崔桂成,張禮華,曹 偉,王玉寶
(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.滬東重機(jī)有限公司,上海 200129)
據(jù)國家技術(shù)部門研究,柴油油液品質(zhì)不合格是柴油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)故障和大型機(jī)械元件過早磨損的主要原因,占柴油機(jī)設(shè)備故障的70%~80%[1-2]。當(dāng)前,機(jī)械設(shè)備的智能化已成為當(dāng)今社會發(fā)展的主流,機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障有很多因素,比如零部件間的磨損,這種磨損久而久之會降低柴油機(jī)機(jī)械的使用壽命。柴油是船舶柴油機(jī)機(jī)械設(shè)備的“血”[3-4],因此,對大功率柴油機(jī)的油液品質(zhì)進(jìn)行檢測變得及其重要,柴油的污染控制與檢測是現(xiàn)代大型柴油機(jī)獲得最佳工作效果的必要措施[5]。油液品質(zhì)檢測已成為柴油機(jī)系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測和故障診斷的主要手段,得出油液的更換周期,方便快捷。
本研究針對船舶柴油機(jī),設(shè)計一個油液檢測裝置,無需船舶柴油機(jī)設(shè)備的拆解,通過油液檢測裝置就可以觀察柴油機(jī)油液中攜帶的油品水分、顆粒物大小和顆粒物濃度等參數(shù),也可以鑒別柴油機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如果柴油機(jī)油液檢測裝置測量出的結(jié)果顯示油品等級“不合格”,那么應(yīng)立即油液檢測裝置中的顆粒物大小及種類,進(jìn)行故障檢測、定位和預(yù)測,從而獲得柴油機(jī)油液的更換周期,這樣可以降低維護(hù)成本,提高柴油機(jī)工作的穩(wěn)定性,延長柴油機(jī)設(shè)備的使用壽命[6-8]。
油液檢測內(nèi)部控制器芯片部分主要包括微處理器STM32F103ZET6、顯示模塊TFT-LCD、傳感器采集信號、電源模塊提供電量、蜂鳴器報警、RS232串口通信模塊等幾大部分,整體設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 整體設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall design system block diagram
首先,按下按鍵啟動油泵,隨之油液輸送到水分傳感器和顆粒傳感器中,水分傳感器采集水分濃度信號,顆粒傳感器采集顆粒物大小和顆粒物濃度信號,輸送至微處理器芯片STM32F103ZET6模塊,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換,經(jīng)過信號調(diào)理電路,調(diào)理成穩(wěn)定的信號之后,可以實時將采集的數(shù)據(jù)在液晶顯示屏TFT-LCD顯示。
信號采集模塊負(fù)責(zé)傳感器采集數(shù)據(jù),獲取參數(shù)信息??刂破髂K與上位機(jī)進(jìn)行通信,傳感器采集的信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路,將調(diào)理后的模擬電壓信號送入STM32F103ZET6微處理器的ADC輸入端,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,最后,下位機(jī)將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏,上位機(jī)通過RS232通信方式,將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在上位機(jī)。上位機(jī)可以將傳感器檢測到的各項指標(biāo)進(jìn)行實時顯示,對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,若檢測到的各項參數(shù)超過用戶的設(shè)定值,STM32F103ZET6就會啟動蜂鳴器報警電路進(jìn)行報警[9-10]。
基于Solidworks三維結(jié)構(gòu)建模技術(shù),依據(jù)柴油機(jī)體積大小、空間位置、適用性與合理性等參數(shù)指標(biāo),設(shè)計出柴油機(jī)的油液檢測裝置結(jié)構(gòu)模型。在此油液檢測裝置中,外形部分由外殼1、進(jìn)油管2、回油管3、郵箱門蓋4和油泵5組成,均由材料Q235制作而成。柴油機(jī)中油液流動的路徑即是:啟動油液檢測裝置,開啟油泵,將柴油機(jī)中的部分油液吸送到油液管路中,進(jìn)入油液檢測裝置,實時檢測完成后,油液離開油液檢測裝置,經(jīng)過回油路管道,重新輸送到柴油機(jī)中,繼續(xù)工作運行,圖2箭頭表示油液流動路徑。
圖2 整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall design diagram
油液檢測裝置的支架在柴油機(jī)中,起到支撐監(jiān)測裝置的作用,因此其在此裝置中起穩(wěn)定作用。利用Abaqus,對油液檢測裝置設(shè)備的支架進(jìn)行必要的分析。分析目的與要求是:對柴油機(jī)油液檢測裝置支撐架進(jìn)行振動工況強(qiáng)度計算,確定其應(yīng)力狀態(tài)及安全性。
油液檢測裝置支撐材料屬性如表1所示。工況為約束筒體遠(yuǎn)離支撐的一半。筒體和油液檢測裝置之間用螺栓連接,其中M10螺栓預(yù)緊力12 300 N,M16螺栓預(yù)緊力 34 000 N。螺栓與被連接件之間建立接觸。整個模型受3個方向加速度和重力。
表1 材料屬性Tab.1 Material properties
根據(jù)邊界約束條件劃分網(wǎng)格,如圖3所示。
圖3 模型邊界條件施加示意圖Fig.3 Model boundary condition application diagram
