（机械制造及其自动化专业论文）内燃机车柴油机内漏检测仪的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国铁路信息化建设的实施，越来越多的先进技术与手段被应用到铁路 系统的生产实践中。内燃机车柴油机冷却水内漏的检测成为困扰机车检修人员 的一个顽疾，一直没有找到一个很好解决办法，目前基本是沿用“目视、耳听、 手摸法”以及“解体检查法”。上述方法不仅费时、费力，更是严重的影响了铁 路机车检修的效率。 本文首先介绍了内燃机车柴油机冷却水系统的工作原理，介绍和说明内燃机 车柴油发动机内漏的产生的背景及传统的检测方法。在分析内漏产生的部位、 原因与特征的基础上，提出了一种新的检测方法：通过检测相应部位的排出的 气体的湿度值来判断是否发生内漏；建立了内漏检测的判定标准；研制了内燃 机车柴油机汽缸冷却水内漏检测仪，并在内燃机车柴油机检测中成功应用，效 果良好。 该仪器充分利用了现代信息技术，实现了内漏检测的“不解体化”；并使数 据处理、分析、故障识别自动完成，以减轻诊断的工作量，并提高诊断速度及 暖确性：该仪器预留了扩展端口，以便将来在有条件的机务段可以将内漏检测 的数据导出与其他故障诊断系统与数据采集系统共享，组建内燃机车的综合诊 断系统。 关键词：柴油机，内漏检测，温湿度传感器。数据分析，抗干扰 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w “ht h ei m p l e m c n t a t i o no fi n f o 瑚a t i o nc o n s t n l c t i o no f 恕i l w a yo fo u rc o u m r y ， m o r e 跹dm o r ca d v a n c c dt e c h o l o g y 姐dm c a 璐a r ca p p l i e dt ot h c p r o d u c t i o n p r a c t i c e so f h er a i l w a ys y s t c m t h et h i n go fc 0 0 1 i n gw a t e r i n n e r1 e _ a k a g ei n d i e s e l e n g i n es t e 锄一c y l i n d e ri sap c 璐i s t c na i l i c n t 瓶dn c v c rf i n dav e f yg o o d s o i u t i o na sp e r p l e x i n gt h cl o c o m o t i v ei nt h ed i c s c le n 画n co fd i e s e ll o c 啪o t j v c ， c o n t i n u et ou s e ”e y ed e p e n d0 ， l i s t e n i n gb yc a r ，h 缸dt o u c h ”缸di si t h a v et h e p r o b l e mt h a t “i sb i g g c re a c ht 0 ”d i s i n t e 掣a t el a wo fc h e c k i n g ”a tp r e s c n t ，i ti st h c e 街c i c n c yt h a t s e r i o u si n n u e n c e1 0 c o m o t i v eo v e r h a u l s 柚d t i i e c o n s u m i n g ， s t r e n u o u s t h i st c x tl i a si m r o d l l c e dm eb a c k 鲫u n dl e a 虹n ga n dt r a d i t i o n a id e t c c t i o nm c t h o d i nt h ed i e s e le n 譬i n eo fd i c s e ll o c 0 肿t i v ea tf i r s t ，t h e np u tf o r w a r dak i n do fn c w d e t e c t i o n m e t h o d ：t i l l d u 曲m e a s u r ec o r r e s p o n d i i i gh u m i d i t y v a l u co f g 髂o f d i s c h a r g eo fp o s i t i o ni si tj u d g ew h i l ct a l 【i n gp l a c el c a 蛔n gt oc o m e ；r e c o m m e n d e d t h es y s t e ml c a n gt h ed e t c c t o rm a k e u p i nt h cd i e s c le n g i i l e c y l i d e rc 0 0 l i n g w a t e r0 f d i e s c l l o c o m o t i v ea n di m d l e m e n t a t i o nm e t h o d ：ha d d i t i o nh 鹋i i i t m d u c e dm e t t l o dt 0 a n