一種船舶柴油機運行仿真模擬裝置的製作方法

2023-05-23 16:16:46 1

本發明涉及仿真教學系統領域，具體涉及一種船舶柴油機運行仿真模擬裝置。

背景技術：

船舶主柴油機是船舶推進的主動力裝置。柴油機結構複雜，運動部件眾多，控制比較複雜，經常發生故障或誤動作，給船舶的安全生產帶來隱患。因此需要培養學員對船舶主柴油機的熟練操作。為了使學員真正掌握船舶主柴油機運轉時各部件的動作情況，培養學員的動手能力，需要進行實際操作訓練，但是實際柴油機的代價昂貴，採用實際設備成本將大為增加，設計一套船舶主柴油機仿真模擬裝置尤為必要。通過柴油機仿真模擬裝置可以讓學員更直觀的了解船舶主柴油機的動作機構組成部件、控制電路、氣動操縱系統的工作原理和各種控制功能。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足提供一種船舶柴油機運行仿真模擬裝置，本船舶柴油機運行仿真模擬裝置可以讓學員更直觀地了解船舶主柴油機的動作機構組成部件、控制電路、氣動操縱系統的工作原理和各種控制功能，解決了現有的真實船舶主柴油機代價昂貴，實際設備成本高等缺陷。

為實現上述技術目的，本發明採取的技術方案為：

一種船舶柴油機運行仿真模擬裝置，包括仿真屏面板、柴油機操縱單元、柴油機控制接口單元和速度調節單元，所述仿真屏面板的前側表面固定有邏輯控制電磁閥組、氣動執行機構、螺旋槳旋轉驅動機構、飛輪轉動驅動機構、油門指示伺服機構和測速單元，所述仿真屏面板的後側設有氣源裝置，所述柴油機操縱單元通過柴油機控制接口單元與速度調節單元連接，所述速度調節單元分別與螺旋槳旋轉驅動機構、飛輪轉動驅動機構和油門指示伺服機構連接，所述氣源裝置通過多條管路穿過仿真屏面板從而與仿真屏面板前側表面的氣動執行機構連接，所述邏輯控制電磁閥組安裝在所述管路上，所述邏輯控制電磁閥組與柴油機控制接口單元連接，所述測速單元與柴油機操縱單元連接，所述測速單元用於測量飛輪轉動驅動機構的轉速。

作為本發明進一步改進的技術方案，所述邏輯控制電磁閥組包括正車倒車電磁閥、起動電磁閥、慢轉電磁閥和停車電磁閥，所述氣動執行機構包括凸輪軸換向模擬執行機構、空氣分配器換向模擬執行機構、主起動閥模擬執行機構、慢轉閥模擬執行機構和停車油門模擬驅動機構，所述氣源裝置通過第一管路分別與凸輪軸換向模擬執行機構和空氣分配器換向模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第二管路與主起動閥模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第三管路與慢轉閥模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第四管路與停車油門模擬驅動機構連接，所述正車倒車電磁閥安裝在第一管路上，所述起動電磁閥安裝在第二管路上，所述慢轉電磁閥安裝在第三管路上，所述停車電磁閥安裝在第四管路上，所述正車倒車電磁閥、起動電磁閥、慢轉電磁閥和停車電磁閥均與柴油機控制接口單元電連接。

