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内燃机车柴机油自动补油控温系统设计概述

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  摘 要 本文通过分析内燃机车实际使用环境及润滑油系统的运行条件,为解决机务系统冬季机车整备耗时多等具体问题设计了润滑油自动预热整备控制系统。该系统主要包括双层保温油箱、自动补油控温系统及相关管路附件组成。
  关键词 内燃机车;润滑油;信号采集;控制
  引言
  为了使柴油机各运动部件在工作时具有良好的润滑条件,提高柴油机运用的可靠性和耐久性,在内燃机车上设置了柴机油系统。我国地域辽阔,从北到南气候多变,尤其是在西北、東北等地区冬季天气严寒,且因在东北、西北地区铁路电气化线路运营里程短,所以内燃机车运营数量较多。在国内各型内燃机车上普遍设计了油水预热系统,将燃油、润滑油和冷却水进行预热,保证油水循环系统油温、水温达到启机要求温度值时进行机车启动操作。
  因此,在冬季内燃机车运营、检修单位机车整备时,需要将内燃机车润滑油进行加热保温,而在多数应用环境中,仅配置有加热油箱和注油泵、卸油泵,储油罐中未设置液位、油温、补油等控制系统,多数工作需要操作人员手动完成,油温无法控制易造成过热或低于额定加注条件。本文使用可编程逻辑控制器、控制量采集传感器和人机界面设计了机车柴机油自动补油控温系统。
  1 保温油箱设计
  在国内各型内燃机车中一台车需要添加约1200kg柴油机组润滑油,而润滑油供应商以单桶170kg进行整桶供应,一台车需要添加约7桶润滑油,故保温油箱容量大小设置按N×一台车用量进行设计。为增加保温油箱的保温效果和降低热源的消耗,油箱选用双层结构,材质为Q235B,内层厚度不小于5mm,外层厚度不小于3mm,内外层间设置加强筋,且密实填充硅酸铝耐火保温棉,保温层的厚度不小于30mm。油箱内部根据加热速率和温度要求均匀排布蒸汽盘管,盘管材质选用耐腐蚀不锈钢无缝钢管,厚度不小于3mm。油箱注油、卸油采用上进下出结构,油箱顶部设置呼吸阀、底部设置排污阀[1]。
  2 自动补油控温系统设计
  系统以PLC为核心进行数据采集、用户程序执行。油箱内部安装温度和液位探头、注油和卸油管道安装涡轮流量传感器,进行油位、油温、注卸油量等模拟量信号实时采集变送显示,通过A/D模块将采集的数据转换成PLC可识别的数字量信号传送至PLC,PLC循环扫描用户输入并控制注油泵、卸油泵及电磁阀的启停开闭,实现自动控制。
  2.1 温度信号采集
  温度传感器能感受温度并转换成可用的输出信号,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类,根据金属膨胀原理设计,随着测温环境中的温度变化,测温传感器金属材料的外形变化而形成电阻值或电位差变化,把不同的电阻值或电位差进行量化表达成温度值的变化。采用广泛应用的Pt100热电阻型温度传感器,测温范围在-50℃~200℃。
  2.2 液位信号采集
  液位传感器是一种测量液位的压力传感器,常见的有浮筒式液位传感器、浮球式液位传感器和静压式液位传感器。静压式液位传感器利用所测液体静压与该液体的高度成比例的原理,采用先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号。采用静压式液位传感器,液位测量范围在0~3m[2]。
  2.3 流量信号采集
  国内各型内燃机车普遍采用按美国LMOA(机车维修人员协会)分类的第四代机油,其运动粘度上限达19mm?/s,涡轮流量传感器测量范围宽、适用黏度大,满足本设计要求。涡轮流量传感器中流体流经壳体,由于叶轮的叶片与流向有一定的角度,流体的冲力使叶片具有转动力矩,在力矩平衡后转速稳定,转速与流速成正比,叶片有导磁性,它处于信号检测器的磁场中,旋转的叶片切割磁力线,周期性地改变着线圈的磁通量,从而使线圈两端感应出电脉冲信号。
  2.4 PLC自动控制电路
  为提高机车润滑油加热、注卸油油箱的自动化程度,系统采用可编程逻辑控制器进行自动化控制。系统需配置注油泵控制、卸油泵控制、蒸汽输入电磁阀控制、注卸油管道电磁阀控制等开关量输入输出点及模拟量信号输入模块,开关量信号输入采用主令开关进行控制,模拟量信号输入采用PLC专用模拟量输入模块。在本设计中选用西门子S7-200型PLC,根据输入输出点数配置CPU 222型可编程逻辑控制器,CPU 222具有8个输入点和6个输出点,并可连接2个扩展模块;四路模拟量信号采用EM231专用模块进行A/D转换。系统中PLC作为执行层面的控制器实时循环接收来自用户的输入,人机界面采用西门子Smart 700IE触摸屏,作为用户和系统交互的桥梁,通过串行接口与PLC进行通讯,系统实时采集油箱油温、液位、注卸油流量,主令输入触发PLC执行程序,并输出给继电器执行相应的动作。
  2.5 系统软件设计
  Smart 700IE触摸屏在WinCC flexible环境中进行组态,CPU 222型PLC在Step 7-Micro/Win专业编程软件中进行编程开发设计。系统工作过程描述如下:系统上电,PLC开机自检,循环扫描执行用户程序,判断是否有用户指令输入,若有油泵启动、电磁阀开闭等指令,跳入相应动作执行程序,执行完毕,重新进入循环扫描模式。系统中涉及多路模拟量信号的采集变送,而油箱的应用环境较复杂,存在着电磁干扰的风险,在实际应用中多采用软件方法消除电磁干扰,常用的软件电磁干扰消除方法有:平均值滤波法、中值滤波法和惯性滤波法,不需要增加硬件设备仅采用相应的算法指令就可达到滤波效果[3]。
  3 结束语
  通过基于PLC的润滑油加热保温、注卸油控制系统设计,可以实现冬季在机车整备车间柴机油的恒温存储,提高内燃机车整备速度;另外油箱液位控制功能,可实现油箱油位低提醒功能和卸油泵的停机控制,保护卸油泵防止空转现象发生。
  参考文献
  [1] 吕少力.一种新型的油箱结构设计[J].液压与气动,2010,(08):66-67.
  [2] 刘石红.基于PLC控制技术的信号采集实现方法[J].科学时代,2019,(01):102-103.
  [3] 刘达德.东风4B型内燃机车结构原理检修[M].北京:中国铁道出版社,2013:89.
  作者简介
  靳永强(1989-),男,青海西宁人;学历:本科,工程师,现就职单位:中车兰州机车有限公司,研究方向:机车行车安全控制技术及电传动系统。
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