Báo cáo khoa học: "Thiết kế, chế tạo và lắp đặt rơ le áp suất điều khiển điện tử trên đầu máy diesel" pps

Thiết 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
Trờng Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Các rơ le áp suất đợc sử dụng phổ biến trên đầu máy diesel hiện nay chủ yếu
l 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 ny bị thay đổi ngỡng tác động, khó điều chỉnh
chính xác, tuổi thọ sử dụng ngắn, giá thnh cao vì phải nhập khẩu từ nớc ngoi. Nội dung bi
báo trình by phơng án thiết kế, chế tạo v 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) đợc lắp trên mạch điện bảo vệ, chủ yếu để kiểm tra
áp suất dầu bôi trơn động cơ diesel, kiểm tra chất lợng làm việc của bầu lọc dầu, kiểm tra áp
suất của bơm dầu bôi trơn trớc 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, nớc, không khí nén) đạt
ngỡng 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 đờng sắt
đều có chung nguyên tắc kết cấu cơ giới. Tín hiệu áp suất từ môi chất công tác trong đờng 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 đợc
sự biến động lớn về phụ tải và điều kiện khai thác, tuổi thọ của cơ cấu trung gian cơ giới khá
cao, tơng đối dễ sửa chữa, thay thếTuy nhiên, loại rơ le này cũng có nhiều nhợc điểm rất
khó khắc phục: độ chính xác làm việc thấp, rất khó điều chỉnh, trọng lợng và kích thớc lớn,
tuổi thọ của các công tắc (tiếp điểm) thấp, phải sửa chữa, thay thế thờng xuyên,
Với công nghệ điện tử phát triển hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại rơ le điều


khiển bằng mạch điện tử, ứng dụng trên một loại đầu máy và từng bớc thay thế toàn bộ loại rơ
le tác động cơ giới trên các loại đầu máy diesel của ngành đờng sắt là vấn đề hoàn toàn có
tính khả thi.
II. Nguyên tắc lm 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 - 6
E
- 6 - T3 đợc lắp trên
đờng 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 đợc chế tạo từ hợp kim nhôm, bên trong có buồng áp suất đợc nối thông với
đờng 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 dới 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 dới, 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 dới di chuyển theo. ở thời điểm nhất định,
ứng với ngỡng tác động (bảng 1), đuôi của đòn bẩy sẽ tỳ vào cơ cấu đóng (ngắt) làm đóng các
tiếp điểm thờng mở và ngắt các tiếp điểm thờng đóng của nó để khống chế mạch điện điều
khiển bên ngoài. Khi áp suất môi chất trong đờng ống giảm, quá trình xảy ra ngợc lại.


Bảng 1. Vị trí v áp suất ngỡng đóng-mở rơ le áp suất TSV-6E-6-T3 đầu máy D12E
TT Tên gọi (vị trí) Khoảng làm việc (KG/cm
2
)
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
Tơng tự nh các loại RLAS cơ giới, trong quá trình khai thác rơ le TSV-6E-6-T3 cũng có
các nhợc điểm rất khó khắc phục: độ chính xác và tần số đóng ngắt khi làm việc thấp, rất khó
điều chỉnh, trọng lợng và kích thớc lớn, tuổi thọ của các công tắc (tiếp điểm) thấp, phải sửa
chữa, thay thế thờng xuyên, phải nhập khẩu nên giá thành cao và không chủ động đợc vật t
phụ tùng thay thế nên cần có loại rơ le thay thế.
III. Thiết kế v chế tạo thiết bị
Các RLAS đợc 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 t linh kiện thông dụng, giá thành không cao, đợc cơ sở sản xuất
chấp nhận.
3.1. Chọn phơng án thiết kế:
Sơ đồ khối lựa chọn cho RLAS thiết kế nh 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 (tơng ứng với giá trị
điện trở R) từ cảm biến đa về với tín hiệu đặt ngỡng đóng (ngắt)
Khối đặt ngỡng đóng (ngắt) ĐN, đa tín hiệu ngỡng vào khối SS. Khối này cần có các cơ
cấu để có thể điều chỉnh đợc ngỡng 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 ngỡng
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.




SS
KĐ
P
R
RL
N
P
Uđk
I

I
U,I
ĐN
SSSS
KĐKĐ
P
R
PP
R
RL
N
P
Uđk
I
I
U,I
ĐN


Hình 2. Sơ đồ khối của RLAS điện tử


Vớí sơ đồ khối lựa chọn ở trên, cần tiến hành tính toán, lựa chọn các khối và đa ra phơng
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 tợng đo qua chuyển đổi tạo thành tín hiệu điện sau cảm biến
đợc đa vào các bộ chuẩn hoá các tín hiệu để loại trừ sai số do ảnh hởng 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 đợc dẫn tới màng (màng đợc làm kín sao cho môi chất không thể lọt đợc 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

R

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/cm
2
, nên chọn loại chuyển đổi có áp suất d 0.0 đến 10.0 KG/cm
2
. Có
rất nhiều loại chuyển đổi có áp suất d trong khoảng này, nhng tại hiện trờng 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 tơng ứng với dải áp suất (0.0 ữ 10.0) KG/cm
2
là (0.0 ữ 180.0)
Phạm vi góc quét : = 90
0
Độ phân giải : 1.00%
Mô men quay : 0.5 N.m
Đờng kính dây : d = 0,2 mm, vật liệu bằng manganin hợp kim, điện trở suất = 28 /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


đờng sắt nớc 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 đợc 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 đợc cung cấp trên thị trờng 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 đợc các giá trị của các phần tử thụ động của mạch.
Sơ đồ nguyên lý của khối so sánh điều khiển đợc thể hiện trên hình 4.