作為本發明進一步改進的技術方案，所述凸輪軸換向模擬執行機構包括換向伺服氣缸和換向凸輪機構，所述第一管路與換向伺服氣缸連接，所述換向伺服氣缸的頂杆與換向凸輪機構連接且換向伺服氣缸用於驅動換向凸輪機構，所述空氣分配器換向模擬執行機構包括空氣分配器換向氣缸和空氣分配器，所述第一管路與空氣分配器換向氣缸連接，所述空氣分配器換向氣缸的頂杆與空氣分配器連接且空氣分配器換向氣缸用於驅動空氣分配器，所述主起動閥模擬執行機構包括主起動閥伺服氣缸和模擬主起動閥，所述第二管路與主起動閥伺服氣缸連接，所述主起動閥伺服氣缸的頂杆通過閥杆與模擬主起動閥連接且主起動閥伺服氣缸用於通過閥杆帶動模擬主起動閥轉動，所述慢轉電磁閥包括慢轉閥伺服氣缸和模擬慢轉閥，所述第三管路與慢轉閥伺服氣缸連接，所述慢轉閥伺服氣缸的頂杆通過閥杆與模擬慢轉閥連接且慢轉閥伺服氣缸用於通過閥杆帶動模擬慢轉閥轉動，所述停車油門模擬驅動機構包括停車伺服氣缸和油門刻度指示裝置，所述第四管路與停車伺服氣缸連接，所述停車伺服氣缸設置在油門刻度指示裝置的一側且停車伺服氣缸用於推動油門刻度指示裝置的指示針從而使指示針歸零。

作為本發明進一步改進的技術方案，所述螺旋槳旋轉驅動機構包括第一步進電機驅動模塊、第一步進電機和螺旋槳機構，所述第一步進電機驅動模塊與第一步進電機連接，所述第一步進電機驅動模塊與速度調節單元連接，所述第一電機驅動模塊和第一步進電機均安裝在仿真屏面板的後側，所述第一步進電機的輸出軸穿過仿真屏面板與仿真屏面板前側的螺旋槳機構連接從而帶動螺旋槳機構旋轉。

作為本發明進一步改進的技術方案，所述飛輪轉動驅動機構包括第二步進電機驅動模塊、第二步進電機和飛輪機構，所述第二步進電機驅動模塊與第二步進電機連接，所述第二步進電機驅動模塊與速度調節單元連接，所述第二電機驅動模塊和第二步進電機均安裝在仿真屏面板的後側，所述第二步進電機的輸出軸穿過仿真屏面板與仿真屏面板前側的飛輪機構連接從而帶動飛輪機構旋轉，所述測速單元安裝在飛輪機構的一側且用於測量飛輪機構旋轉的轉速，所述油門指示伺服機構包括伺服電機，所述伺服電機通過調油連杆結構與油門刻度指示裝置的指示針連接。

作為本發明進一步改進的技術方案，還包括盤車模擬機構，所述盤車模擬機構包括齒輪、齒輪軸、手柄、固定座和位置開關，所述齒輪軸和固定座均安裝在仿真屏面板上且固定座位於齒輪軸的右側，所述齒輪活動的安裝在齒輪軸上，所述齒輪位於飛輪機構的右側，所述手柄鉸接在固定座上，所述手柄的左側連接有兩條橫杆，所述齒輪位於兩條橫杆之間，所述手柄通過橫杆帶動齒輪在齒輪軸上前後移動從而與飛輪機構嚙合或脫開，所述位置開關安裝在固定座上且所述手柄發生移動時能觸碰到位置開關，所述位置開關與柴油機控制接口單元連接。

作為本發明進一步改進的技術方案，所述測速單元為測速探頭,所述速度調節單元為調速器，所述仿真屏面板粘貼有貼片，所述貼片用於模擬空氣總管，所述模擬主起動閥和模擬慢轉閥均固定在貼片上，所述模擬主起動閥和慢轉閥均採用可轉動的圓盤。

作為本發明進一步改進的技術方案，還包括柴油機工況參數發生器和安全保護單元，所述柴油機工況參數發生器與安全保護單元連接，所述安全保護單元和速度調節單元連接，所述邏輯控制電磁閥組包括緊急停車電磁閥，所述緊急停車電磁閥與安全保護單元連接，所述氣動執行機構包括緊急停車油門模擬驅動機構，所述緊急停車油門模擬驅動機構包括緊急停車伺服氣缸和傳動連杆機構，所述氣源裝置通過第五管路與緊急停車伺服氣缸連接，所述緊急停車電磁閥安裝在第五管路上，所述傳動連杆機構的一端與油門刻度指示裝置的指示針連接，所述緊急停車伺服氣缸的頂杆與傳動連杆機構的另一端在同一水平方向上，所述緊急停車伺服氣缸用於推動傳動連杆機構的另一端從而使傳動連杆機構拉動油門刻度指示裝置的指示針歸零。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：