a l y s em e a s u r i n gt h ed a t a a n dt h er c s u l t ：b c c a u s et h ew o r l c i n ge n v i f o m to ft h e i n s t n j m e n ti sa b o m i n a b l ew eh a v ea l s oi n t r o d u c e dt h ei n s t n l m e n ta n t i i n t e r f b r e n c e m e a s u r e s p e c i a l l y t h i si n s t n l m e n tf i l l l yu t i l i z e st l l em o d e mi 1 1 f o n n a t i o nt e c h n o l o 霉取l e a k s ”n o t d i s i n t e 掣a t i n g a i i d m e l t i n g ”m e a s u r i n gw h i l cr c a l i z i n g ；m a l ( e d a t a p r o c e s s i n g ， a n a l y s i s ，t r o u b l ed i s c e mt h a tf m i s h e sa u t o m a t i c a l l y i i lo r d c ft ol i 曲t e nt l l ew o r kl o a d d i a g n o s e d ，i i i l p m v et h es p e e d o f d i a 粤l o s e a n dc x a c c i l c s s ；a n dw h c t h c r “r e s e ej e x p a n db yp o n ，i nt h ef u t u r ca tl o c o m o t i v ed e p o tn o tc o n d i t i o n a lc a ni nd a t am c a s u r c d t 0i e a kh a p p e na st m u b l en o to t h e rd i a g n o s i n gt h e r ea r c n t s y s t e m m i i l g 姐dd a l a c o l l e c t i n gs y s t e mi e a d i g ，s c tu pt t l ec o m p r e h c n s i v ed i a g s i ss y s t e mo ft h cd i e s e l i o c o m o t i v e t h i si st l l es 啦ea sd e v e l o p i n 2d i r e c t i o no ft l i ew h o l ei n s t m m c n t 卸d a p p a r a t u s t h er e a i i t ya c c o r d i n gw i t ht h cl o c o m o t i v ed e p o te s p c c i a l l yp r o d u c e dt h e d e m a n d k e yw o r d ：d i c s c le n g i n e ，d c t e c t i o no fh l n e rl e a k a g e h u m i d i t y & t c m p e 强t t l 咒s e n s o f ， d a t aa n a l y s i s ，a n t i - i n t e r f e r e n c e 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 内燃机车柴油机内漏检测的背景 铁路是我国的主要交通运输形式，是国民经济的大动脉。到目前为止，我国 铁路已经成功实现了第五次大提速，其特点是交路紧、线路繁忙。以京广干线 计算，每3 分钟通过一趟列车，武汉分局各交接口，每下交一趟列车，产值就 达8 9 万元。因此，为确保铁路运输畅通，要求列车不能因故障而停留在区间 或中间站，还要安全正点。这就对整个铁路系统，特剐是机车运行质量提出了很 苛刻的要求。2 0 0 1 年的上海全路运输经济工作会议及2 0 0 1 年的汉口全路客运服 务工作会议认为机车质量的高低，事关国家信誉的好坏、社会的稳定以及铁路 的生存与发展。 内燃机车柴油机作为内燃机车的动力设备，其运行状态的好坏直接影响到机 车的安全可靠运行。据铁路枫务部门统计，其柴油机的故障发生率约占整个机 车故障的3 0 4 0 ，而其中因柴油机冷却水系统发生内漏而导致的故障又占有 较大的比例0 1 。机车一旦发生内漏轻则部件损坏，重则柴油机不能正常工作，导 致机车在运行线路上发生停机等事故，影响行车安全与畅通”。内燃机车柴油机 冷却水系统是一典型的综合性复杂系统，其工作原理和组成结构的复杂性导致 了它的故障症状复杂，故障信号检测困难。而往往为了找出其中某一个部位或 某一个气缸的故障部位，不得不将整个柴油机组进行解体检查，耗费极大的人 力物力。本论文的研究就是针对这一背景而进行的。 内燃机车柴油机冷却水循环系统可能漏水部位较多且隐蔽，每一部位漏水均 有不同的慝啜黟硬煮。