船用柴油機(jī)隔振氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐海成，潘興隆，賀 國(guó)

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船用柴油機(jī)隔振氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐海成1，潘興隆2，賀 國(guó)2

（1．海裝裝備采購(gòu)中心，北京 100040；2．海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

針對(duì)某型船用柴油機(jī)氣囊隔振裝置氣壓檢測(cè)過(guò)程中只能依靠人工檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大，無(wú)法做到及時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量等問(wèn)題，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一套氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)各個(gè)氣囊的壓力，并自動(dòng)控制氣囊壓力在正常范圍內(nèi)。

船用柴油機(jī) 氣囊隔振 單片機(jī) 壓力檢測(cè)

0 引言

柴油機(jī)是應(yīng)用最廣泛的船舶動(dòng)力裝置原動(dòng)機(jī)，與蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、熱氣機(jī)等其它原動(dòng)機(jī)相比，其最大的缺點(diǎn)是柴油機(jī)作為往復(fù)式機(jī)械設(shè)備，其振動(dòng)和噪聲比較大，這不僅對(duì)船舶的居住性產(chǎn)生較大影響，而且對(duì)船上其它設(shè)備和管路的正常工作、性能發(fā)揮和使用壽命也會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，采用柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置的現(xiàn)代船舶一般都采取了一定的減振降噪措施或安裝有專門(mén)的減振降噪設(shè)備，其中，氣囊隔振器就是一種可以有效降低柴油機(jī)振動(dòng)噪聲傳播的設(shè)備[1,2]。

某型船采用兩臺(tái)柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置原動(dòng)機(jī)，為減小柴油機(jī)振動(dòng)噪聲的傳播，降低對(duì)其它設(shè)備和人員造成的不利影響，每臺(tái)柴油機(jī)都安裝有專門(mén)的氣囊隔振裝置，每個(gè)氣囊隔振裝置是由多個(gè)氣囊組成的一個(gè)氣囊陣列，其布置示意圖如圖1所示。隔振氣囊安裝于柴油機(jī)與下層甲板之間，這樣柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲就能被氣囊吸收，切斷其傳播路徑，使其盡量不繼續(xù)向外傳遞到機(jī)艙其它設(shè)備和空間。

為了確保氣囊隔振的效果，每個(gè)氣囊的氣壓都需要保持在一定壓力范圍內(nèi)。在工作過(guò)程中，如果氣壓降低到規(guī)定氣壓范圍的下限值，就需要及時(shí)對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，當(dāng)充氣氣壓達(dá)到規(guī)定氣壓范圍的上限值后停止充氣，以免影響氣囊隔振的效果和使用壽命。

1 氣囊壓力測(cè)量方法

對(duì)于氣囊隔振器來(lái)說(shuō)，氣囊氣壓是一個(gè)重要參數(shù)。由于某型柴油機(jī)機(jī)艙條件限制，無(wú)法直接測(cè)量每個(gè)氣囊內(nèi)的壓力值，因此，在柴油機(jī)的前部、中部和后部分別設(shè)置了三對(duì)間接人工測(cè)量點(diǎn)，每對(duì)測(cè)量點(diǎn)分上、下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。如圖1所示，上測(cè)量點(diǎn)布置在柴油機(jī)機(jī)身上，下測(cè)量點(diǎn)布置在艙底甲板上。如果氣囊陣列中各個(gè)氣囊的壓力均在正常范圍內(nèi)，那么每對(duì)測(cè)量點(diǎn)的上、下測(cè)量點(diǎn)之間的距離也應(yīng)在一定范圍內(nèi)。當(dāng)氣囊陣列中某一側(cè)氣囊的壓力下降時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的上、下測(cè)量點(diǎn)之間的距離將變小，因此，通過(guò)測(cè)量各個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離，就可以間接得到氣囊陣列中各氣囊的壓力變化情況。一旦發(fā)現(xiàn)某一對(duì)測(cè)量點(diǎn)之間距離超出了正常范圍，就需要及時(shí)對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，現(xiàn)場(chǎng)氣囊充氣口如圖2所示。

