郝振興，劉金濤，朱永剛，王基月，康喜富

(1.鄭州科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450064；2.中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038)

引言

特種車輛、船舶、飛機及航天器等特種裝備的運行，都離不開燃油高效安全可靠的供應，尤其對飛機和航天器而言，若燃料供應不足，不僅不能完成作業(yè)任務，而且還會影響其壽命，甚至由此產(chǎn)生一系列較為嚴重的后果[1-3]。目前燃油加注設備種類較多，但大多存在精度低、效率低、自動化程度不高等問題[4-5]，能滿足對易燃、易揮發(fā)、有毒等特殊要求的燃油進行高效率、高安全可靠、高精度的自動化加注設備少之又少。

在對油液加注裝置的研究方面，國內(nèi)外科研人員進行了許多研究。美國研制的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化程度高、精度高等優(yōu)點[6]，但是價格昂貴，供貨周期長且后期維修維護不便。董岱等[7]設計了一種油液自動加注裝置，該裝置主要用于對車輪潤滑油的加注，所加注的油液也不屬于有毒危險性液體。趙銳等[8]研發(fā)了一種用于石蠟油灌裝的自動加注裝置，但該加注裝置屬于固定式的，不能夠隨意移動且石蠟油也屬于常規(guī)油液。王東陽[9]設計了一種基于工控機的艦艇燃油自動加注裝置，從而來為艦艇的作戰(zhàn)提供良好保障，但工控計算機體積相對較大。陳粒等[10]設計了一種用于液體發(fā)射藥火炮的自動加注裝置，并對其進行了仿真研究，通過仿真驗證了所設計的加注裝置加注精度高、加注速度快。何杰等[11]針對空中加油的對接問題，對加油裝置的對接機構(gòu)進行了設計，并通過動力學特性分析和仿真驗證了對接機構(gòu)設計的合理性。

針對以上問題，本研究設計了一種應用于某特種裝備的可移動燃油自動加注裝置，經(jīng)驗證該裝置能夠高效、安全可靠的為某特種裝備進行燃油(易燃、強揮發(fā)、強刺激、微毒)的自動化加注。

1 加注裝置的總體設計

加注裝置的總體設計采取系統(tǒng)式的設計模式，主要包括機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。機械系統(tǒng)主要包括移動平臺、艙體、加注單元；電控系統(tǒng)作為自動化加注裝置的核心和靈魂，對加注單元進行實時數(shù)據(jù)采集和控制，以實現(xiàn)自動加注等功能。

加注裝置將運輸車作為移動平臺，加注單元和電控系統(tǒng)置于艙體內(nèi)，將整個艙體置于移動平臺上，從而形成一個移動式的燃油自動加注裝置，艙體內(nèi)同時配備有滅火器、鐵锨等附屬工具，艙體裝于移動平臺轉(zhuǎn)運時用鋼絲繩緊固，艙體還具備防爆功能。加注單元和電控系統(tǒng)的設計采用分離式，以方便加注單元和電控系統(tǒng)的獨立分別安裝，從而提高工作效率，同時加注單元和電控系統(tǒng)也均按防爆要求進行了設計，以確保加注和轉(zhuǎn)運時的安全，可移動燃油自動加注裝置的總體設計原理框圖如圖1所示。

2 機械系統(tǒng)設計

2.1 移動平臺

移動平臺用來運輸和裝載艙體、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 移動平臺主要參數(shù)

2.2 艙體

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

圖2 艙體三維外形圖

2.3 加注單元

加注單元用來對被試件進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計也采用分離式進行設計。油箱用于對燃油進行裝載和短期貯存，油箱的設計依據(jù)壓力容器有關(guān)標準，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。油箱頂部設計有人孔口，通過該口對油箱內(nèi)部進行檢查、清洗及元件安裝，平時用孔蓋進行鎖緊，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、過濾器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等組成，整個液壓回路統(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1.6 MPa，輸出流量最大可達32 L/min，與其配套的驅(qū)動電機的功率為1 kW，轉(zhuǎn)速高達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；過濾器選用DN 25、過濾精度為5 μm的紙質(zhì)濾芯式過濾器，能夠確保燃油加注時的潔凈度。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 9、20.溫度計 10、12、18.過濾器 11.特種油泵 13、19.壓力傳感器 17.流量計

通過PLC對加注單元液壓系統(tǒng)的5個電磁閥的邏輯控制、流量采集計算等，實現(xiàn)加注單元不同工況下的燃油自動加注。當電磁閥3和15被打開時，實現(xiàn)由加注裝置油箱向被試件產(chǎn)品進行定量加注；當電磁閥5和15被打開時，實現(xiàn)由外部其他容器向被試件產(chǎn)品進行定量加注；當電磁閥5和14被打開時，實現(xiàn)由外部其他容器向加注裝置油箱進行非定量加注；當電磁閥5和16被打開時，實現(xiàn)由外部其他容器向被試件產(chǎn)品進行非定量加注；當電磁閥3和16被打開時，實現(xiàn)由加注裝置油箱向被試件產(chǎn)品進行非定量加注；當電磁閥3和14被打開時，實現(xiàn)加注裝置的自循環(huán)，對燃油進行過濾。