目前在日常的检修过程中，要判定是否漏水及漏水的部 位主要依靠检修人员的经验凭目视、耳听、手摸等个人主观性较强的检测手 段来判断，而没有一种科学可靠的检测方法。1 。因此，寻找一种先进、可靠的检 测方法，研制使用方便的检测仪器是当务之急。利用它一方面可以准确检测柴 油机内漏的发生部位，提高柴油机内漏检测的效率，降低了工人的劳动强度， 促进了检修管理的现代化；另一方面充分利用现代化的检测技术和手段，也是 符合铁路机务段数字化发展的要求与趋势的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题的研究目的与要求 本课题来源于武昌机务段科研项目：内燃机车柴油机内漏检测仪的研制。 内燃机车柴油机冷却水系统的作用是通过水的循环对其缸套、缸盖、增压器 中的冷空气和润滑机油等进行冷却，以保证各部位不会过热损坏。由于此冷却 循环系统冷却部位多，联接管路复杂，因此在内燃机车运行过程中极易发生冷却 水泄露，造成各种故障。影响柴油机的正常运转。危及行车安全。所以在日常 的检修及小辅修检测中，检测柴油机汽缸是否发生内漏，并对其做出准确判断 是十分必要的。一旦发现发生机车柴油机冷却水系统内漏或运行状态异常，可 以及时采取维修措施，避免事故的发生，这也是本课题研究的根本目的。 采用内漏检测仪进行内漏检测，是通过检测相关部位的空气湿度值，通过对 检测数据的分析来判断是否发生内漏，有别于仅仅依靠经验的检测方法，更加 准确。便于推广，这也将促进机车检修的科学化。 传统的检修方法靠检修人员的经验，每次日常检修要花费时间较长，如果进 行解体检查，花费的时间更是以“日”计，且人力花费也较多“1 。内漏检测仪可 以大大减少单台机车的检测时间，一个人即可轻松完成检测工作。这将提高柴 油机汽缸内漏的检修效率，降低工人的劳动强度，对提高铁路生产效益更是大 有益处。 内漏检测仪应具有体积小，功耗低，方便操作，能够同时检测温度和湿度并 实时显示温度和湿度值；可随时将检测到的温度和湿度值存储到数据库中，还 可以在预先设定的温度下自动存储温度和湿度值i 还可以按照要求完成数据调 用、数据分析并给出检测结果等功能。， 编制适合生产要求的专用报表，包括机车型号、机车检次、机车转速、承修 组、测量人、测量日期和单台机车测量的数据曲线图等，初步分析结论：并能 够存储、打印报表，符合铁路系统的检修管理的现代化的发展趋势。 可储存的每台被检测机车的测量数据( 温度和湿度) ，通过专门开发的软件 进行数据分析，判断是否发生内漏：可以根据数据值的变化来说明机车的运行 状态及检修保养效果，为检修者及检修管理人员提供可靠的信息；在有条件的 地方，还可以将检测数据上传到机务段信息管理系统，为检修部门的综合决镶 提供依据。这与铁路机务段数字化发展的要求与趋势的是一致的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 内燃机车柴油机内漏检测的国内外研究现状 提高机车检修质量是确保机车正常运行的必要条件。学习发达国家的先进经 验，推行内燃机车状态修，在我国现刚剐起步，许多领域的研究有待开展，大 量的研究课题处于前沿性。铁道部在这方面非常重视，郑州铁路局把它作为提 高机车质量的重大举措，并且明确提出了“质量抓检测”，鼓励各机务段与大专 院校、科研机构合作，研制新型故障诊断装置。 目前我国内燃机车柴油机内漏检测的方法是辅修的时候采用排除法进行解 体检查，逐一解体柴油机冷却水系统各个主要部件( 如前、增压器，前、后中 冷器，卜1 6 位缸头等) ，依次上试验台，用水压、风压检查“1 。这种方法时间长、 效率低，耗费了大量的人力和物力，加大了整个辅修的时间周期。 在日常的检修过程中，要判定是否漏水及漏水的部位，主要凭目视、耳听、 手摸等个人主观性较强的检测手段，靠检修人员的经验来判断。随操作工人的 文化水平、实际工作经验、情绪的不同，得出的结果也不尽相同。必须改变这 种依靠检修工人经验的检修方式，最大程度地消除人为因素的影响。 对于柴油机内漏检测，近年来国内一些学者提出了一些检测方法，如： ( 1 ) 振动诊断法。振动诊断是通过提取缸盖或缸体上振动信号的频率特征 来分析柴油机工作过程故障0 1 。振动诊断是一种比较有前途的方法，可在柴油机 不解体的情况下对其内部状况进行分析。但柴油机是一类典型的复杂系统，振动 源多，振动传播路径复杂，各类故障所对应的振动频率无论是从理论上还是实践 中都难以准确确定，更何况内燃机车本身也是一个在不停振动的机器。目前的试 验还多局限在对单一故障的模拟，对多故障同时存在的情况还需要做许多探索 工作。因此振动诊断就目前研究水平看，离实际应用尚有较大的距离。 ( 2 ) 视频检测法。视频裣测法是将摄像头伸入柴油机汽缸内，通过旋转缀 像头将汽缸内壁的表面特征在显示器上显示出来，观察是否有水珠及细小裂纹 等情况。这种方法首先摄像头的保护及操作上会存在很多困难，不利于使用推 广，而且它还需要解体柴油机才能进行检测，检测的部位限制较多，所以不具 有研究价值。 根据情报检索情况看，国外机车发生内漏的情况较少，这与其内燃机车行业 的生产及管理方式有关。外国的品牌柴油机，如康明斯，从生产出来到报废期 间，基本无故障所以无须检修，只需保养。而国产的大功率柴油机，如1 6 v 2 4 0 z j b 武汉理工大学硕士学位论文 型柴油机平均两个月就得回段小、辅修一次，3 年就得中修一次，8 年就得厂修 一次。