郝振興，劉金濤，朱永剛，王基月，康喜富

(1.鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司，山西 大同 037038)

引言

特種車(chē)輛、船舶、飛機(jī)及航天器等特種裝備的運(yùn)行，都離不開(kāi)燃油高效安全可靠的供應(yīng)，尤其對(duì)飛機(jī)和航天器而言，若燃料供應(yīng)不足，不僅不能完成作業(yè)任務(wù)，而且還會(huì)影響其壽命，甚至由此產(chǎn)生一系列較為嚴(yán)重的后果[1-3]。目前燃油加注設(shè)備種類(lèi)較多，但大多存在精度低、效率低、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題[4-5]，能滿(mǎn)足對(duì)易燃、易揮發(fā)、有毒等特殊要求的燃油進(jìn)行高效率、高安全可靠、高精度的自動(dòng)化加注設(shè)備少之又少。

在對(duì)油液加注裝置的研究方面，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了許多研究。美國(guó)研制的HPA150-210型和意大利研制的56-A型特種燃油加注裝置具有自動(dòng)化程度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，但是價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)且后期維修維護(hù)不便。董岱等[7]設(shè)計(jì)了一種油液自動(dòng)加注裝置，該裝置主要用于對(duì)車(chē)輪潤(rùn)滑油的加注，所加注的油液也不屬于有毒危險(xiǎn)性液體。趙銳等[8]研發(fā)了一種用于石蠟油灌裝的自動(dòng)加注裝置，但該加注裝置屬于固定式的，不能夠隨意移動(dòng)且石蠟油也屬于常規(guī)油液。王東陽(yáng)[9]設(shè)計(jì)了一種基于工控機(jī)的艦艇燃油自動(dòng)加注裝置，從而來(lái)為艦艇的作戰(zhàn)提供良好保障，但工控計(jì)算機(jī)體積相對(duì)較大。陳粒等[10]設(shè)計(jì)了一種用于液體發(fā)射藥火炮的自動(dòng)加注裝置，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的加注裝置加注精度高、加注速度快。何杰等[11]針對(duì)空中加油的對(duì)接問(wèn)題，對(duì)加油裝置的對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)特性分析和仿真驗(yàn)證了對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于某特種裝備的可移動(dòng)燃油自動(dòng)加注裝置，經(jīng)驗(yàn)證該裝置能夠高效、安全可靠的為某特種裝備進(jìn)行燃油(易燃、強(qiáng)揮發(fā)、強(qiáng)刺激、微毒)的自動(dòng)化加注。

1 加注裝置的總體設(shè)計(jì)

加注裝置的總體設(shè)計(jì)采取系統(tǒng)式的設(shè)計(jì)模式，主要包括機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要包括移動(dòng)平臺(tái)、艙體、加注單元；電控系統(tǒng)作為自動(dòng)化加注裝置的核心和靈魂，對(duì)加注單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加注等功能。

加注裝置將運(yùn)輸車(chē)作為移動(dòng)平臺(tái)，加注單元和電控系統(tǒng)置于艙體內(nèi)，將整個(gè)艙體置于移動(dòng)平臺(tái)上，從而形成一個(gè)移動(dòng)式的燃油自動(dòng)加注裝置，艙體內(nèi)同時(shí)配備有滅火器、鐵锨等附屬工具，艙體裝于移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)用鋼絲繩緊固，艙體還具備防爆功能。加注單元和電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分離式，以方便加注單元和電控系統(tǒng)的獨(dú)立分別安裝，從而提高工作效率，同時(shí)加注單元和電控系統(tǒng)也均按防爆要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以確保加注和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的安全，可移動(dòng)燃油自動(dòng)加注裝置的總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)用來(lái)運(yùn)輸和裝載艙體、加注單元及電控系統(tǒng)等器件，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 移動(dòng)平臺(tái)主要參數(shù)

2.2 艙體

艙體主要用于裝載加注單元和電控系統(tǒng)，艙體按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其三維外形圖如圖2所示。艙體頂部設(shè)有天窗，其位置與加注單元油箱的人孔口蓋和加注口正對(duì)。艙體底部設(shè)計(jì)有可拆卸輪子，以便于在地面上進(jìn)行短距離移動(dòng)。艙體具備較好的隔熱、抗鹽霧和抗腐蝕性能，對(duì)艙內(nèi)設(shè)備起到良好的保護(hù)和固定。