（1）在校學生或校外培訓學員可以在船舶柴油機運行仿真模擬裝置的平臺上進行相關訓練，訓練學員實際操作能力，可反覆對其起停和運轉進行操作訓練，讓學員在較短的時間內積累操作經驗，解決了使用現有的真實船舶主柴油機對學員進行培訓從而導致代價昂貴，實際設備成本高等缺陷，本發明與真實船舶主柴油機相比結構簡單，成本低。

（2）本發明具有真實的氣動操縱和氣動執行機構以及控制電路等，和實際柴油機操縱系統部件十分貼近，學員通過觀察相應器件動作情況，快速地掌握船舶主柴油機氣動操縱系統的組成、工作原理和具體控制電路及故障判斷。

附圖說明

圖1為本發明的電路原理示意圖。

圖2為本發明的結構示意圖。

圖3為本發明的盤車模擬機構的結構示意圖。

具體實施方式

下面根據圖1對本發明的具體實施方式作出進一步說明：

參見圖1和圖2，一種船舶柴油機運行仿真模擬裝置，包括仿真屏面板1、柴油機操縱單元、柴油機控制接口單元和速度調節單元，所述仿真屏面板1的前側表面固定有邏輯控制電磁閥組2、氣動執行機構、螺旋槳旋轉驅動機構、飛輪轉動驅動機構、油門指示伺服機構和測速單元4，所述仿真屏面板1的後側設有氣源裝置，所述柴油機操縱單元通過柴油機控制接口單元與速度調節單元連接，所述速度調節單元分別與螺旋槳旋轉驅動機構、飛輪轉動驅動機構和油門指示伺服機構連接，所述氣源裝置通過多條管路穿過仿真屏面板1從而與仿真屏面板1前側表面的氣動執行機構連接，所述邏輯控制電磁閥組2安裝在管路上，所述邏輯控制電磁閥組2與柴油機控制接口單元連接，所述測速單元4與柴油機操縱單元連接，所述測速單元4用於測量飛輪轉動驅動機構的轉速。

本實施例中，氣源裝置為柴油機仿真模擬裝置工作提供氣源，包括一臺小型空壓機和儲氣瓶，儲氣瓶的氣壓通過壓力開關控制空壓機起停來保證，壓力開關設在儲氣瓶出氣口，壓力開關實時監測儲氣瓶的出氣口的氣壓並發送信號給空壓機，空壓機根據壓力開關提供的信號從而為儲氣瓶提供氣源。

本實施例中，所述邏輯控制電磁閥組2包括正車倒車電磁閥8、起動電磁閥9、慢轉電磁閥10和停車電磁閥11，所述氣動執行機構包括凸輪軸換向模擬執行機構、空氣分配器換向模擬執行機構、主起動閥模擬執行機構、慢轉閥模擬執行機構和停車油門模擬驅動機構，所述氣源裝置通過第一管路23分別與凸輪軸換向模擬執行機構和空氣分配器換向模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第二管路17與主起動閥模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第三管路15與慢轉閥模擬執行機構連接，所述氣源裝置通過第四管路30與停車油門模擬驅動機構連接，所述正車倒車電磁閥8安裝在第一管路23上，所述起動電磁閥9安裝在第二管路17上，所述慢轉電磁閥10安裝在第三管路15上，所述停車電磁閥11安裝在第四管路30上，所述正車倒車電磁閥8、起動電磁閥9、慢轉電磁閥10和停車電磁閥11均與柴油機控制接口單元電連接，每個電磁閥通過柴油機控制接口單元接受柴油機操縱單元給的控制信號，得電後打開，氣源得以通過。

