đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy - Toa xe Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Các rơ le áp suất được sử dụng phổ biến trên đầu máy diesel hiện nay chủ yếu lμ các rơ le chuyển đổi bằ
Trang 1Thiết kế, chế tạo và lắp đặt rơ le áp suất
điều khiển điện tử trên đầu máy diesel
TS đỗ việt dũng
Bộ môn Đầu máy - Toa xe Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Các rơ le áp suất được sử dụng phổ biến trên đầu máy diesel hiện nay chủ yếu
lμ các rơ le chuyển đổi bằng cơ giới để đóng mở các tiếp điểm khống chế mạch điện điều khiển
đầu máy Sau một thời gian khai thác, các rơ le nμy bị thay đổi ngưỡng tác động, khó điều chỉnh
chính xác, tuổi thọ sử dụng ngắn, giá thμnh cao vì phải nhập khẩu từ nước ngoμi Nội dung bμi
báo trình bμy phương án thiết kế, chế tạo vμ lắp đặt rơ le áp suất sử dụng chuyển đổi bằng
mạch điện tử đóng mở tiếp điểm khống chế áp suất cho đầu máy D12E
Summary: Today relays for controlling pressure used in diesel locomotives are mainly
mechanical relays, which switch mechanically to open and close contact points, limiting the
current of controlling circuits After some time in operation, these relays change their working
threshold; their life span is shortened Moreover, they are expensive as imported products The
paper focused on a method of designing, manufacturing and assembling a new kind of
pressure relays, in which electronic circuits are used to open and close contact points,
controlling pressure in D12E locomotives
CT 2
I Đặt vấn đề
Để các cụm thiết bị chính làm việc đúng chế độ, an toàn, trên các đầu máy diesel sử dụng
nhiều loại rơ le bảo vệ, khống chế: rơ le áp suất, nhiệt độ, chống quá tải, chống rãy máy, chống
chạm mát cao áp… Rơ le áp suất (RLAS) được lắp trên mạch điện bảo vệ, chủ yếu để kiểm tra
áp suất dầu bôi trơn động cơ diesel, kiểm tra chất lượng làm việc của bầu lọc dầu, kiểm tra áp
suất của bơm dầu bôi trơn trước để khởi động không tải đầu máy, kiểm tra áp suất máy nén gió
hãm… Khi áp suất của môi chất công tác cần giám sát (dầu, nước, không khí nén…) đạt
ngưỡng điều khiển, rơ le sẽ tác động để điều khiển, cảnh báo hoặc bảo vệ cho các cụm thiết bị
mà nó có chức năng giám sát
Hiện tại hầu hết các rơ le áp suất sử dụng trên các đầu máy diesel của ngành đường sắt
đều có chung nguyên tắc kết cấu cơ giới Tín hiệu áp suất từ môi chất công tác trong đường ống
sẽ tác động vào cơ cấu chuyển đổi trung gian cơ giới đóng mở công tắc điện (tiếp điểm) để điều
khiển mạch điện chấp hành của đầu máy Các loại RLAS loại này làm việc ổn định, chịu được
sự biến động lớn về phụ tải và điều kiện khai thác, tuổi thọ của cơ cấu trung gian cơ giới khá
cao, tương đối dễ sửa chữa, thay thế…Tuy nhiên, loại rơ le này cũng có nhiều nhược điểm rất
khó khắc phục: độ chính xác làm việc thấp, rất khó điều chỉnh, trọng lượng và kích thước lớn,