3 電控系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件主要有PLC及其擴展模塊、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及其擴展模塊、變頻器、觸摸屏統(tǒng)一安裝在防爆電控柜中，同時電控柜中裝有用于采集各傳感器和控制各電磁閥的接線端子等電控附件。流量計與PLC基于Modbus通信協(xié)議進行通信完成對燃油流量的采集，觸摸屏和PLC基于以太網(wǎng)通信對加注裝置進行智能操控。

“原來還真有這個鳥窩大師啊，我聽人講玄奘大師西行取經(jīng)時，遇到一個烏巢禪師，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PLC及其擴展模塊、觸摸屏進行選型，本設計選用1個S7-200 Smart ST30 西門子PLC、2個EM AM06擴展模塊，1塊Smart 1000 IEV3觸摸屏。該PLC具備性價比高、可靠性高、效率高及抗干擾能力強等優(yōu)點[12]，其板載18DI，12DO，EM AM06擴展模塊含有4AI，2AO，完全能滿足硬件設計需求，而且其接口有一定的冗余，一旦原有接口出現(xiàn)故障，可快速進行接口更換，從而快速解決故障確保設備高效運行，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)主要用于對各傳感器進行數(shù)據(jù)采集，各電磁閥以及變頻器進行控制，以使加注裝置對被試件完成智能加注的任務，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 軟件設計

電控系統(tǒng)軟件設計包括PLC梯形圖程序設計和觸摸屏程序設計兩部分[13]。

由于梯形圖具有容易上手、修改方便、直觀易懂等特點，被廣泛應用于PLC的程序設計中。因此，本加注裝置的電控系統(tǒng)通過STEP7-Micro/WIN S-MART編寫軟件進行了PLC的梯形圖程序設計，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、流量計通信采集子程序、油箱液位容積計算子程序、模擬量采集中斷程序及有關(guān)庫文件程序組成。通過主程序?qū)Ω髯映绦蚝椭袛喑绦蜻M行調(diào)用，以完成自動加注的任務。程序執(zhí)行時，首先初始化子程序?qū)⒐苈烦隹趬毫O限值送到相應的保持寄存器中，然后通過中斷指令定時調(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實時采集顯示溫度、壓力、液位的實際物理量值；接著執(zhí)行流量計通信采集子程序和油箱液位容積計算子程序；最后根據(jù)用戶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，從而實現(xiàn)對燃油的自動加注等功能，電控系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 電控系統(tǒng)流程圖

人機交互操控界面由觸摸屏編寫軟件WinCC flexible SMART V3進行設計，通過人機界面可以形象直觀地實現(xiàn)對各參數(shù)進行實時監(jiān)測、故障報警指示并自動停機、手動加注、自動加注、數(shù)據(jù)報表生成及功能幫助等功能。

4 燃油自動加注裝置測試

設備完成機裝和電裝后，為了驗證其穩(wěn)定性及可靠性，通過上位機觸摸屏中的人機交互界面對設計的可移動燃油自動加注裝置進行測試試驗，其人機交互界面如圖8所示。

圖8 人機交互控制界面

設備上電后，通過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)”，然后點擊界面上的“加注開始”按鈕，當無需加注時，點擊“加注停止”按鈕設備恢復原狀，同時在加注過程中可根據(jù)實際情況，可點擊“增速”和“減速”按鈕對加注速度進行調(diào)節(jié)。經(jīng)測試按上述各工況進行加注時，其功能均正常，且加注壓力在0.05～0.45 MPa之間可調(diào)，滿足技術(shù)要求，圖9為加注試驗測試現(xiàn)場，燃油自動加注裝置實物如圖10所示。

圖9 加注試驗測試現(xiàn)場

圖10 燃油自動加注裝置

非定量加注和自循環(huán)測試完畢后，還需對定量加注進行測試試驗，以驗證其準確性。設備上電后，通過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”，輸入設定值后，點擊“加注開始”按鈕，當達到設定值后，設備會自動停止加注，同時在加注過程中可根據(jù)實際情況，可點擊“增速”和“減速”按鈕對加注速度進行調(diào)節(jié)。經(jīng)測試按上述工況進行定量加注時，均能正常使用，表3為“由加注裝置油箱向產(chǎn)品定量加注”時的測試數(shù)據(jù)。

表3 定量加注測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

針對某特種裝備缺少高效安全可靠的燃油自動化加注裝置的問題，分析現(xiàn)有相關(guān)自動加注裝置的研究現(xiàn)狀，設計了一種可移動燃油自動加注裝置，通過試驗驗證了其設計的合理性和可行性。主要結(jié)論如下：

(1)自動加注裝置按防爆要求進行設計，提高了設備的安全性，并通過手動加注、自動加注等測試試驗驗證了其合理性和可行性，具備良好的工程應用價值；

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

(3)按質(zhì)量和體積定量加注時，定量精度高，相對誤差均保持在±0.3%的范圍內(nèi)，定量誤差滿足了小于±1%的設計要求。