本實施例中，所述凸輪軸換向模擬執行機構包括換向伺服氣缸26和換向凸輪機構27，所述第一管路23與換向伺服氣缸26連接，所述換向伺服氣缸26的頂杆與換向凸輪機構27連接且換向伺服氣缸26用於驅動換向凸輪機構27，所述空氣分配器換向模擬執行機構包括空氣分配器換向氣缸22和空氣分配器21，所述第一管路23與空氣分配器換向氣缸22連接，所述空氣分配器換向氣缸22的頂杆與空氣分配器21連接且空氣分配器換向氣缸22用於驅動空氣分配器21，所述主起動閥模擬執行機構包括主起動閥伺服氣缸16和模擬主起動閥18，所述第二管路17與主起動閥伺服氣缸16連接，所述主起動閥伺服氣缸16的頂杆通過閥杆與模擬主起動閥18連接且主起動閥伺服氣缸16用於通過閥杆帶動模擬主起動閥18轉動，所述慢轉電磁閥10包括慢轉閥伺服氣缸14和模擬慢轉閥19，所述第三管路15與慢轉閥伺服氣缸14連接，所述慢轉閥伺服氣缸14的頂杆通過閥杆與模擬慢轉閥19連接且慢轉閥伺服氣缸14用於通過閥杆帶動模擬慢轉閥19轉動，所述停車油門模擬驅動機構包括停車伺服氣缸31和油門刻度指示裝置29，所述第四管路30與停車伺服氣缸31連接，所述停車伺服氣缸31設置在油門刻度指示裝置29的一側且停車伺服氣缸31用於推動油門刻度指示裝置29的指示針從而使指示針歸零，模擬現有技術中柴油機的停車伺服氣缸31關閉油門的現象從而為學員展示停車伺服氣缸31的工作情況。本實施中的各種氣缸都包括氣缸活塞組件，在各個邏輯控制的電磁閥得電打開後，氣源經過各個電磁閥和管路到氣動執行機構，推動氣動執行機構動作，本實施例的仿真屏面板1上均安裝有多個位置開關，每個位置開關均設在各個氣缸的頂杆的一側，各個氣缸活塞的頂杆動作將壓到相應的位置開關上，使得位置開關狀態發生改變，信號反饋到柴油機操縱單元，本實施例中的模擬主起動閥18和模擬慢轉閥19均採用可轉動的圓盤進行模擬。換向凸輪機構27是金屬機加工零件，按照柴油機單缸的凸輪軸換向機構加工。

本實施例中，所述螺旋槳旋轉驅動機構包括第一步進電機驅動模塊、第一步進電機和螺旋槳機構3，所述第一步進電機驅動模塊與第一步進電機連接，所述第一步進電機驅動模塊與速度調節單元連接，所述第一電機驅動模塊和第一步進電機均安裝在仿真屏面板1的後側，所述第一步進電機的輸出軸穿過仿真屏面板1並與仿真屏面板1前側的螺旋槳機構3連接從而驅動螺旋槳機構3旋轉。

本實施例中，所述飛輪轉動驅動機構包括第二步進電機驅動模塊、第二步進電機和飛輪機構5，所述第二步進電機驅動模塊與第二步進電機連接，所述第二步進電機驅動模塊與速度調節單元連接，所述第二電機驅動模塊和第二步進電機均安裝在仿真屏面板1的後側，所述第二步進電機的輸出軸穿過仿真屏面板1並與仿真屏面板1前側的飛輪機構5連接從而帶動飛輪機構5旋轉，所述測速單元4安裝在飛輪機構5的一側且用於測量飛輪機構5旋轉的轉速，所述油門指示伺服機構包括伺服電機33，所述伺服電機33通過調油連杆結構32（採用現有技術中的連杆結構），與油門刻度指示裝置29的指示針連接，伺服電機33用於驅動油門刻度指示裝置29，伺服電機33帶動指示針變化從而為學員展現出模擬的伺服電機33驅動油門大小的現象。