所以国外的内燃机车柴油机检修更多的是对柴油机的保养上。柴油机的 诊断一般只有柴油机生产或整车制造企业研究的较多，因为使用的环境及制造 的工艺的差异，对冷却水内漏这个问题涉及也不多跚1 。 不过可以从中可以看到在国外，各种故障诊断技术的发展趋势是不解体化、 智能化和网络化m 锄。对于不解体检测的研究，其方向是开发可预埋在目标对象 内的传感器或通过其它参数从侧面检测分析。美国、日本等国家已成功地将超 薄型传感器安置在发动机内，对发动机的温度及主要部件的配合间隙进行诊断， 并利用光纤传感器监测发动机的转速波动“”。对于智能化，是指仪器具有一 定的诊断功能，使数据处理、分析、故障识别自动完成，以减轻诊断的工作量， 并提高诊断速度与正确性。网络化是故障诊断技术的发展方向，随着计算机网 络技术的发展及通讯技术的进步。利用各种通讯手段将多个故障诊断系统联系 起来，实现资源共享，可提高诊断的质量和精度“，。将故障诊断系统与数据采集 系统结合起来组成网络，有利于对整个系统的故障进行判断，减少设备的投资， 提高设备的利用率，促进企业管理的一体化、现代化“。 内漏检测仪的研制符合上述发展趋势，它改变以往内漏检测的方式，从各个 部位内漏的外部表现情况及冷却水工作原理中，分析、把握它们的共同点，从 检测温度和湿度着手，通过检测相关部位湿度的变化，找出其变化规律。在检 测单个部位的时候，看其是否符合这个规律，从而判断该部位是否发生内漏。 这种诊断手段可以在日常的检修及辅修中方便的应用。完全不需要对柴油机进 行解体就可以完成。它还具有自动完成数据处理、分析、故障识别等功能，极 大的减轻了检修人员的工作量，提高了检修的效率及正确性。该仪器还留有扩 展端口。在有条件的机务段可以将内漏检测的数据导出与其他故障诊断系统与 数据采集系统共享，组建内燃机车柴油机的综合诊断系统。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章内漏检测仪的检测原理 2 1 内燃机车柴油机冷却水系统的工作原理 为找到新的检测原理及方法，必须对柴油机冷却水系统的工作情况有个详细 的了解，下面对其作简要介绍。 2 1 1 冷却的意义 燃料在内燃机车柴油机气缸中燃烧，最高温度可达2 0 0 0 左右。如果不加 以冷却，不但机油老化变质，气缸盖、气缸套、进排气门等金属机件也将达到 红热程度，强度大减，甚至因变形而不能继续工作；同时气缸过热，就会使进 入的气体密度减小，导致功率降低，柴油机燃烧不完全等弊病。另外，为保汪 机汕控制在一定的温度范围内工作，必须对机油适时冷却，否则会使机油老化 变质，粘度下降，破坏润滑油膜的建立。冷却介质带走机油和直接冷却的受热 部件的部分热量，输送到h 【车散热装置，将热量散入大气中“1 。内燃机车柴油机 均采用水冷却，所以必须设置冷却水系统。 内燃机车柴油机正常工作时的油、水温度高一些，柴油机的经济效果就好一 些。但油、水温度义受到机油品质及橡胶密封件的耐热性能的限制。1 号内燃机 车增压机油的氧化温度为9 0 ，因此极限工作温度必须低于此值，否则会使机 油过快老化报废。内燃机车柴油机采用强制开式循环水常温冷却，即冷却水系 统直掾与大气相通。如果对柴油机冷却过度，会使其热效率降低，使混合气的 形成条件变差，燃烧恶化，机油粘度过大，机械效率降低，零部件冲击及噪音 增大。如果柴油机的冷却能力不足。工作中零部件热负荷高，使其机械强度降 低，正常的工作间隙被破坏，甚至造成零部件热裂或烧损现象：油、水温度商， 使机油稀释，正常的油膜被破坏，产生半干摩擦甚至干摩擦；空气密度小使进 气量减少，造成燃烧不良等“1 。 可见，冷却系统要保证柴油机得到合适的冷却。以取得柴，油机工作的综合最 佳效益。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 冷却水系统的组成及冷却水循环通路 柴油机冷却水系统和机车冷却水系统共同组成一个完整的水循环系统。 冷却水系统主要由冷却水泵、散热器、冷却风扇、膨胀水箱、管路及各种阀 2 i 图2 一l 内燃机车柴油机冷却水系统 l i 司机室热风室；2 司机室暖风管t3 _ 静液压油热交换嚣t4 机油热交换器； 5 预热锅炉进水截止阀；卜机油热交换器放水阀，7 预热锅炉排污塞门 8 放水塞门； 9 预热锅炉循环水泵组；l o 一预热锅炉：l l 预热锅炉水温缝电器l1 2 预热锅炉出水口 水压表l1 3 预素! i 锅炉进口水温表；1 4 上( 或捧) 水橱；1 5 、3 3 毽止褥；1 8 _ 啭油预热 器：1 7 、2 8 截止阈：1 8 低温水泵；1 9 一i 司机室暖水管2 0 i 司机室热风机；2 l 、2 2 预热锅炉出水截止阀；2 3 高温水泵；2 4 上( 或) 持水截止阀；2 5 _ i 司机室出口水温表； 2 6 柴油机出口水温继电器 2 7 i i 司机室出口水温衰；2 卜放气截止婀l3 p 瑗热锅炉燃 油箱；3 l 膨胀水箱：3 2 冷却风扇 3 4 _ - 预热锅炉进水截止阀；3 5 放气塞门 3 6 散 热嚣l3 7 放水阈 6 武汉理工大学硕士学位论文 门、仪表等组成( 如图2 1 ) ，因为内燃机车柴油机的结构基本结构相同，所以 这里以1 6 v 2 4 0 z j b 型柴油机作为例子进行说明。它们之间的一些差异并不影响 我们的讨论。 1 6 v 2 4 0 z j b 型柴油机冷却水除了对气缸、气缸盖、涡轮增压器等部件进行冷 却外，还需对增压空气进行冷却。