在日常使用過(guò)程中，要求操作人員定期對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的高度進(jìn)行檢測(cè)，而由于柴油機(jī)機(jī)艙空間狹小，而且測(cè)量點(diǎn)又在柴油機(jī)機(jī)身和艙底甲板之間，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度較大，每次測(cè)量都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作人員也不愿下機(jī)艙測(cè)量。因此，氣囊氣壓下降后，通常并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并充氣；另外，通過(guò)人工測(cè)量存在人為誤差，而且各測(cè)量點(diǎn)之間的距離并不能完全反映氣囊陣列中所有氣囊的壓力變化情況，在對(duì)氣囊充氣過(guò)程中需要對(duì)哪些氣囊進(jìn)行充氣以及充氣量的多少，也需要操作人員根據(jù)測(cè)量的距離并結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，存在一定的管理盲區(qū)和操作盲目性。為了提高隔振氣囊氣壓的測(cè)量精度，并確保其在規(guī)定氣壓范圍內(nèi)，從而提高氣囊隔振裝置的總體效能，本文設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體方案

某型柴油機(jī)隔振氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，包括各氣囊氣壓的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)、氣壓不足時(shí)自動(dòng)充氣和壓力顯示三個(gè)功能模塊組成，系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

以單片機(jī)為核心的氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)掃描的方式，自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)氣囊的壓力。

在圖2所示的氣囊充氣口加裝三通接頭，三通接頭一端接壓力變送器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量氣囊壓力，并將壓力值在顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；三通接頭另一端通過(guò)一個(gè)電磁閥接高壓氣瓶或空壓機(jī)，電磁閥的通斷由單片機(jī)控制。初始狀態(tài)下，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到氣囊氣壓下降至正常范圍下限值時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制電磁閥打開(kāi)，向?qū)?yīng)的氣囊充氣；當(dāng)充氣氣壓達(dá)到正常范圍的上限值時(shí)，關(guān)閉電磁閥，停止向氣囊充氣。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)獲取各氣囊的壓力，并據(jù)此通過(guò)電磁閥控制向氣囊充氣的時(shí)機(jī)和充氣量。

1） 壓力采集模塊

壓力采集模塊的核心是A/D轉(zhuǎn)換，本文研究過(guò)程中選擇ADC0808作為壓力采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0808是8通道的8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，可直接對(duì)壓力變送器輸出的0～5V電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，氣囊壓力采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

首先，與各氣囊相連的壓力變送器將氣囊壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)后，送入模擬量輸入端口IN0～I(xiàn)N7。

然后，由模擬通道地址譯碼選擇信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC的狀態(tài)確定某一時(shí)刻選通開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換的具體通道，其中ADDA為低位，ADDC為高位。例如，如果ADDC、ADDB、ADDA的值為000時(shí)，IN0端口被選通，與IN0端口相連的壓力變送器的電壓值送入比較器開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換；當(dāng)ADDC、ADDB、ADDA為001時(shí)，IN1端口被選通，與IN1端口相連的壓力變送器的電壓值送入比較器開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。

第三，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入數(shù)據(jù)輸出端D7～D0，其中，D7為最高位，D0為最低位，D7～D0為三態(tài)可控輸出，因此可直接與單片機(jī)I/O端口相連接。

第四，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)輸出端D7～D0的值，并將其換算為對(duì)應(yīng)的氣囊壓力值，輸出至顯示屏進(jìn)行顯示。

通過(guò)單片機(jī)控制模擬通道地址譯碼選擇信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC的狀態(tài)，就可以根據(jù)需要依次讀取各個(gè)氣囊的壓力值，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換和顯示。

2）開(kāi)關(guān)量輸出模塊

開(kāi)關(guān)量輸出模塊用于控制電磁閥的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到某一氣囊壓力下降至正常范圍的下限值時(shí)，單片機(jī)控制對(duì)應(yīng)的電磁閥接通，向氣囊充氣；當(dāng)充氣氣壓達(dá)到正常范圍的上限值時(shí)，關(guān)閉電磁閥，停止向氣囊充氣。為了避免單片機(jī)電路和電磁閥電路之間的相互干擾，開(kāi)關(guān)量輸出模塊采用了光電隔離技術(shù)。另外，由于單片機(jī)采用的是5V電源，而電磁閥是由12 V電源供電，由于光電耦合器的輸入與輸出端不需要“共地”，可使兩部分電路的電源相互獨(dú)立，消除電位不同造成的影響[3,4]。單片機(jī)控制電磁閥的電路原理如圖5所示。