圖2 艙體三維外形圖

2.3 加注單元

加注單元用來(lái)對(duì)被試件進(jìn)行燃油的定量和非定量的加注及抽放等，由油箱和液壓回路組成，油箱和液壓回路的設(shè)計(jì)也采用分離式進(jìn)行設(shè)計(jì)。油箱用于對(duì)燃油進(jìn)行裝載和短期貯存，油箱的設(shè)計(jì)依據(jù)壓力容器有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，油箱容積2200 L，油箱中裝有防爆呼吸閥、磁翻板式液位傳感器、溫度傳感器等。油箱頂部設(shè)計(jì)有人孔口，通過(guò)該口對(duì)油箱內(nèi)部進(jìn)行檢查、清洗及元件安裝，平時(shí)用孔蓋進(jìn)行鎖緊，其外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 油箱外形示意圖

液壓回路由特種油泵、管路組件、閥門(mén)、過(guò)濾器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等組成，整個(gè)液壓回路統(tǒng)一安裝在柜體之中，柜體外殼留有與油箱、電控系統(tǒng)相互連接的接口。

特種油泵選用變量葉片泵，該泵工作壓力最高可達(dá)1.6 MPa，輸出流量最大可達(dá)32 L/min，與其配套的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為1 kW，轉(zhuǎn)速高達(dá)1400 r/min，電壓為AC 380 V；電磁閥選用DN 25，DC 24 V的常閉型活塞式電磁閥；過(guò)濾器選用DN 25、過(guò)濾精度為5 μm的紙質(zhì)濾芯式過(guò)濾器，能夠確保燃油加注時(shí)的潔凈度。加注單元整體液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1、2、7.截止閥 3、5、14-16.電磁閥 4.油箱 6.呼吸閥 8.液位計(jì) 9、20.溫度計(jì) 10、12、18.過(guò)濾器 11.特種油泵 13、19.壓力傳感器 17.流量計(jì)

通過(guò)PLC對(duì)加注單元液壓系統(tǒng)的5個(gè)電磁閥的邏輯控制、流量采集計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)加注單元不同工況下的燃油自動(dòng)加注。當(dāng)電磁閥3和15被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)由加注裝置油箱向被試件產(chǎn)品進(jìn)行定量加注；當(dāng)電磁閥5和15被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)由外部其他容器向被試件產(chǎn)品進(jìn)行定量加注；當(dāng)電磁閥5和14被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)由外部其他容器向加注裝置油箱進(jìn)行非定量加注；當(dāng)電磁閥5和16被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)由外部其他容器向被試件產(chǎn)品進(jìn)行非定量加注；當(dāng)電磁閥3和16被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)由加注裝置油箱向被試件產(chǎn)品進(jìn)行非定量加注；當(dāng)電磁閥3和14被打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)加注裝置的自循環(huán)，對(duì)燃油進(jìn)行過(guò)濾。

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要有PLC及其擴(kuò)展模塊、變頻器、傳感器、電磁閥、觸摸屏等組成，其組成結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖

PLC及其擴(kuò)展模塊、變頻器、觸摸屏統(tǒng)一安裝在防爆電控柜中，同時(shí)電控柜中裝有用于采集各傳感器和控制各電磁閥的接線(xiàn)端子等電控附件。流量計(jì)與PLC基于Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信完成對(duì)燃油流量的采集，觸摸屏和PLC基于以太網(wǎng)通信對(duì)加注裝置進(jìn)行智能操控。

“原來(lái)還真有這個(gè)鳥(niǎo)窩大師啊，我聽(tīng)人講玄奘大師西行取經(jīng)時(shí)，遇到一個(gè)烏巢禪師，是他的師兄嗎？”星雨已破涕微笑。

根據(jù)被控電磁閥數(shù)量、傳感器數(shù)量、變頻器數(shù)量及相關(guān)要求對(duì)PLC及其擴(kuò)展模塊、觸摸屏進(jìn)行選型，本設(shè)計(jì)選用1個(gè)S7-200 Smart ST30 西門(mén)子PLC、2個(gè)EM AM06擴(kuò)展模塊，1塊Smart 1000 IEV3觸摸屏。該P(yáng)LC具備性?xún)r(jià)比高、可靠性高、效率高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12]，其板載18DI，12DO，EM AM06擴(kuò)展模塊含有4AI，2AO，完全能滿(mǎn)足硬件設(shè)計(jì)需求，而且其接口有一定的冗余，一旦原有接口出現(xiàn)故障，可快速進(jìn)行接口更換，從而快速解決故障確保設(shè)備高效運(yùn)行，其輸入輸出接口分配表如表2所示。

表2 輸入/輸出接口分配表

電控系統(tǒng)主要用于對(duì)各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各電磁閥以及變頻器進(jìn)行控制，以使加注裝置對(duì)被試件完成智能加注的任務(wù)，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 電控系統(tǒng)電氣原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)兩部分[13]。