本實施例中，參見圖2和圖3，還包括盤車模擬機構，所述盤車模擬機構包括齒輪6、齒輪軸34、手柄13、固定座7和位置開關36，所述齒輪軸34和固定座7均安裝在仿真屏面板1上且固定座7位於齒輪軸34的右側，所述齒輪6活動的安裝在齒輪軸34上，所述齒輪6位於飛輪機構5的右側，所述手柄13鉸接在固定座7上，所述手柄13的左側連接有兩條橫杆35，所述齒輪6位於兩條橫杆35之間，給手柄施加一轉力，手柄13通過橫杆35可以推動齒輪6在齒輪軸34上前後移動，齒輪6向前移動後與飛輪機構5嚙合，齒輪6向後移動後與飛輪機構5脫開，所述位置開關36安裝在固定座7上且所述手柄13發生移動時能觸碰到位置開關36，所述位置開關36與柴油機控制接口單元連接，齒輪6與飛輪機構5脫開時，本實施例中的手柄13的位置是觸碰到位置開關36的，當手柄13離開位置開關36並通過橫杆35帶動齒輪6在齒輪軸34上向前移動，直到齒輪6與飛輪機構5嚙合，此時位置開關36發送信號給柴油機控制接口單元連接，柴油機控制接口單元連接通過速度調節單元控制第二步進電機驅動模塊，第二步進電機停止工作，飛輪機構5停止轉動，此控制信號設置是為了防止柴油機的飛輪機構5在盤車機嚙合時運轉，從而讓學員學習盤車機構的工作情況。

本實施例中，所述測速單元4為測速探頭,所述速度調節單元為調速器，所述仿真屏面板1粘貼有貼片20，所述貼片20用於模擬空氣總管，所述模擬主起動閥18和模擬慢轉閥19均固定在貼片20上。

本實施例中，還包括柴油機工況參數發生器和安全保護單元，其中安全保護單元採用現有技術中的船舶柴油機安保系統，所述柴油機工況參數發生器與安全保護單元連接，所述安全保護單元和速度調節單元連接，所述邏輯控制電磁閥組2還包括緊急停車電磁閥12，所述緊急停車電磁閥12與安全保護單元連接，所述氣動執行機構包括緊急停車油門模擬驅動機構，所述緊急停車油門模擬驅動機構包括緊急停車伺服氣缸24和傳動連杆機構28（採用現有技術中的連杆結構），所述氣源裝置通過第五管路25與緊急停車伺服氣缸24連接，所述緊急停車電磁閥12安裝在第五管路25上，所述傳動連杆機構28的一端與油門刻度指示裝置29的指示針連接，所述緊急停車伺服氣缸24的頂杆與傳動連杆機構28的另一端在同一水平方向上，所述緊急停車伺服氣缸24用於推動傳動連杆機構28的另一端從而使傳動連杆機構28帶動油門刻度指示裝置29的指示針歸零，其中傳動連杆機構28模擬的就是現有技術中柴油機的油門杆，傳動連杆機構28帶動指示針歸零從而為學員展示油門杆關閉油門的現象。柴油機工況參數發生器和安全保護單元為柴油機的運行提供模擬參數，柴油機工況參數發生器包括多個高精度多旋電位器、多個按鈕開關、模擬量採集模塊、開關量採集模塊、plc和工控機，柴油機工況參數發生器用於模擬柴油機運行時的燃油、滑油、壓縮空氣、冷卻液壓力、溫度、流量等參數，用高精度多旋電位器來代替模擬信號的輸入，按鈕開關代替開關量信號的輸入，這兩類信號分別送到模擬量採集模塊和開關量採集模塊，這兩類採集模塊具有運算處理和通信功能，將結果送至plc，plc與工控機進行通信，在工控機的顯示屏顯示具體柴油機的監控畫面。plc判斷高精度多旋電位器輸入的參數或按鈕開關輸入的參數是否越限，越限後還將信號發送給安全保護單元，安全保護單元發送信號給速度調節單元，速度調節單元控制柴油機的自動減速和停車，即速度調節單元控制第一步進電機驅動模塊、第二步進電機驅動模塊和伺服電機33，同時安全保護單元發送信號給緊急停車電磁閥12，緊急停車電磁閥12打開，氣源通過第五管道並驅動緊急停車伺服氣缸24，緊急停車伺服氣缸24的頂杆推動傳動連杆機構28的一端，傳動連杆機構28的另一端帶動油門刻度指示裝置29的指示針歸零，從而為學員模擬油門杆關閉油門的現象。