冷却气缸、气缸盖、涡轮增压器的冷却水系 统，其工作水温通常可达6 5 8 0 ，一般称为高温水系统或柴油机冷却水系统。 如果进入气缸的增压空气也用此系统的水进行冷却，则增压空气的温度可达7 5 以上，这样增压效果将大为降低。为了增加气缸的空气充量，充入气缸的增 压空气温度最好不超过5 5 ，这就要求必须将增压空气的冷却水系统与高温水 系统分开，否则就不能满足增压空气温度较低的要求“3 。为此，1 6 v 2 4 0 z j b 型柴 油机还设有单独工作的低温水系统或中冷水系统。考虑到机车上散热器的布簧， 应使高、低温水系统的散热量基本平衡，因而在低温水系统中串联有机油热交 换器和静液压油热交换器等，这样也为机油散热创造了良好条件提高了柴油 机工作的可靠性。 为了使冷却系统的冷却水有热胀冷缩的余地，并为日常添水、加入缓蚀剂和 排气，以及系统内微量泄漏的冷却水能不断得到补充，在机车动力室的后墙顶 部安装着膨胀水箱。 柴油机工作时，曲轴通过泵传动装置驱动高温水泵运转，将冷却水压入进水 总管，再由进水支管进入柴油机气缸水套、气缸盖和前后两个涡轮增压器的涡 轮出气壳水腔进行冷却；排出的熟水从热水支管经热水集流管汇集到柴油机热 水总管，被送到机车冷却室的高温散热器组进行冷却，再被高温水泵抽吸，如 此循环流动。同时柴油机曲轴通过泵传动装置带动低温水泵，将冷却水压入中 冷器，对增压空气进行冷却。从中冷器出来的水沿管路进入机油热交换器，对 机油进行冷却，然后被送到低温散热器组进行冷却。冷却后的冷却水流经静液 压油热交换器以冷却静液压油。再被低温水泵抽吸，如此循环“3 。 2 2 内燃机车柴油机内漏的原因与特点分析 如上所述，内燃机车柴油机冷却水循环系统冷却部位多，联接管路复杂，极易 发生漏水故障，影响行车安全。因此，很有必要对其产生的原因及部位做出准确 判断，及时采取措施，避免事故的发生。冷却水系统漏水包括内漏和外漏，外漏多 武汉理工大学硬士学位论文 发生在各联接处的村垫、橡胶圈、法兰部位，直观较易发现并可随即采取有效措 施：而内漏就需要认真分析及总结检修经验，才能做出准确的判断。根据长期以 来机务段检修的记录及经验，结合现场考察，发现内漏产生的主要部位有： ( 1 ) 气缸盖漏水，这种情况大多发生在气门座过桥处裂损和气缸盖工艺堵 处。 ( 2 ) 气缸套漏水，多发生在缸套与水套密封圈处且上部较多。 ( 3 ) 中冷器漏水，主要发生在冷却单节两端焊接处。 内燃机车柴油机冷却水系统发生的内漏几乎全部在这些部位，都是在外面很 难直接观察的地方，比较隐蔽。结合其冷却水系统的工作原理及对其循环回路 构成的了解，发生内漏的主要原因是： ( 1 ) 气缸盖气门座过桥处因其结构较薄弱，与气缸盖联接部位的断面较小， 不利于散热，易产生较大的应力。而发动机爆发时的高温、高压循环作用易使此 部位产生裂纹，引起漏水。此处漏水产生的危害非常大，极易造成水锤，使活塞， 缸套，缸盖，连杆以及曲轴破坏造成大的机破事故”1 。 ( 2 ) 气缸套内漏是由于柴油机工作时产生的振动、热负荷、温度变化均较大， 造成橡胶圈老化、脆裂，失去密封作用，从而产生漏水。 ( 3 ) 中冷器内漏是其内部冷却单节本身结构薄弱造成的，由于小铜管及端 头焊接部位硬化脆裂，加上柴油机本身振动使其更易断裂“3 。 这些部位发生内漏的时候各有其外在特征及表现，结合现场观察及检测人员 的经验，总结如下： ( 1 ) 如果气缸盖发生漏水，拆卸下气缸可以发现内壁有水珠或水痕，一般摇 臂箱里面也会有水。在起机的时候打开气缸的示功阀排出气体，排出的气体一 开始会比较黑，这是因为燃烧不彻底的缘故，而且气体的湿度会比较大。 ( 2 ) 如果气缸套发生漏水，最明显的就是机油中有水，发生机油乳化现象， 缸套内壁漏水。打开曲轴箱检查孔，里面气体的湿度明显高于环境湿度。 ( 3 ) 如果中冷器发生漏水，柴油机耗水量明显加大，柴油机高负荷运行时， 水箱发生涨水。因为高负荷下增压空气的压力大于冷却水的压力，空气从中冷器 破漏处进入水循环系统使水涨出。水会渗入增压空气中，导致湿度发生较大变 j 化 综上，柴油机发生内漏时，不同的部位有不同的外部表现，但是有一个共同 点就是：由于有冷却水泄露进入，使其相关部位的湿度发生显著的变化，可以 武汉理工大学硕士学位论文 以各个相关部位所排出气体的湿度的变化规律作为判断这个部位是否发生内漏 依据。如气缸盖发生内漏，可以检测从汽缸的示功阀排出的气体；气缸套发生 内漏，可以检测曲轴箱检查孔中的气体；中冷器发生内漏，可以检测中冷器的 空气进出口的气体。 2 3 内燃机车柴油机内漏检测的原理 在计量法规中规定，湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度 为相对湿度，用r h 表示。总而言之，即气体中( 通常为空气中) 所含水蒸气量( 水 蒸气压) 与其空气相同情况下饱和水蒸气量( 饱和水蒸气压) 的百分比。一般而 言，检测部位里面的气体都是干燥的，湿度几乎为零( 实际情况下，里面的气 体有一定的湿度，不过都较小) 。由于各个相关检测部位的空间较小，空气量也 少，如果发生故障导致有水蒸气进入，即使很少的量，也会使其中的气体的湿 度值改变较大“”。我们抓住这个特点，先通过数据分析在正常的情况下，各个 相关部位里面气体的湿度范围，掌握其变化规律，确定一个门限值，然后把检 测的单个相关部位的气体的湿度值和它比较，超出门限值范围的可以判断其发 生内漏。 