由于梯形圖具有容易上手、修改方便、直觀易懂等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于PLC的程序設(shè)計(jì)中。因此，本加注裝置的電控系統(tǒng)通過(guò)STEP7-Micro/WIN S-MART編寫(xiě)軟件進(jìn)行了PLC的梯形圖程序設(shè)計(jì)，梯形圖程序由主程序、初始化子程序、模擬量換算子程序、模擬量顯示子程序、電磁閥控制子程序、流量計(jì)通信采集子程序、油箱液位容積計(jì)算子程序、模擬量采集中斷程序及有關(guān)庫(kù)文件程序組成。通過(guò)主程序?qū)Ω髯映绦蚝椭袛喑绦蜻M(jìn)行調(diào)用，以完成自動(dòng)加注的任務(wù)。程序執(zhí)行時(shí)，首先初始化子程序?qū)⒐苈烦隹趬毫O限值送到相應(yīng)的保持寄存器中，然后通過(guò)中斷指令定時(shí)調(diào)用模擬量采集中斷程序，中斷程序?qū)⒏鳒囟?、壓力、液位值傳送到各自的保持寄存器中；再次?zhí)行模擬量換算和模擬量顯示子程序來(lái)實(shí)時(shí)采集顯示溫度、壓力、液位的實(shí)際物理量值；接著執(zhí)行流量計(jì)通信采集子程序和油箱液位容積計(jì)算子程序；最后根據(jù)用戶(hù)選定工況和采集到的各物理參數(shù)值執(zhí)行電磁閥控制子程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的自動(dòng)加注等功能，電控系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 電控系統(tǒng)流程圖

人機(jī)交互操控界面由觸摸屏編寫(xiě)軟件WinCC flexible SMART V3進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)界面可以形象直觀地實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警指示并自動(dòng)停機(jī)、手動(dòng)加注、自動(dòng)加注、數(shù)據(jù)報(bào)表生成及功能幫助等功能。

4 燃油自動(dòng)加注裝置測(cè)試

設(shè)備完成機(jī)裝和電裝后，為了驗(yàn)證其穩(wěn)定性及可靠性，通過(guò)上位機(jī)觸摸屏中的人機(jī)交互界面對(duì)設(shè)計(jì)的可移動(dòng)燃油自動(dòng)加注裝置進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，其人機(jī)交互界面如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互控制界面

設(shè)備上電后，通過(guò)觸摸屏依次選擇工況“由外部容器向加注裝置油箱非定量加注”、“由外部容器向產(chǎn)品非定量加注”、“由加注裝置油箱向產(chǎn)品非定量加注”以及“自循環(huán)”，然后點(diǎn)擊界面上的“加注開(kāi)始”按鈕，當(dāng)無(wú)需加注時(shí)，點(diǎn)擊“加注停止”按鈕設(shè)備恢復(fù)原狀，同時(shí)在加注過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況，可點(diǎn)擊“增速”和“減速”按鈕對(duì)加注速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)試按上述各工況進(jìn)行加注時(shí)，其功能均正常，且加注壓力在0.05～0.45 MPa之間可調(diào)，滿(mǎn)足技術(shù)要求，圖9為加注試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，燃油自動(dòng)加注裝置實(shí)物如圖10所示。

圖9 加注試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖10 燃油自動(dòng)加注裝置

非定量加注和自循環(huán)測(cè)試完畢后，還需對(duì)定量加注進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。設(shè)備上電后，通過(guò)觸摸屏依次選擇工況 “由外部容器向產(chǎn)品定量加注”和“由加注裝置油箱向產(chǎn)品定量加注”，然后依次選擇“按質(zhì)量加注”和“按體積加注”，輸入設(shè)定值后，點(diǎn)擊“加注開(kāi)始”按鈕，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止加注，同時(shí)在加注過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況，可點(diǎn)擊“增速”和“減速”按鈕對(duì)加注速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)試按上述工況進(jìn)行定量加注時(shí)，均能正常使用，表3為“由加注裝置油箱向產(chǎn)品定量加注”時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 定量加注測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

針對(duì)某特種裝備缺少高效安全可靠的燃油自動(dòng)化加注裝置的問(wèn)題，分析現(xiàn)有相關(guān)自動(dòng)加注裝置的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)燃油自動(dòng)加注裝置，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性和可行性。主要結(jié)論如下：

(1)自動(dòng)加注裝置按防爆要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的安全性，并通過(guò)手動(dòng)加注、自動(dòng)加注等測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性和可行性，具備良好的工程應(yīng)用價(jià)值；

(2)自動(dòng)加注裝置基于觸摸屏和PLC控制，提高了設(shè)計(jì)效率和加注效率，可靠性高、自動(dòng)化程度高，為相關(guān)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)提供了一定的參考；

(3)按質(zhì)量和體積定量加注時(shí)，定量精度高，相對(duì)誤差均保持在±0.3%的范圍內(nèi)，定量誤差滿(mǎn)足了小于±1%的設(shè)計(jì)要求。