內燃機車柴機油自動補油控溫系統設計概述

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　　摘 要 本文通過分析內燃機車實際使用環境及潤滑油系統的運行條件，為解決機務系統冬季機車整備耗時多等具體問題設計了潤滑油自動預熱整備控制系統。該系統主要包括雙層保溫油箱、自動補油控溫系統及相關管路附件組成。
　　關鍵詞 內燃機車;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，在內燃機車上設置了柴機油系統。我國地域遼闊，從北到南氣候多變，尤其是在西北、東北等地區冬季天氣嚴寒，且因在東北、西北地區鐵路電氣化線路運營里程短，所以內燃機車運營數量較多。在國內各型內燃機車上普遍設計了油水預熱系統，將燃油、潤滑油和冷卻水進行預熱，保證油水循環系統油溫、水溫達到啟機要求溫度值時進行機車啟動操作。
　　因此，在冬季內燃機車運營、檢修單位機車整備時，需要將內燃機車潤滑油進行加熱保溫，而在多數應用環境中，僅配置有加熱油箱和注油泵、卸油泵，儲油罐中未設置液位、油溫、補油等控制系統，多數工作需要操作人員手動完成，油溫無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計了機車柴機油自動補油控溫系統。
　　1 保溫油箱設計
　　在國內各型內燃機車中一臺車需要添加約1200kg柴油機組潤滑油，而潤滑油供應商以單桶170kg進行整桶供應，一臺車需要添加約7桶潤滑油，故保溫油箱容量大小設置按N×一臺車用量進行設計。為增加保溫油箱的保溫效果和降低熱源的消耗，油箱選用雙層結構，材質為Q235B，內層厚度不小于5mm，外層厚度不小于3mm，內外層間設置加強筋，且密實填充硅酸鋁耐火保溫棉，保溫層的厚度不小于30mm。油箱內部根據加熱速率和溫度要求均勻排布蒸汽盤管，盤管材質選用耐腐蝕不銹鋼無縫鋼管，厚度不小于3mm。油箱注油、卸油采用上進下出結構，油箱頂部設置呼吸閥、底部設置排污閥[1]。
　　2 自動補油控溫系統設計
　　系統以PLC為核心進行數據采集、用戶程序執行。油箱內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模塊將采集的數據轉換成PLC可識別的數字量信號傳送至PLC，PLC循環掃描用戶輸入并控制注油泵、卸油泵及電磁閥的啟停開閉，實現自動控制。
　　2.1 溫度信號采集
　　溫度傳感器能感受溫度并轉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，根據金屬膨脹原理設計，隨著測溫環境中的溫度變化，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行量化表達成溫度值的變化。采用廣泛應用的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，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。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
　　國內各型內燃機車普遍采用按美國LMOA（機車維修人員協會）分類的第四代機油，其運動粘度上限達19mm?/s，渦輪流量傳感器測量范圍寬、適用黏度大，滿足本設計要求。渦輪流量傳感器中流體流經殼體，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動力矩，在力矩平衡后轉速穩定，轉速與流速成正比，葉片有導磁性，它處于信號檢測器的磁場中，旋轉的葉片切割磁力線，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，系統采用可編程邏輯控制器進行自動化控制。系統需配置注油泵控制、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量輸入輸出點及模擬量信號輸入模塊，開關量信號輸入采用主令開關進行控制，模擬量信號輸入采用PLC專用模擬量輸入模塊。在本設計中選用西門子S7-200型PLC，根據輸入輸出點數配置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專用模塊進行A/D轉換。系統中PLC作為執行層面的控制器實時循環接收來自用戶的輸入，人機界面采用西門子Smart 700IE觸摸屏，作為用戶和系統交互的橋梁，通過串行接口與PLC進行通訊，系統實時采集油箱油溫、液位、注卸油流量，主令輸入觸發PLC執行程序，并輸出給繼電器執行相應的動作。
　　2.5 系統軟件設計
　　Smart 700IE觸摸屏在WinCC flexible環境中進行組態，CPU 222型PLC在Step 7-Micro/Win專業編程軟件中進行編程開發設計。系統工作過程描述如下：系統上電，PLC開機自檢，循環掃描執行用戶程序，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，跳入相應動作執行程序，執行完畢，重新進入循環掃描模式。系統中涉及多路模擬量信號的采集變送，而油箱的應用環境較復雜，存在著電磁干擾的風險，在實際應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，不需要增加硬件設備僅采用相應的算法指令就可達到濾波效果[3]。
　　3 結束語
　　通過基于PLC的潤滑油加熱保溫、注卸油控制系統設計，可以實現冬季在機車整備車間柴機油的恒溫存儲，提高內燃機車整備速度;另外油箱液位控制功能，可實現油箱油位低提醒功能和卸油泵的停機控制，保護卸油泵防止空轉現象發生。
　　參考文獻
　　[1] 呂少力.一種新型的油箱結構設計[J].液壓與氣動，2010，（08）：66-67.
　　[2] 劉石紅.基于PLC控制技術的信號采集實現方法[J].科學時代，2019，（01）：102-103.
　　[3] 劉達德.東風4B型內燃機車結構原理檢修[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;學歷：本科，工程師，現就職單位：中車蘭州機車有限公司，研究方向：機車行車安全控制技術及電傳動系統。
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