本實施例中還包括電源，電源為整個系統供電，本實施例中的柴油機操縱單元使用現有技術的柴油機操縱系統，即柴油機控制器，柴油機操縱單元上設有操縱手柄、慢轉開關和啟動開關，現有技術中的柴油機操縱系統具有發送慢轉信號、啟動信號、換向信號和停車信號的功能，本發明具體工作過程為：柴油機操縱單元發送慢轉信號給柴油機控制接口單元，柴油機控制接口單元控制慢轉電磁閥10和正車倒車電磁閥8打開，氣源裝置內的氣源通過第一管路23推動換向伺服氣缸26和空氣分配器換向氣缸22，換向伺服氣缸26和空氣分配器換向氣缸22內的活塞的頂杆分別帶動換向凸輪機構27和空氣分配器21進行換向工作，氣源裝置內的氣源通過第三管路15推動慢轉閥伺服氣缸14，慢轉閥伺服氣缸14內的活塞的頂杆通過閥杆帶動模擬慢轉閥19（圓盤）動作，模擬實際的慢轉閥的開啟動作，同時柴油機控制接口單元通過速度調節單元控制第一步進電機驅動模塊工作，第一步進電機帶動螺旋槳機構3慢轉，此時學員可以觀察柴油機慢轉的時候機構的工作情況；當柴油機操縱單元發送起動信號給柴油機控制接口單元時，柴油機控制接口單元控制起動電磁閥9和正車倒車電磁閥8打開，氣源裝置內的氣源通過第一管路23推動換向伺服氣缸26和空氣分配器換向氣缸22，換向伺服氣缸26和空氣分配器換向氣缸22內的活塞的頂杆分別帶動換向凸輪機構27和空氣分配器21進行換向工作，氣源裝置內的氣源通過第二管路17推動主起動閥伺服氣缸16，主起動閥伺服氣缸16內的活塞的頂杆通過閥杆帶動模擬主起動閥18（圓盤）動作，模擬實際的主起動閥的開啟動作，同時柴油機控制接口單元通過速度調節單元分別控制第一步進電機驅動模塊、第二步進電機驅動模塊和伺服電機33工作，第一步進電機帶動螺旋槳機構3旋轉，第二步進電機帶動飛輪機構5旋轉，伺服電機33帶動油門刻度指示裝置29的指示針移動，模擬油門變大變小的現象；當需要進行停車的時候，柴油機操縱單元發送停車信號給柴油機控制接口單元，柴油機控制接口單元通過速度調節單元控制第一步進電機、第二步進電機和伺服電機停止工作，同時柴油機控制接口單元控制起動電磁閥9和正車倒車電磁閥8關閉，停車電磁閥11打開，氣源通過第四管路30驅動停車伺服氣缸31，停車伺服氣缸31內的活塞的頂杆推動油門刻度指示裝置29的指示針歸零。測速單元4實時監測飛輪機構5的轉速並反饋給柴油機操縱單元，柴油機操縱單元根據自身的操作手柄的位置變換相應的電信號，與測速單元4的轉速反饋比較給出調速指令，此調速信號通過柴油機控制接口單元通過rs485接口送至速度調節單元，速度調節單元輸出脈衝至第一步進電機驅動模塊、第二步進電機驅動模塊和伺服電機33，調節第一步進電機和第二步進電機的轉速，控制伺服電機33轉到相應位置從而帶動油門刻度指示裝置29的指示針指示油門開度，模擬伺服電機33控制油門大小的現象。

在校學生或校外培訓學員可以在本發明上進行相關訓練，訓練學員實際操作能力，可反覆對本發明起停和運轉進行操作訓練，讓學員在較短的時間內積累操作經驗。本發明具有真實的氣動操縱和執行機構以及控制電路等，和實際柴油機操縱系統部件十分貼近，學員通過觀察相應器件動作情況，快速地掌握船舶主柴油機氣動操縱系統的組成、工作原理和具體控制電路及故障判斷。

本發明的保護範圍包括但不限於以上實施方式，本發明的保護範圍以權利要求書為準，任何對本技術做出的本領域的技術人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發明的保護範圍。