tuổi thọ của các công tắc (tiếp điểm) thấp, phải sửa chữa, thay thế thường xuyên, …
Với công nghệ điện tử phát triển hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại rơ le điều
Trang 2khiển bằng mạch điện tử, ứng dụng trên một loại đầu máy và từng bước thay thế toàn bộ loại rơ
le tác động cơ giới trên các loại đầu máy diesel của ngành đường sắt là vấn đề hoàn toàn có tính khả thi
II Nguyên tắc lμm việc của rơ le áp suất cơ giới [1], [5]
Để có cơ sở để nghiên cứu thiết kế, chế tạo RLAS, ta khảo sát loại rơ le áp suất điển hình TSV - 6E - 6 - T3 lắp đặt trên đầu máy D12E (hình 1) Rơ le TSV - 6E - 6 - T3 được lắp trên
đường ống dầu bôi trơn để bảo vệ động cơ diesel, khống chế áp suất ống gió đoàn xe, áp suất gió trong hệ thống chống ngủ gật…
CT 2
Hình 1 Rơ le áp suất TSV-6E-6-T3
Thân rơ le được chế tạo từ hợp kim nhôm, bên trong có buồng áp suất được nối thông với
đường ống dẫn môi chất công tác mà thành phần chính là hộp xếp bằng thép có độ đàn hồi lớn,
tỷ lệ tuyến tính với áp suất môi chất công tác ép phía trên hộp xếp là lò xo hồi vị Phía dưới bắt
02 đế ép lò xo, trên đế có ê cu điều chỉnh áp suất tác động và kim chỉ áp suất Khi chỉnh ê cu sẽ thay đổi lực ép lò xo: một đế ép điều chỉnh áp suất giới hạn dưới, đế còn lại điều chỉnh áp suất giới hạn trên Khi áp suất tăng, áp lực trong hộp xếp tăng làm hộp xếp dãn dài, thắng lực ép của
lò xo hồi vị, trục nối đĩa ép tỳ lên cơ cấu đòn bảy, làm đòn bẩy xoay xung quanh ổ đỡ chặn và làm ê cu điều chỉnh cùng với đĩa ép lò xo giới hạn dưới di chuyển theo ở thời điểm nhất định, ứng với ngưỡng tác động (bảng 1), đuôi của đòn bẩy sẽ tỳ vào cơ cấu đóng (ngắt) làm đóng các tiếp điểm thường mở và ngắt các tiếp điểm thường đóng của nó để khống chế mạch điện điều khiển bên ngoài Khi áp suất môi chất trong đường ống giảm, quá trình xảy ra ngược lại
Trang 3Bảng 1 Vị trí vμ áp suất ngưỡng đóng-mở rơ le áp suất TSV-6E-6-T3 đầu máy D12E
1
2
3
Rơ le áp suất dầu bôi trơn động cơ diesel
Rơ le áp suất khí ép của đoàn xe
Rơ le áp suất mạch chống ngủ gật
3.00 – 3.36 3.50 – 4.50 0.00 – 1.50 Tương tự như các loại RLAS cơ giới, trong quá trình khai thác rơ le TSV-6E-6-T3 cũng có
các nhược điểm rất khó khắc phục: độ chính xác và tần số đóng ngắt khi làm việc thấp, rất khó
điều chỉnh, trọng lượng và kích thước lớn, tuổi thọ của các công tắc (tiếp điểm) thấp, phải sửa
chữa, thay thế thường xuyên, phải nhập khẩu nên giá thành cao và không chủ động được vật tư
phụ tùng thay thế… nên cần có loại rơ le thay thế
III Thiết kế vμ chế tạo thiết bị
Các RLAS được thiết kế chế tạo cần làm việc đúng tính năng, làm việc tin cậy trong điều
kiện khắc nghiệt: rung động, tải trọng biến động, nhiệt độ cao… trên đầu máy và có kết cấu nhỏ
gọn, dễ lắp đặt, sử dụng vật tư linh kiện thông dụng, giá thành không cao, được cơ sở sản xuất
chấp nhận