依据工程热力学、传热学等相关理论，利用辅修摸清、掌握各种型号柴油机 上易发生内漏的主要部位的废气水分含量的变化规律，由于同型机车上的柴油 机的结构参数一定，我们可以依照其变化规律设定各个相关部位的湿度门限值， 再将在相同的工况下检测到的湿度值与门限值比较，如若在门限值以内则为正 常，否则就为不正常。这就是我们内漏检测的基本原理及方法。 内漏检测门限值的确定十分重要，它是判断是否内漏的重要参数。它不仅和 柴油机的型号、维修保养情况有关，还存在起机时间、转速、环境的温度和湿 度、测量人员等影响因素。为了尽量减小外界因素的影响，检测人员必须按照 规定的操作程序进行检测，如起机时间必须在规定的的变化范围内，转速稳定 在4 0 0 r 用i n ，传感器对对象的感应时间不少于3 0 s ，检测的时候通过定位装置固 定传感器的位置与方向等。各个相关的检测部位有不同的门限值，下面我们将 以检测示功阀处排出的气体为例进行说明，其它各个相关部位的检测及分析可 以按照相同的方法进行完成，这里就不一说明，后面都依此前提。 如果x 。为某检测部位的检测湿度值，相关部位门限值为x ，若有： 武汉理工大学硕士学位论文 爿2 五 则可判断该汽缸这个部位有冷却水发生泄鼹。 另外，由于柴油机工作时排出的气体温度很高，必须对检测气体先进行冷却 至合适的温度，由于温度的变化对湿度值的影响较大，所以有必要将温度值也 同时进行检测，在工况一致的情况下，记录同一温度值( 设定) 下检测到的湿 度值，以此湿度值数据为准进行分析。，所以我们要同时检测温度和湿度值，且 保证在同一设定温度下记录检测的湿度值。温度值设定如果过高( 如7 0 以上) ， 虽然在检测的范围内，但是长时间在高温的环境下工作对传感器的性能及寿命 都有一定的影响；如果温度值设定过低( 如3 0 左右) ，传感器对检测对象的感 应时间会很短，另外还会放大环境温度和湿度对检测结果的影响：所以我们选 择在5 0 7 0 之间的某一定值下记录检测的湿度值，可以将上述影响降至最小。 2 4 小结 内燃机车柴油机是内燃机车的动力装置，是机车的核心部件，其冷却水系统 的工作好坏对柴油机的工作状况及性能影响极大，所以保障冷却水系统的正常 工作是非常重要的，冷却水系统的工作状况也是机车检修中重要的一环。内漏 作为柴油机冷却水系统的常见故障一直困扰着检修人员，因为冷却水系统比较 复杂，故障点较多而且不容易直接观察，要确定是否发生内漏除了靠检修人员 的经验外，一直采用的就是解体法，有时候为一个小小的部位发生内漏而不得 不将柴油机全部卸下，并解体逐一检查，耗费很多人力物力。影响检修效率。 在收集、掌握了内漏常发部位及表面特征，找出它们的共同点，从检测湿度 及湿度的变化规律这里切入，独辟蹊径，找到一种检测内漏的新思路、新方法。 茎堡堡三查堂堡主堂垡丝茎一 第三章内漏检测仪的系统组成及功能 3 1 系统需求及总体设计 内漏检测的现实需求及仪器使用环境决定了在系统设计时需要主要考虑的 因素是： ( 1 ) 温度和湿度值的实时检测，所以选择合适的温湿度传感器非常重要； ( 2 ) 强大的中央控制功能，能完成数据处理，图象显示等要求较高的功能， 并且要求体积小，结构紧凑： ( 3 ) 现场工作条件很恶劣，且存在着许多干扰，所以提高抗干扰能力和工 作的稳定性，也是必须考虑的； ( 4 ) 工作现场无可用交流电源，系统电源必须自带，同时为节约电源，必 须尽量降低功耗： ( 5 ) 便携式设计也是考虑的因素之一。 依据内漏检测的背景及原理，针对柴油机内漏检测的要求设计并研制出内 燃机车柴油机汽缸冷却水内漏检测仪，整个仪器按照一体化原则设计，由温湿 度传感器s h t 7 l 、计算机控制系统等部分组成，系统结构框图如图3 - 1 所示： i 一焉丽一l l 堡墨j 图3 1 系统结构框图 系统硬件组成可分为三个部分：传感器模块、传感器和主机之间的数据传输 模块、主机控制模块：按照功能系统分为以下一些模块：数据采集模块、传感 器和r s 2 3 2 之间的数据传输模块、主机和r s 2 3 2 之间的数据传输模块、人机交 互设备模块、数据处理模块等。下面先介绍硬件的选型并说明其应用及相关功 能模块。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 数据采集模块 数据采集模块的功能是检测出柴油机冷却水系统特定部位的温度和湿度，这 涉及传感器的选择及应用。 传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及 测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当 传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结 果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 3 2 1 传感器的选型原则 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分 析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理 的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点 和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小：被测位置对传感器 体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或无线： 传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的 具体性能指标。