礦用防爆柴油機三種自動保護裝置型式的比較分析

趙明崗

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆柴油機自動保護裝置的作用是當標準規(guī)定任一監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常(達到限值或設(shè)定值)時，自動停止柴油機運轉(zhuǎn)或阻止柴油機啟動[1-2]，從而保證防爆柴油機在煤礦危險環(huán)境下的使用安全。根據(jù)防爆柴油機的自動保護裝置以控制方式、信息采集和主要執(zhí)行元件的類型不同，其大致可分為機油保護裝置、氣保護裝置、電保護裝置三種型式。為確保礦用防爆柴油機安全使用，對三種保護裝置的進行分析研究。

1 機油保護裝置的原理

機油保護裝置常配置在進口礦用防爆柴油機上，如CAT3306、CAT3126、CAT3126DATE等[3]，其保護裝置原理如圖1所示。圖1中粗實線為機油保護管路，細虛實線為氣體輔助管路，柴油機保護管路和執(zhí)行機構(gòu)中的介質(zhì)是機油。啟動前要在保護管路中建立機油壓力，打開柴油關(guān)斷缸，接通柴油管路。

圖1 機油保護裝置原理圖

監(jiān)測參數(shù)異常時保護裝置動作過程：例如當柴油機水溫達到103 ℃時，水溫監(jiān)測閥打開，柴油關(guān)斷缸的機油，經(jīng)過先導(dǎo)開關(guān)-水位監(jiān)測閥，通過打開的水溫監(jiān)測閥釋放回機油箱，關(guān)斷缸活塞延伸，柴油路切斷，防爆柴油機斷油停機。

2 氣保護裝置的原理

國產(chǎn)防爆柴油機相當數(shù)量采用氣保護裝置[4-5]，如TY6121FB、TY4100FB、TY6132ZLFB等，保護裝置原理如圖2所示。保護管路和執(zhí)行機構(gòu)的介質(zhì)是壓縮氣體，啟動時壓縮氣體經(jīng)過1閥、3閥進入保護管路、打開燃油關(guān)斷缸和進氣關(guān)斷缸，接通柴油機燃油管路和進氣管道，柴油機具備啟動條件。柴油機啟動后機油泵開始工作，在機油壓力作用下，4閥動作換位→2閥動作換位→3閥動作換位，壓縮空氣經(jīng)4閥、3閥進入保護管路，替換啟動時，經(jīng)1閥的管路持續(xù)為保護管路提供壓縮氣體。

圖2 氣保護裝置原理圖

若被監(jiān)測的參數(shù)異常，該監(jiān)測閥動作須換位，從而保護管路的壓縮氣體通過該監(jiān)測閥釋放，關(guān)斷缸回位，柴油機斷油、斷氣停機。

3 電保護裝置的原理

電保護裝置于2008年首先應(yīng)用于國產(chǎn)防爆膠輪車的柴油機上[6]，經(jīng)過研究、試用、技術(shù)升級，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 電保護裝置原理框圖

柴油機各被監(jiān)測參數(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。啟動前監(jiān)測各數(shù)據(jù)時，通過內(nèi)部程序控制，隔絕機油壓力(低)產(chǎn)生停機命令，當檢測到柴油機轉(zhuǎn)速大于600 r/min時，機油壓力信號再接入常規(guī)保護檢測項目中。

在運行過程中，自動進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，實時顯示監(jiān)測的狀態(tài)量及參數(shù)。當監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定值或設(shè)備、元件斷線時，裝置發(fā)出聲光報警，顯示器顯示相應(yīng)的報警內(nèi)容，提示操作者某傳感元件故障或監(jiān)測量超標，并進行相應(yīng)的控制輸出。例如，當檢測到冷卻水溫、表面溫度、排氣溫度其中任何一項或幾項超過設(shè)定值時，或當檢測到最低水位時，保護裝置3 s內(nèi)聲光報警，持續(xù)30 s，若仍超限，斷氣電磁閥動作，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。此后保護裝置仍持續(xù)監(jiān)測并顯示各參數(shù)，如監(jiān)測到轉(zhuǎn)速為0，則電磁閥不再動作，否則在參數(shù)超限情況下，每30 s電磁閥動作10 s,直到停機或參數(shù)正常。

電保護裝置還具有故障自診斷功能，當傳感器出現(xiàn)故障或斷線時,可以顯示故障信息并聲光報警，但不停機。

4 三種保護裝置的比較分析

機油保護需要設(shè)置回油管路，啟動時要先通過機油增壓缸建立保護管路壓力，管路較多，比較復(fù)雜；執(zhí)行機構(gòu)沒有進氣關(guān)斷缸，僅有1個燃油關(guān)斷缸，存在安全隱患；保護管路介質(zhì)使用的是柴油機的潤滑機油，滲漏會影響柴油機潤滑和壽命。目前只有早期進口的防爆柴油機使用機油保護裝置。

氣保護裝置的缺點：在某項指標達到限值時會直接關(guān)停柴油機，沒有提前預(yù)警功能，無顯示，無記錄，不能查詢，需要駕駛員或維修人員逐項排查。沒有液位顯示/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)致有效運行時間減少。某些氣保護裝置雖然增加了冷卻水損失關(guān)斷測試、機油壓力損失關(guān)斷測試等，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，在因保護超標柴油機關(guān)機時無助于問題判斷。監(jiān)測元件為定量值[10]，誤差較大。元件不易選用正好合適的，如表面溫度限值150 ℃，因為沒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)測功能。