LM396
R1
6.8K
R2

6.8K
RB
RP2
RP1
R5
500
C1
a1
a3
a2
D1
RL
+12V
-
LM396
R1
6.8K
R2
6.8K
RB
RP2
RP1
R5
500
C1
a1
a3
a2
D1
RL

+12V
-






CT 2










Hình 4. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh điều khiển của RLAS
Trong đó: RP1= 680; RP2=220 ; RB - điện trở cảm biến; a1 v a3: tiếp điểm thờng mở;
a2: tiếp điểm thờng đóng; RL : cuộn dây điều khiển rơ le
Nguyên lý làm việc của mạch: đặt ngỡng đóng là áp suất nào đó cần khống chế (trong dải
áp suất làm việc của rơ le), tơng 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 tơng ứng, ICLM396 sẽ hoạt động, cấp dòng điện qua cuộn dây điều khiển rơ le
RL làm rơ le tác động: đóng tiếp điểm thờng mở a3 để cấp điện ra mạch ngoài và ngắt điện ở
mạch ngoài qua việc ngắt tiếp điểm thờng đóng a2 để gây tác động cần thiết khống chế mạch
điện đầu máy. Đồng thời rơ le cũng đóng tiếp điểm thờng mở a1 để ngắn mạch một phần điện

trở 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 ngỡng mở thấp hơn ngỡng đóng một khoảng trễ p (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 ngỡng đóng ngắt mạch rơ le đợc thực hiện trên bàn thử chuyên dùng tại
cơ sở sản xuất bằng cách điều chỉnh các biến trở RP1 (ngỡng đóng) và RP2 (ngỡng ngắt).
Với sơ đồ nguyên lý và các tham số nh thiết kế ở trên, khoảng trễ tối đa của RLAS p
max
=
3KG/cm
2
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 ngợc D2
và D4 và điện trở hạn dòng R4 (10-10W) 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, U
CB max
= 400V; I
C max
= 5A. Đi ốt ổn áp D3 có điện áp ổn
U
ổn
=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
10-10W
9K-0.5W
1.8K-20W
R6
BU 129
+12V
-
MA7812MA7812
D2
D4
D3
18V
+110V
+24V
-
R4
10-10W
9K-0.5W
1.8K-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 nớc ta, mà còn có thể lắp trên các
phơng tiện giao thông khác hoặc các máy móc thiết bị có sử dụng RLAS khác.
iv. Lắp đặt v 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


trung 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 đợc 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 phơng tiện và
đợc phủ lớp nhựa chống ô xy hoá. Panel điều khiển rơ le đợc 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 hởng 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 phơng án lắp ráp chung cả hai phần của rơ le làm một
khối chung và chế tạo và lắp ráp các khối để đợc 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 đợc bắt vào đầu nối trên đờng

ống dầu bôi trơn của đầu máy (hình 6).




CT 2











5 10
10
ỉ
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8

51.5
M20x1.5
25
26 20
10
7 7
10
72
120
80
25 10 10
6
136423
26
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 v 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 v lắp đặt thử nghiệm trên đầu máy D12E:
Sau khi chế tạo hoàn chỉnh, RLAS đợc đa lên bàn thử nghiệm chuyên dùng tại cơ sở sản


xuất để tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh. Trên bàn thử RLAS đợc cấp nguồn nuôi (110VDC
hoặc 24VDC) và đầu cút trung gian lắp đờng dầu bôi trơn có áp suất thay đổi. Khi cho áp suất
dầu thay đổi sẽ kiểm tra đợc ngỡng đóng ngắt của rơ le. Nếu ngỡng đóng ngắt cha chính
xác với áp suất quy định của rơ le, điều chỉnh các biến trở RP1 (điều chỉnh ngỡng đóng) hoặc
RP2 (điều chỉnh ngỡng 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 đợc lắp đặt trên đầu máy D12E theo sơ đồ mạch điện bảo
vệ đầu máy (hình 7). Trên hình 7, RLAS lắp trên đờng ống dầu, bảo vệ áp lực dầu bôi trơn
trớc 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
110V
202 202
100
100
RLAS
355101
RLTG
R100
0
110V
24V
1
2
3
110V
202 202
100
100
RLAS
355101
RLTG
R100

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 lợng khai thác đầu máy
trên tuyến. Các RLAS đợc lắp đặt trên các đầu máy D12E trong suốt thời gian từ khi chính thức
hết giai đoạn chạy thử nghiệm (3. 2002), đã đợc 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 Đờng, Trơng Duy Phúc, 1995, Truyền động đầu máy diesel, Trờng
ĐHGTVT
[2]. Dơng Minh Trí, 2001, Cảm biến và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật
[3]. A.M. TURICHIN, 1976, Đo lờng đại lợng không điện bằng điện, NXB Đại học và trung học chuyên
nghiệp
[4]. Lê Tòng và các tác giả, 1999, Kỹ thuật điện tử, Trờng ĐHGTVT
[5]. Tài liệu về hệ thống điện DEV36, đầu máy D12E, LHĐSVN
Ă