传感器的具体指标主要有灵敏度、频率响应特性、线性范围、 稳定性、精度等“”“”。这些参数并不是要求越高越好，因为要求越高不仅会带 来成本的提高，也会带来信号处理的难度、噪音等问题。在满足检测系统要求 的前提下我们一般选择便宜和简单的传感器。 根据传感器的选用原则、内漏检测的需求及应用环境，内漏检测仪采用基于 c m o s e n s 技术的新型数字式温湿度传感器s h t 7 1 ( 内部结构功能如图3 2 所示) ， s h t 7 1 是瑞士s e n s i r i o n 公司推出的基于c m o s e n s 技术的新型温湿度传感器。该 传感器将c m o s 芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。 利用它可以同时测量内燃机车柴油机汽缸内气体的温度和湿度，并实现数字式 输出“8 】。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2s h t 7 1 传感器的内部功能框图 3 2 2s h t 7 1 的- 陛能与特点 ( 1 ) s h t 7 l 的性能说明 参数典型值 单位备注 分辨率 o 0 3r h1 2 位 0 5r h8 位 湿 互换性可完全互换 度 非线性度 3r h 范围0 1 0 0 r h 长期稳定性墨1 r h1 年 分辨率 0 0 l1 4 位 0 0 41 2 位 温互换性可完全互换 度 精度 0 5 范围一4 0 一1 2 3 8 ( 2 ) s h t 7 1 传感器的主要优点如下： 1 ) 一个传感器包括了两个测量，温度和湿度；可以同时检测温度和湿度， 且其各项指标都达到或超过我们的要求。 2 ) 满量程校验，每一只传感器芯片内装载的针对该芯片传感器的校准数据， 保证了每只湿度传感器输出的一致性，使得湿度传感器可以l o o 的互换；内 漏检测仪器要求能在极其恶劣的环境中工作，其中传感器更是处于高温，高风 压，充满油烟的环境中，所以一旦传感器出现故障或进行保养的时候，可以随 时更换传感器进行工作，对检测仪的工作性能没有任何影响。 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 数字两线制接口( 最简单的系统集成、较低的价格) ，通过串行数字通 讯接口( s c k 和d a t a ) 可与任何种类微处理器、微控制器系统连接，减少了传 感器接口开发时间及降低了硬件成本。， 4 ) 采用工业c i o s 工艺，具有高可靠性；c m o s e n s 技术的优势首先在于， 利用具有不同保护下的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感 器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自外界的影响 而对传感器进行保护，即使将传感器浸入到液体中也不会对传感器造成损害， 同时还将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体，不会产 生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。其次它将传感器 元件、信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、类，2 c 总线等外围调理电 路，全部与温湿度传感器集成在了一个只有几平方毫米的芯片上，因此，其优 势是显而易见的，由于传感器与信号放大器合为一体，这不仅使信号强度增加、 抗干扰性能增强，且长期稳定性也得到了保证，集成在一起的模数转换器，可 降低系统的噪声干扰。 5 ) 由于是请求式测量，所以低能耗。 6 ) 最优的长期稳定性。 3 2 3 s h t 7 1 传感器与微控制器的接口电路 传感器通过串行数字通信接口可与任何种类微处理器、微控制器系统连接， 减少了传感器接口开发时间及降低了硬件成本，s h t 7 l 传感器与微控制器的接口 电路9 m 。3 如图3 3 所示。 1 一l - - - - - - - ，一 图3 3s h t 7 1 传感器与微控制器的接口电路 s h t 7 1 的供电电压为2 4 5 5 y ，s c k 用于微处理器与s h t 7 l 之间的通讯同步 d a t a 三态门用于数据的读取。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 传感器和主机之间的数据传输模块 传感器和单片机之间通过r s 2 3 2 控制器进行数据的输入和输出。r s 2 3 2 控制 器的电路逻辑图如图3 4 ，它是由单片机、电平转换芯片、r s 一2 3 2 端口等主要 组成的多路控制器。 图3 4r s 一2 3 2 控制器模块 r s 2 3 2 控制器和s h t 7 l 传感器之间通过串行数字通信接口进行通讯，为双向 同步串行总线。在同步传送中，由串行时钟控制传送的时序，信号从串行数据 线按照时序同步输入或输出。