電保護裝置的優(yōu)點：可顯示，可記錄，可查詢，可在達到限值前提前報警，有助于駕駛?cè)藛T及時采取措施。多數(shù)電保護裝置擴展了水位和油位的顯示和低位報警功能，在補水箱和柴油箱內(nèi)，增加了液位傳感器，并將其以柱狀型式實時顯示在儀表盤上，液位低時發(fā)出聲光報警，提醒車輛駕駛?cè)藛T及時補充油和水，減少了因為缺水、缺油造成的假性故障停車。駕駛員直觀掌握油、水液位，可擇機補充，減少加油加水次數(shù)，延長車輛的實際運行時間。

氣保護裝置中，由于幾種保護項目要求的觸發(fā)溫度不同，需要幾種傳感器，在現(xiàn)場使用時不易識別，造成較大的安全隱患。電保護裝置溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)都是溫度信號，數(shù)據(jù)格式一樣，故規(guī)格型號一樣，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)場服務(wù)因錯裝傳感器而引起的保護項目錯誤動作，并且可擴展，可監(jiān)測柴油機轉(zhuǎn)速、車輛速度，記錄柴油機運行時間、車輛行駛里程等參數(shù)，對整車的運行時間、運行里程累積記錄，為車輛管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。管理者能及時準確地了解車輛實際使用率，準確提供車輛維護保養(yǎng)。

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

當前電保護裝置存在的問題：

1) 最終的停機執(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)，當傳感器故障損壞需要更換時，需要連同本安電纜一起更換，這些線路在裝配布置時，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記，但是由于線纜較長，需要重新綁扎，造成傳感器不易更換，現(xiàn)場維護難度較大。

3) 電池易饋電。停放數(shù)天后，再次啟動時需給電池充電。

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，笨重，通用性不強。

5 保護裝置選用和設(shè)計建議

選用何種保護裝置，需要綜合考慮防爆柴油機的啟動方式、整車參數(shù)監(jiān)控要求。早期防爆柴油機采用油壓啟動，執(zhí)行機構(gòu)也采用油缸，保護裝置自然選用機油保護裝置。氣啟動出現(xiàn)后，新設(shè)計防爆柴油機中機油保護裝置目前已較少采用。在2000年初，國產(chǎn)防爆柴油機采用氣馬達、氣啟動，設(shè)計了氣保護裝置，啟動與保護一體設(shè)計，一時廣泛采用。國產(chǎn)的氣動保護裝置偶爾會發(fā)生誤動作，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，誤保護在路面有坡度變化或顛簸時發(fā)生較多，分析是因為廢氣處理箱水位保護機構(gòu)動作引起。機油保護裝置的低水位閥設(shè)置2個，且均裝有節(jié)流孔，能夠過濾掉車輛顛簸造成的影響。氣保護裝置僅有1個兩位三通閥，在遇到顛簸時，廢氣箱內(nèi)水產(chǎn)生類波浪運動，水位浮球上下波動，會觸發(fā)該保護產(chǎn)生誤判，造成停機。防爆柴油機采用氣保護裝置時，應(yīng)在該處設(shè)置節(jié)流閥，并調(diào)整節(jié)流開口大小，避免誤動作。另外可在各監(jiān)測傳感器釋放口設(shè)計指示器，停機時幫助判斷超限項目。

電保護裝置已在參數(shù)采集上實現(xiàn)了電氣化，還應(yīng)進一步實現(xiàn)執(zhí)行元件的電氣化防爆，如今電控防爆柴油機的出現(xiàn)，解決了電控斷油問題，要盡快實現(xiàn)進氣切斷閥電動替換。在選用設(shè)計時應(yīng)提高元件更換的方便性、可靠性。整車某些功能離不開“氣”，比如大功率柴油機的啟動目前沒有可靠的防爆電啟動馬達，離不開氣啟動馬達；某些整車布置空間受限，補水箱位置較低，需要氣體壓力為廢氣處理箱補充冷卻水。這種氣-電共存局面造成柴油機周圍管線更多。根據(jù)整車的設(shè)計要求，電保護裝置還應(yīng)能實現(xiàn)： 車載滅火系統(tǒng)啟動，防爆柴油機應(yīng)能自動熄火； 電保護裝置應(yīng)能控制車輛最高行駛速度； 可以實現(xiàn)車輛定位、數(shù)據(jù)上傳等功能。

6 結(jié)論

可滿足防爆柴油機保護項目和整機需求時，三種保護裝置均是可取的。無論選用哪種保護裝置，安裝管線布置要盡量遠離柴油機本體和熱源，布置整齊，易于識別更換。

電保護裝置要想完全取代氣保護，還有許多工作要做，其將在防爆柴油機和煤礦輔助運輸領(lǐng)域被賦予更多的功能要求。當前應(yīng)致力于提高防爆電氣元件的可靠性，解決執(zhí)行元件防爆問題，實現(xiàn)電保護裝置獨立執(zhí)行防爆柴油機的安全保護。