分析得到支撐裝置的應(yīng)力云圖,如圖4所示。
圖4 支撐裝置應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of support device
圖5 支撐裝置位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of support device
油液檢測裝置因螺栓預(yù)緊力導(dǎo)致的螺栓孔區(qū)域應(yīng)力達(dá)到255.4 MPa,油液檢測裝置其他位置當(dāng)質(zhì)量為20 kg時,局部區(qū)域應(yīng)力最大值分別為175 MPa;接線盒最大變形量分別為0.34 mm。支撐結(jié)構(gòu)其他位置應(yīng)力在振動工況強(qiáng)度下應(yīng)力結(jié)果都較小,材料可選Q235或CL.B材料。
主控模塊選用STM32F103ZET6芯片,作為船舶柴油機(jī)油檢測裝置的核心控制芯片。有3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、3個USART串行端口,也含有SPI,I2C,USB,CAN等串口。外部擴(kuò)展模塊方便使用,系統(tǒng)的硬件設(shè)計可以很大程度上簡單化。
STM32F103ZET6有自己的固件庫函數(shù)操作,代替了繁瑣的寄存器操作,這樣軟件開發(fā)極其方便,編程效率大大提高。多通道數(shù)據(jù)可以同時傳輸,使該檢測系統(tǒng)具有實時性,所以選擇STM32F103ZET6芯片作為油液檢測裝置的微控制器。
在通信電路中,由于RS232電平的特殊性,其與STM32F103ZET6無法進(jìn)行直接連接,所以兩者間必須添加一個電平轉(zhuǎn)換芯片,用來電平轉(zhuǎn)換。在此油液檢測裝置控制板中,選擇的是SP3232芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換操作。
在STM32F103ZET6微處理器芯片中,其內(nèi)部附有USART串口,擁有與其外部設(shè)備進(jìn)行通信的功能,但因STM32F103ZET6的輸入輸出電平均為TTL電平,而用Visual Studio開發(fā)的上位機(jī)是以RS232為標(biāo)準(zhǔn)的串行接口,因此務(wù)必需要串口通信模塊,外部僅需2個0.1μF、2個1μF的電荷泵電容,即可實現(xiàn)RS232與TTL之間的轉(zhuǎn)換。
考慮到傳感器采集到的參數(shù)完整顯示,在下位機(jī)中使用TFT-LCD 液晶顯示屏,分辨率RGB是320*240,此液晶顯示屏支持觸摸,可以完成參數(shù)設(shè)定、存儲數(shù)據(jù)等功能,其特點是通用性很強(qiáng),隨插隨用。
油液檢測裝置的控制系統(tǒng)軟件主流程圖如圖8所示。油液檢測裝置開啟電源通電后,第1步要將硬件初始化,配置相關(guān)必備的寄存器,硬件初始化完畢。初始化大約5s之后,進(jìn)行軟件初始化,配置AD轉(zhuǎn)換、串口程序、中斷服務(wù)程序等。所有準(zhǔn)備工作之后,運行到顯示程序,后面所有功能都圍繞顯示程序展開,緊接著進(jìn)入按鍵掃描,開啟油泵,執(zhí)行完之后都要回到顯示程序。若油品合格,會一直進(jìn)行檢查操作;如若不合格,會進(jìn)行蜂鳴器報警操作。
圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart
下位機(jī)設(shè)備中STM32F103芯片中有3個串口控制寄存器,其中最常用的串口控制寄存器是USART_CR1,其中RXNEIE為接受緩沖區(qū)非空中斷使能,油液檢測系統(tǒng)進(jìn)行串口通信的方法是串口中斷法。首先在程序中需要開啟USART中斷,然后接收數(shù)據(jù),待數(shù)據(jù)接收完成后,寄存器中的RXNEIE位置為‘1’ ,隨之會發(fā)生中斷,可以在中斷函數(shù)中將數(shù)據(jù)讀出,讀出之后對中斷標(biāo)志位進(jìn)行清除。
上位機(jī)相對下位機(jī)的優(yōu)勢是避免了對工作環(huán)境的實時依賴,很大程度上提高數(shù)據(jù)的存儲性能與記憶性能。操作步驟是:首先啟動電源,打開上位機(jī)界面的串口,選擇單片機(jī)對應(yīng)的COM口(COM1-COM10可選),設(shè)置好波特率,串口狀態(tài)顯示綠燈時,表示連接成功;顯示紅燈時,則連接失敗,則需要重新掃描串口,可以關(guān)閉電源后重啟。右邊的發(fā)送區(qū)與接收區(qū)可以檢測串口調(diào)試代碼是否按照下位機(jī)指令來編譯,是否會發(fā)生錯誤。當(dāng)接收區(qū)數(shù)據(jù)接收過多時,可以點擊清空接收區(qū),這樣可以顯得接收區(qū)界面簡潔利落。參數(shù)監(jiān)控部分,根據(jù)油液檢測的傳感器,可以得到水活性、溫度、介電常數(shù)、顆粒濃度、粘度和密度參數(shù)。如若參數(shù)合格,即參數(shù)數(shù)值均在可接受范圍,那么油液品質(zhì)會顯示“是”,表示合格,油液可以繼續(xù)在柴油機(jī)中使用;如若參數(shù)不合格,即參數(shù)數(shù)值過大或者過小,那么油液品質(zhì)會顯示“否”,表示 不合格,需要更換油液。
本文首先設(shè)計一套船舶柴油機(jī)的油液檢測裝置的結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)支架的工況強(qiáng)度分析,證明該結(jié)構(gòu)裝置所用材料的可靠性。下位機(jī)中,基于STM32F103ZET6單片機(jī),對關(guān)鍵的串口通信電路進(jìn)行詳細(xì)的表述。同時,還運用Visual Studio軟件,開發(fā)一套船舶柴油機(jī)油液檢測系統(tǒng)的上位機(jī),可以進(jìn)行與下位機(jī)實時傳輸數(shù)據(jù),實施檢測。該系統(tǒng)檢測精度較高、測量穩(wěn)定、人機(jī)交互較好,適用于多種復(fù)雜工況下油液的品質(zhì)檢測,盡可能減小油液檢測設(shè)備所產(chǎn)生的誤差。