3.1 Chọn phương án thiết kế:
Sơ đồ khối lựa chọn cho RLAS thiết kế như trên hình 2, bao gồm các khối chính:
Chuyển đổi áp suất p/R (cụm cảm biến): khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu áp suất từ
môi chất công tác, biến đổi thành tín hiệu điều khiển (điện trở R, nếu dùng cảm biến điện trở),
cấp cho các khối sau
CT 2
Khối so sánh SS: là cầu so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu điện áp (tương ứng với giá trị
điện trở R) từ cảm biến đưa về với tín hiệu đặt ngưỡng đóng (ngắt)
Khối đặt ngưỡng đóng (ngắt) ĐN, đưa tín hiệu ngưỡng vào khối SS Khối này cần có các cơ
cấu để có thể điều chỉnh được ngưỡng từ bên ngoài theo ý muốn
Khối khuyếch đại điều khiển KĐ: nhận tín hiệu từ khối SS và khuyếch đại điều khiển làm
việc khi áp suất đạt ngưỡng
Khối chấp hành RL sẽ làm việc khi khối KĐ cấp nguồn điều khiển Khi khối RL làm việc sẽ
cấp (hoặc ngắt) cho các thiết bị điện cần điều khiển ở mạch ngoài
P
N
P
Uđk
ĐN
P
R P
N
P
Uđk
ĐN
Hình 2 Sơ đồ khối của RLAS điện tử
Trang 4Vớí sơ đồ khối lựa chọn ở trên, cần tiến hành tính toán, lựa chọn các khối và đưa ra phương
án lắp đặt trên đầu máy cụ thể
3.2 Lựa chọn, thiết kế tính toán RLAS cho đầu máy:
3.2.1 Lựa chọn khối chuyển đổi áp suất [2], [3]
Để chuyển đổi tín hiệu áp suất môi chất công tác thành tín hiệu điều khiển của rơ le, có thể
sử dụng nhiều loại chuyển đổi cơ điện khác nhau (chuyển đổi piezo, chuyển đổi điện trở, chuyển đổi điện dung…) từ đối tượng đo qua chuyển đổi tạo thành tín hiệu điện sau cảm biến
được đưa vào các bộ chuẩn hoá các tín hiệu để loại trừ sai số do ảnh hưởng của chúng đến phép đo các bộ chuyển đổi chuẩn hoá làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (từ 0 ữ 5V, 0 ữ 10V hoặc 0 ữ 20V) và cách ly Trong điều kiện hiện tại, với yêu cầu mức độ chính xác và phạm vi áp suất cần khống chế, lựa chọn loại chuyển đổi điện trở Đây là loại chuyển đổi có kết cấu đơn giản, không cần cơ cấu hộp xếp áp lực mà chỉ cần màng đàn hồi kim loại áp suất đo của môi chất được dẫn tới màng (màng được làm kín sao cho môi chất không thể lọt được vào trong thiết
bị đo) khi thay đổi áp suất của môi chất, độ nâng của màng cũng thay đổi dẫn đến sự thay đổi
vị trí của con chạy trên biến trở, nhờ cơ cấu cơ khí sự thay đổi vị trí gây nên sự thay đổi điện trở giữa các đầu của biến trở kết quả dẫn đến sự thay đổi dòng điện trong chuyển đổi (hình 3)
CT 2
R
φ
R
φ
Hình 3 Cảm biến điện trở
Do khoảng áp suất mà rơ le cần khống chế trên các đầu máy diesel nói chung nằm trong khoảng 0.5 đến 8.0 KG/cm2, nên chọn loại chuyển đổi có áp suất dư 0.0 đến 10.0 KG/cm2 Có rất nhiều loại chuyển đổi có áp suất dư trong khoảng này, nhưng tại hiện trường ngành GTVT sử dụng quen thuộc và thông dụng là loại MM 355-03-80 hoặc MM 358-03-80 của CHLB Nga trên các đồng hồ đo áp suất của ôtô, đầu máy, máy xây dựng… với giá thành không cao, độ bền và