r s 2 3 2 控制器和p c l 0 4 之间通过r s 2 3 2 标准接口进 行通讯。 s h t 7 1 是智能型传感器，为请求式测量。我们可以通过r s 2 3 2 控制器中单片 机发送指令来控制s h t 7 1 传感器的工作状态，而检测人员通过上位机的控制台 来控制r s 2 3 2 控制器中单片机，进而控制s h t 7 l 传感器，下面对此进行详细介 绍。 3 3 1 r s 2 3 2 控制器和传感器之间的通讯 r s 2 3 2 控制器和传感器之间的通讯主要指单片机与s h t 7 l 传感器间的通讯， 模拟s h t 7 l 传感器与微控制器之间的接口电路，我们可以将s h t 7 1 传感器与 r s 2 3 2 控制器的输出端口相连，因为它的串行总线与，2 c 总线不完全兼容，我们 要将时钟线上的上拉电阻去掉。 s c k 用于微处理器与s h t 7 1 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑， 因此不存在最小s c k 频率；d a t a 三态门用于数据的读取。d a t a 在s c k 时钟下降 沿之后改变状态，并仅在s c k 时钟上升沿有效。数据传输期问，在s c k 时钟高 武汉理工大学硕士学位论文 电平时，d a t a 必须保持稳定。下面简要介绍针对s h t 7 l 传感器的编程。 ( 1 ) 发送指令 7 用组“传送启动”序列( 图3 5 ) ，来表示数据传送的初始化。它包括： 当s c k 时钟高电平时d a t a 翻转为低电平，紧接着s c k 变为低电平，随后是在s c k 时 钟高电平时d a t a 翻转为高电平。”。 d a n 1 广 s c k 厂n 厂九 图3 5 “传送启动”序列 数据传送的初始化程序为( 采用c 5 l 高级语言编写) ： v o i ds t r a n s s t a r t ( v o i d ) d a t a = 1 ：s c k = 0 ：初始状态 一n o p 一( ) ： s c k = l ： 一n o p 一( ) ： d a t a = 0 ： 一n o p 一( ) ： s c k = o ： 一n o p 一( ) ：一n o p 一( ) ：一n o p 一( ) ： s c k = 1 ： 一n o p 一( ) ： d a t a = 1 ： 一n o p 一( ) ： s c k = 0 ： l 【2 i j ( 2 ) 测量序列 数据传送的初始化完成后，后续的为命令位，s h t 7 l 有总共有五个命令位( 如 表1 ) 。s h t 7 l 会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8 个s c k 时钟的下 武汉理工大学硕士学位论文 降沿之后，将d a t a 下拉为低电平( a c k 位) 。在第9 个s c k 时钟的下降沿之后 释放d a t a ( 恢复高电平) ，整个序列如图3 6 ( 这里以后续的为命令位为 0 0 0 0 0 1 0 l ，命令s h t 7 l 检测湿度的时序为例) m 1 。 表1s h t 7 1 指令集 指令 代码 温度测量 o 0 0 0 0 0 1 1 湿度测量 o o 0 0 0 1 0 l 读取状态寄存器 0 0 0 0 0 l l l 写入状态寄存器 0 0 0 0 0 1 1 0 软复位：复位接口、清空状态寄存器，即 0 0 0 1 1 1 1 0 恢复为默认值 命令位：0 0 0 1 0 l ，r 厂 l c 7击6a 虫 黼、八八八八厂j 图3 6s h t 7 l 检测湿度的时序图 s h t 7 1 检测湿度或温度的程序部分代码为： c h a rs m e a s u r e ( u n sig n e dc h a rm o d e ) f u n s i g n e de r r o r = o ： u n s i g n e di n t i ： s t r a n s s t a r t ( ) ：数据传送的初始化 s w i t c h ( m o d e )检测的是温度还是湿度? c a s et e m p ：e r r a r + = s - w r i t e _ b y t e ( o x 0 3 ) ：b r e a k ：温度测量 c a s eh u m i ：e r r o r + = s _ w r i t e - b y t e ( 0 x 0 5 ) ：b r e a k ：湿度测量 d e f a u l t：b r e a k ： ) 武汉理工大学硕士学位论文 f o r ( i = 0 ：i o ：i = 2 ) ( i f ( i v a l u e ) d a t a = 1 ： e l s ed a t a = 0 ： s c k = l ： 一n o p 一( ) ：一n o p 一( ) ：一n o p 一( ) ： s c k = 0 ： j d a t a = 1 ：释放d a t a ( 恢复为高电平) s c k = 1 ：检测是否有应答 e r r o r = d a t a ：若s h t 7 1 将d a t a 拉至低电平，有应答 s c k = o ： 、 r e t u r ne r r o r ： j 接着传送2 个字节的测量数据和1 个字节的c r c 校验。