如圖5所示，光耦的輸入回路通過(guò)DO端與單片機(jī)的I/O輸出端相連，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通；當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，光耦截止。光耦的輸出回路為光電三極管，三極管的導(dǎo)通和截至特性可作為開(kāi)關(guān)使用，當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，電磁閥接通，向氣囊充氣；當(dāng)光耦截止時(shí)，電磁閥斷開(kāi)，停止向氣囊充氣。其中，Q1為PNP三極管，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥，D1為續(xù)流二極管，用來(lái)吸收電磁閥斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)反向電動(dòng)勢(shì)。

2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述方案，以三個(gè)氣囊組成的系統(tǒng)為例，利用Protues電路仿真軟件，結(jié)合Keil編程軟件[5,6]，對(duì)設(shè)計(jì)的某型柴油機(jī)隔振氣囊壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。

圖6中，RV1～RV3分別模擬三個(gè)氣囊的壓力，其模擬量值分別接入ADC0808的IN0～I(xiàn)N2通道。對(duì)于IN0～I(xiàn)N2三個(gè)通道而言，只用ADDA和ADDB兩位地址譯碼信號(hào)即可， 所有將ADDA和ADDB分別接單片機(jī)的P2.4口和P2.5口，而將ADDC直接接地。地址鎖存允許信號(hào)ALE由單片機(jī)P2.6口控制。假設(shè)某一時(shí)刻單片機(jī)P2.4口和P2.5口均輸出低電平，則通道IN0被選通，對(duì)應(yīng)的模擬量值通過(guò)IN0通道進(jìn)入ADC0808中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成的結(jié)果輸出至OUT1～OUT8端口，當(dāng)單片機(jī)需要讀取轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)P2.7口控制ADC0808的允許輸出信號(hào)端OE，ADC0808的輸出三態(tài)門(mén)被打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線被讀入單片機(jī)的P1.0～P1.7口；經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，轉(zhuǎn)換為氣囊氣壓值，通過(guò)P0.0～P0.7口輸出，在數(shù)碼管中進(jìn)行顯示。

需要讀取其它氣囊的氣壓值時(shí)，只需通過(guò)單片機(jī)的P2.4口和P2.5口改變ADDA和ADDB的值，即可選通需要的通道，對(duì)應(yīng)的氣囊氣壓值就被送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)循環(huán)掃描各個(gè)通道，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各氣囊的氣壓值，一旦發(fā)現(xiàn)某一氣囊氣壓值過(guò)低，則通過(guò)P2口控制電磁閥接通，向氣囊充氣。

3 結(jié)語(yǔ)

氣囊隔振是降低柴油機(jī)振動(dòng)噪聲的一種有效途徑，氣囊壓力是氣囊隔振器的一項(xiàng)重要參數(shù)。針對(duì)某型船用柴油機(jī)隔振氣囊壓力參數(shù)無(wú)法自動(dòng)檢測(cè)，僅依靠人工檢測(cè)不僅現(xiàn)場(chǎng)操作難度大，而且無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確獲取氣囊壓力變化情況并及時(shí)充氣等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套氣囊壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)氣囊壓力，并據(jù)此自動(dòng)控制高壓氣向氣囊充氣，確保氣囊壓力維持在正常范圍。

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Design of Pressure Parameter Automatic Monitoring System of Air Suspension for Marine Diesel Engine

Xu Haicheng1, Pan Xinglong2, He Guo2

(1. Procurement Center of Navy Equipment Department, Beijing 100040, China;2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The air pressure test of air spring on a certain marine diesel engine depends on manual detection, and thus the field operation is difficult and the result can’t be obtained timely and accurately. To deal with the problem, an automatic air pressure detection system is designed on the basis of single chip microcomputer. By using the proposed automatic detection system, the pressure parameter of each air spring can be obtained timely and accurately, and the air pressure remains in normal range.

marine diesel engine; air suspension; single chip microcomputer; pressure detection

TP274

A

1003-4862（2016）03-0037-04

2016-01-09

徐海成（1983-），男，工程師。研究方向：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備管理。