độ chính xác, tuyến tính cao Các thông số kỹ thuật cụ thể:
Điện áp làm việc: 12V ữ 14V một chiều
Điện trở biến đổi tương ứng với dải áp suất (0.0 ữ 10.0) KG/cm2 là (0.0 ữ 180.0) Ω Phạm vi góc quét : φ = 900
Độ phân giải : 1.00%
Mô men quay : 0.5 N.m
Đường kính dây : d = 0,2 mm, vật liệu bằng manganin hợp kim, điện trở suất ρ = 28 Ω/m, dây có tráng emay cách điện, cốt dây quấn bằng vật liệu tectolit
Với loại chuyển đổi này, có thể lắp lên mọi loại đầu máy diesel hiện đang vận dụng trên
Trang 5đường sắt nước ta Khi lắp lên đầu máy chỉ cần phải lắp thêm vào đầu chuyển đổi cút trung gian
phù hợp (hình 6) để giữ nguyên vị trí và đầu nối lắp đặt RLAS cũ
3.2.2 Tính toán, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch so sánh điều khiển
Toàn bộ các khối mạch còn lại của RLAS chế tạo được bố trí chung trên một panel Để
tăng tính vạn năng cho rơ le, nguồn cấp là nguồn dải rộng từ 24V đến 110V là nguồn điện điều
khiển của các đầu máy khai thác trên ĐSVN
a Mạch so sánh điều khiển [4]
Linh kiện cơ bản của mạch so sánh và điều khiển sử dụng IC LM396, là loại IC tích hợp
cao được cung cấp trên thị trường với giá rẻ và độ tin cậy cao Nguồn cung cấp +12V, dòng tải
lớn hơn 300mA Trên cơ sở các đặc tính, sơ đồ đấu tiêu chuẩn của mạch khuyếch đại thuật toán
và thông số của cảm biến chọn, xác định được các giá trị của các phần tử thụ động của mạch
Sơ đồ nguyên lý của khối so sánh điều khiển được thể hiện trên hình 4
LM396
R1 6.8K
R2 6.8K
RB
RP2
RP1
R5 500
C1
D1
RL +12V
-LM396
R1 6.8K
R2 6.8K
RB
RP2
RP1
R5 500
C1
D1
RL +12V
-CT 2
Hình 4 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh điều khiển của RLAS
Trong đó: RP1= 680Ω; RP2=220 Ω; RB - điện trở cảm biến; a1 vμ a3: tiếp điểm thường mở;
a2: tiếp điểm thường đóng; RL : cuộn dây điều khiển rơ le
Nguyên lý làm việc của mạch: đặt ngưỡng đóng là áp suất nào đó cần khống chế (trong dải
áp suất làm việc của rơ le), tương ứng với giá trị điện trở điều chỉnh RP1 Khi áp suất môi chất
công tác tăng lên làm thay đổi giá trị điện trở cảm biến RB, đến giá trị áp suất cần khống chế,
RB đạt giá trị tương ứng, ICLM396 sẽ hoạt động, cấp dòng điện qua cuộn dây điều khiển rơ le
RL làm rơ le tác động: đóng tiếp điểm thường mở a3 để cấp điện ra mạch ngoài và ngắt điện ở
mạch ngoài qua việc ngắt tiếp điểm thường đóng a2 để gây tác động cần thiết khống chế mạch
điện đầu máy Đồng thời rơ le cũng đóng tiếp điểm thường mở a1 để ngắn mạch một phần điện
Trang 6trở RP2, lúc này cửa vào đảo của ICLM396 càng âm, dẫn tới các tiếp điểm đóng dứt khoát Khi
áp suất giảm xuống, phải đến ngưỡng mở thấp hơn ngưỡng đóng một khoảng trễ Δp (phụ thuộc giá trị phần điện trở của biến trở RP2 bị ngắn mạch bởi tiếp điểm a1) tuỳ ý theo yêu cầu điều chỉnh, thì ICLM396 chuyển sang trạng thái ngắt mạch (cấm) Khi đó RL lại mất điện điều khiển, các tiếp điểm a1, a2, a3 lại trở về trạng thái ban đầu
