內(nèi)燃機車柴機油自動補油控溫系統(tǒng)設(shè)計概述

靳永強 李江

摘 要 本文通過分析內(nèi)燃機車實際使用環(huán)境及潤滑油系統(tǒng)的運行條件，為解決機務(wù)系統(tǒng)冬季機車整備耗時多等具體問題設(shè)計了潤滑油自動預(yù)熱整備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括雙層保溫油箱、自動補油控溫系統(tǒng)及相關(guān)管路附件組成。

關(guān)鍵詞 內(nèi)燃機車;潤滑油;信號采集;控制

引言

為了使柴油機各運動部件在工作時具有良好的潤滑條件，提高柴油機運用的可靠性和耐久性，在內(nèi)燃機車上設(shè)置了柴機油系統(tǒng)。我國地域遼闊，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)鐵路電氣化線路運營里程短，所以內(nèi)燃機車運營數(shù)量較多。在國內(nèi)各型內(nèi)燃機車上普遍設(shè)計了油水預(yù)熱系統(tǒng)，將燃油、潤滑油和冷卻水進(jìn)行預(yù)熱，保證油水循環(huán)系統(tǒng)油溫、水溫達(dá)到啟機要求溫度值時進(jìn)行機車啟動操作。

因此，在冬季內(nèi)燃機車運營、檢修單位機車整備時，需要將內(nèi)燃機車潤滑油進(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，儲油罐中未設(shè)置液位、油溫、補油等控制系統(tǒng)，多數(shù)工作需要操作人員手動完成，油溫?zé)o法控制易造成過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界面設(shè)計了機車柴機油自動補油控溫系統(tǒng)。

1 保溫油箱設(shè)計

在國內(nèi)各型內(nèi)燃機車中一臺車需要添加約1200kg柴油機組潤滑油，而潤滑油供應(yīng)商以單桶170kg進(jìn)行整桶供應(yīng)，一臺車需要添加約7桶潤滑油，故保溫油箱容量大小設(shè)置按N×一臺車用量進(jìn)行設(shè)計。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)置加強筋，且密實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管，盤管材質(zhì)選用耐腐蝕不銹鋼無縫鋼管，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 自動補油控溫系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以PLC為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、用戶程序執(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實時采集變送顯示，通過A/D模塊將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC可識別的數(shù)字量信號傳送至PLC，PLC循環(huán)掃描用戶輸入并控制注油泵、卸油泵及電磁閥的啟停開閉，實現(xiàn)自動控制。

2.1 溫度信號采集

溫度傳感器能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號，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，根據(jù)金屬膨脹原理設(shè)計，隨著測溫環(huán)境中的溫度變化，測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，測溫范圍在-50℃～200℃。

2.2 液位信號采集

液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，常見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，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號。采用靜壓式液位傳感器，液位測量范圍在0～3m[2]。

2.3 流量信號采集

國內(nèi)各型內(nèi)燃機車普遍采用按美國LMOA（機車維修人員協(xié)會）分類的第四代機油，其運動粘度上限達(dá)19mm?/s，渦輪流量傳感器測量范圍寬、適用黏度大，滿足本設(shè)計要求。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，它處于信號檢測器的磁場中，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。

2.4 PLC自動控制電路

為提高機車潤滑油加熱、注卸油油箱的自動化程度，系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器進(jìn)行自動化控制。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關(guān)量輸入輸出點及模擬量信號輸入模塊，開關(guān)量信號輸入采用主令開關(guān)進(jìn)行控制，模擬量信號輸入采用PLC專用模擬量輸入模塊。在本設(shè)計中選用西門子S7-200型PLC，根據(jù)輸入輸出點數(shù)配置CPU 222型可編程邏輯控制器，CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點，并可連接2個擴展模塊;四路模擬量信號采用EM231專用模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中PLC作為執(zhí)行層面的控制器實時循環(huán)接收來自用戶的輸入，人機界面采用西門子Smart 700IE觸摸屏，作為用戶和系統(tǒng)交互的橋梁，通過串行接口與PLC進(jìn)行通訊，系統(tǒng)實時采集油箱油溫、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)的動作。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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專業(yè)編程軟件中進(jìn)行編程開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)工作過程描述如下：系統(tǒng)上電，PLC開機自檢，循環(huán)掃描執(zhí)行用戶程序，判斷是否有用戶指令輸入，若有油泵啟動、電磁閥開閉等指令，跳入相應(yīng)動作執(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，在實際應(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

通過基于PLC的潤滑油加熱保溫、注卸油控制系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)冬季在機車整備車間柴機油的恒溫存儲，提高內(nèi)燃機車整備速度;另外油箱液位控制功能，可實現(xiàn)油箱油位低提醒功能和卸油泵的停機控制，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[J].液壓與氣動，2010，（08）：66-67.

[2] 劉石紅.基于PLC控制技術(shù)的信號采集實現(xiàn)方法[J].科學(xué)時代，2019，（01）：102-103.

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

作者簡介

靳永強（1989-），男，青海西寧人;學(xué)歷：本科，工程師，現(xiàn)就職單位：中車蘭州機車有限公司，研究方向：機車行車安全控制技術(shù)及電傳動系統(tǒng)。