低水位閥設(shè)置2個(gè)，且均裝有節(jié)流孔，能夠過(guò)濾掉車輛顛簸造成的影響。氣保護(hù)裝置僅有1個(gè)兩位三通閥，在遇到顛簸時(shí)，廢氣箱內(nèi)水產(chǎn)生類波浪運(yùn)動(dòng)，水位浮球上下波動(dòng)，會(huì)觸發(fā)該保護(hù)產(chǎn)生誤判，造成停機(jī)。防爆柴油機(jī)采用氣保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)在該處設(shè)置節(jié)流閥，并調(diào)整節(jié)流開(kāi)口大小，避免誤動(dòng)作。另外可在各監(jiān)測(cè)傳感器釋放口設(shè)計(jì)指示器，停機(jī)時(shí)幫助判斷超限項(xiàng)目。

電保護(hù)裝置已在參數(shù)采集上實(shí)現(xiàn)了電氣化，還應(yīng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的電氣化防爆，如今電控防爆柴油機(jī)的出現(xiàn)，解決了電控?cái)嘤蛦?wèn)題，要盡快實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣切斷閥電動(dòng)替換。在選用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高元件更換的方便性、可靠性。整車某些功能離不開(kāi)“氣”，比如大功率柴油機(jī)的啟動(dòng)目前沒(méi)有可靠的防爆電啟動(dòng)馬達(dá)，離不開(kāi)氣啟動(dòng)馬達(dá)；某些整車布置空間受限，補(bǔ)水箱位置較低，需要?dú)怏w壓力為廢氣處理箱補(bǔ)充冷卻水。這種氣-電共存局面造成柴油機(jī)周圍管線更多。根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求，電保護(hù)裝置還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)： 車載滅火系統(tǒng)啟動(dòng)，防爆柴油機(jī)應(yīng)能自動(dòng)熄火； 電保護(hù)裝置應(yīng)能控制車輛最高行駛速度； 可以實(shí)現(xiàn)車輛定位、數(shù)據(jù)上傳等功能。

6 結(jié)論

可滿足防爆柴油機(jī)保護(hù)項(xiàng)目和整機(jī)需求時(shí)，三種保護(hù)裝置均是可取的。無(wú)論選用哪種保護(hù)裝置，安裝管線布置要盡量遠(yuǎn)離柴油機(jī)本體和熱源，布置整齊，易于識(shí)別更換。

電保護(hù)裝置要想完全取代氣保護(hù)，還有許多工作要做，其將在防爆柴油機(jī)和煤礦輔助運(yùn)輸領(lǐng)域被賦予更多的功能要求。當(dāng)前應(yīng)致力于提高防爆電氣元件的可靠性，解決執(zhí)行元件防爆問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電保護(hù)裝置獨(dú)立執(zhí)行防爆柴油機(jī)的安全保護(hù)。