Việc đặt các ngưỡng đóng – ngắt mạch rơ le được thực hiện trên bàn thử chuyên dùng tại cơ sở sản xuất bằng cách điều chỉnh các biến trở RP1 (ngưỡng đóng) và RP2 (ngưỡng ngắt) Với sơ đồ nguyên lý và các tham số như thiết kế ở trên, khoảng trễ tối đa của RLAS Δpmax= 3KG/cm2
b Mạch cấp nguồn [4]
Mạch cấp nguồn cho RLAS là mạch ổn áp điện tử thông dụng có hai nguồn vào từ trên 24V
đến 110V DC và nguồn 24VDC (hình 5) Các nguồn cấp vào qua các diot chống dòng ngược D2
và D4 và điện trở hạn dòng R4 (10Ω-10W) cấp vào đèn công suất để ổn áp sơ bộ (ổn áp thô) với điện áp ra cỡ 20V Đèn công suất lựa chọn đèn có công suất BU 129 có các thông số kỹ thuật sau: loại n-p-n; công suất 25W, UCB max= 400V; IC max= 5A Đi ốt ổn áp D3 có điện áp ổn
Uổn=18V Sau khi ổn áp sơ bộ, cấp ổn áp thứ hai là ổn áp chính xác (ổn áp tinh) Trong mạch ứng dụng sơ đồ mạch ổn áp nguồn chuyên dùng thông dụng MA 7812 với điện áp ổn áp ra là 12V một chiều chính xác và có công suất phù hợp Nguồn ổn áp này đảm bảo cấp cho mạch so sánh điều khiển của rơ le làm việc tin cậy, bền và ổn định
MA7812 D2
D4
D3 18V
+110V
+24V
-R4
10Ω-10W
9KΩ-0.5W
1.8KΩ-20W
R6
BU 129
+12V
-MA7812 D2
D4
D3 18V
+110V
+24V
-R4
10Ω-10W
9KΩ-0.5W
1.8KΩ-20W
R6
BU 129
+12V
-CT 2
Hình 5 Mạch cấp nguồn
Với kết cấu và nguyên lý các bộ phận của RLAS đã thiết kế ở trên, ta thấy rơ le này không những có thể lắp trên mọi đầu máy diesel hiện khai thác ở nước ta, mà còn có thể lắp trên các phương tiện giao thông khác hoặc các máy móc thiết bị có sử dụng RLAS khác
iv Lắp đặt vμ thử nghiệm rơ le trên đầu máy D12E [5]
4.1 Quá trình chế tạo thiết bị
Từ sơ đồ nguyên lý các khối và chuyển đổi áp suất đã lựa chọn, ta thấy để chế tạo RLAS theo thiết kế ta cần thực hiện lựa chọn chuyển đổi áp suất và chế tạo mạch panel so sánh điều khiển và nguồn nuôi
Với chuyển đổi áp suất: sử dụng loại MM 358 - 03 - 80 đã chọn ở trên Chế tạo thêm cút
Trang 7trung gian để có thể lắp chuyển đổi vào vị trí bắt RLAS nguyên thuỷ của đầu máy (chi tiết 8 trên
hình 6)
Các khối nguồn nuôi, so sánh điều khiển được lắp ráp từ các linh kiện điện tử theo sơ đồ
nguyên lý (hình 3, hình 4) chung trên 1 tấm panen điêù khiển rơ le Trong quá trình làm mạch in
cần lựa chọn loại mạch in có chiều dày phù hợp với điều kiện rung động trên phương tiện và
được phủ lớp nhựa chống ô xy hoá Panel điều khiển rơ le được bảo vệ bên ngoài bằng hộp gò
từ tôn tấm dày 1 mm
Tuỳ theo vị trí bố trí RLAS trên từng loại đầu máy mà lựa chọn lắp ráp toàn bộ các bộ phận
của rơ le vào chung một khối hoặc bố trí độc lập giữa chuyển đổi và mảng điều khiển Vấn đề
ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài vào phần điều khiển rơ le không đặt ra vì tín hiệu trong rơ le
đều là tín hiệu lớn
Để lắp đặt RLAS thiết kế lên đầu máy D12E, do vị trí bố trí của rơ le TSV-6E-6-T3 rộng và
khá đặc biệt, nên để đơn giản ta chọn phương án lắp ráp chung cả hai phần của rơ le làm một
khối chung và chế tạo và lắp ráp các khối để được RLAS hoàn chỉnh (hình 6) Cút nối trung gian
là loại cút M(20 x 1.5), một đầu bắt vào đầu cảm biến, đầu kia được bắt vào đầu nối trên đường
ống dầu bôi trơn của đầu máy (hình 6)
CT 2
10
ỉ10
1 2 3
4 5 6 7 8
51.5
10
72
Hình 6 Cấu tạo tổng thể rơ le áp suất cho đầu máy D12E sau khi lắp ráp
1.Tấm đế; 2 Hộp điều khiển; 3 Nắp hộp điều khiển; 4 Panel điều khiển vμ so sánh; 5 Tấm cách điện;
6 Cảm biến MM-358-03-80; 7 Vít M6 cố định cảm biến; 8 Cút trung gian M20 x 1.5
4.2 Quá trình hiệu chỉnh vμ lắp đặt thử nghiệm trên đầu máy D12E:
Sau khi chế tạo hoàn chỉnh, RLAS được đưa lên bàn thử nghiệm chuyên dùng tại cơ sở sản
Trang 8xuất để tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh Trên bàn thử RLAS được cấp nguồn nuôi (110VDC hoặc 24VDC) và đầu cút trung gian lắp đường dầu bôi trơn có áp suất thay đổi Khi cho áp suất dầu thay đổi sẽ kiểm tra được ngưỡng đóng – ngắt của rơ le Nếu ngưỡng đóng ngắt chưa chính xác với áp suất quy định của rơ le, điều chỉnh các biến trở RP1 (điều chỉnh ngưỡng đóng) hoặc RP2 (điều chỉnh ngưỡng ngắt)
Tuỳ theo vị trí lắp ráp RLAS trên đầu máy khác nhau mà sơ đồ đấu nối mạch điện giữa rơ
le với mạch ngoài khác nhau RLAS được lắp đặt trên đầu máy D12E theo sơ đồ mạch điện bảo
vệ đầu máy (hình 7) Trên hình 7, RLAS lắp trên đường ống dầu, bảo vệ áp lực dầu bôi trơn trước cho động cơ diesel Khi làm việc RLAS cấp điện vào rơ le thời gian RLTG, sau 07 giây- là thời gian bơm dầu làm việc, RLTG mới đóng mạch cấp điện cho khởi động động cơ diesel
0 110V
24V
1
2 3
RLAS
RLTG
0 110V
24V
1
2 3
RLAS
RLTG
CT 2
Hình 7 Mạch điện bảo vệ động cơ trên đầu máy D12E
v Kết luận
Rơ le áp suất là thiết bị giám sát, tự động bảo vệ các cụm thiết bị chính trên đầu máy diesel, đảm bảo cho đầu máy hoạt động an toàn trong quá trình khai thác trên tuyến Việc thiết
kế chế tạo loại RLAS có tính năng hoạt động chính xác, ổn định, tin cậy, dề dàng điều chỉnh dải
áp suất hoạt động, giá thành không cao… là thiết thực nâng cao chất lượng khai thác đầu máy trên tuyến Các RLAS được lắp đặt trên các đầu máy D12E trong suốt thời gian từ khi chính thức hết giai đoạn chạy thử nghiệm (3 2002), đã được ngành ĐSVN chính thức cho phép lắp thay thế hàng loạt cho các RLAS cơ giới trên các đầu máy của ngành
Tài liệu tham khảo
[1] Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đường, Trương Duy Phúc, 1995, Truyền động đầu máy diesel, Trường
ĐHGTVT
[2] Dương Minh Trí, 2001, Cảm biến và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật
[3] A.M TURICHIN, 1976, Đo lường đại lượng không điện bằng điện, NXB Đại học và trung học chuyên
nghiệp
[4] Lê Tòng và các tác giả, 1999, Kỹ thuật điện tử, Trường ĐHGTVT
[5] Tài liệu về hệ thống điện DEV36, đầu máy D12E, LHĐSVN Ă
