M11康明斯發(fā)動(dòng)機燃油系工作原理與故障分析實(shí)訓

康明斯發(fā)動(dòng)機是高速推土機、挖掘機和裝載機等工程機械的主要動(dòng)力裝置， 其工作狀態(tài)決定著(zhù)整個(gè)高速推、挖、裝的工作進(jìn)度。該發(fā)動(dòng)機的智能化、自動(dòng)化程度一般都比較高， 結構復雜， 故障發(fā)生率也比較高。液壓系統一旦出現故障后， 檢測與維修難度都比較大。利用微電腦技術(shù)和電子技術(shù)對康明斯發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)程和工作原理進(jìn)行仿真模擬和演示操作， 可以直觀(guān)地反映出發(fā)動(dòng)機的工作狀態(tài)與故障特性， 進(jìn)行發(fā)動(dòng)機的故障診斷與排除教學(xué)實(shí)驗， 有助于受訓人員掌握發(fā)動(dòng)機的工作原理、熟悉發(fā)動(dòng)機的結構、故障特點(diǎn)、檢測手段與排除方法， 提高其檢測、維修與保障的能力。
1、M11發(fā)動(dòng)機燃油系實(shí)訓臺總體結構設計
燃油系實(shí)訓臺的典型結構由LCD顯示屏、工作原理演示面板、故障原因示意區、故障排除方法區、故障原因設置區、聲音提示裝置、模式選擇開(kāi)關(guān)區、工作參數調整按鈕區、微電腦控制單元和相應的驅動(dòng)電路與控制軟件組成。實(shí)訓臺架上的工作原理演示面板、各種設置、調整與控制開(kāi)關(guān)均由大面積薄膜開(kāi)關(guān)組件制成。
1.1 實(shí)訓臺的機械結構
實(shí)訓臺機械結構由可移動(dòng)萬(wàn)向臺架組成,分為上下兩部分。其中上部臺架主要安裝LCD顯示屏、工作原理圖、故障現象設置按鈕薄膜開(kāi)關(guān)陣列、故障原因設置薄膜開(kāi)關(guān)陣列等。微電腦控制單元和驅動(dòng)電路、附件電纜等安裝在上部臺架里。上部參加采用雙后開(kāi)門(mén)結構， 方便安裝與維修。臺架的下部主要安裝電源設備、模式選擇與參數調整開(kāi)關(guān)、故障原因排除按鈕陣列以相應的連接電纜等附件。下部前后均開(kāi)門(mén)。臺架經(jīng)過(guò)高溫噴漆處理, 牢固耐用， 外形尺寸為（1400×580×1600）mm。
1.2 微電腦控制單元的設計
微電腦控制單元是整個(gè)實(shí)訓臺的控制中樞， 其核心是C8051F029單片機?？刂茊卧邮苡脩?hù)輸入的控制信息， 包括設置的故障原因、故障現象、選擇的故障排除方法與工作模式、選擇的其它系統狀態(tài)信息等， CPU根據這些信息做出處理， 然后輸出控制信息， 使工作原理圖的流水燈按照程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)運轉以模擬總成或系統的工作過(guò)程； 模擬故障分析排除過(guò)程， 指導受訓人員學(xué)習和掌握故障診斷與排除方法； 根據實(shí)訓臺的教學(xué)、訓練流程， 同步給出語(yǔ)音提示信息； 設置考核題目， 對受訓人員的訓練情況進(jìn)行考核和驗收， 促進(jìn)受訓人員的訓練
與學(xué)習。
控制單元由MCS51單片機處理模塊、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、電源模塊、串行通訊模塊、電平轉換與驅動(dòng)模塊、語(yǔ)音模塊等組成。硬件控制板以C8051F020單片機為核心， 并完善了系統硬件環(huán)境， 保證實(shí)訓臺在使用過(guò)程中， 能夠實(shí)時(shí)采集到真實(shí)的信號數據， 可靠地實(shí)現對整個(gè)系統的控制， 減少故障的發(fā)生，延長(cháng)系統的使用壽命。整個(gè)電路系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 微電腦控制系統原理框圖
2、實(shí)訓臺研制中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 PT泵燃油系工作原理圖的LED的可控動(dòng)態(tài)演示M11發(fā)動(dòng)機PT泵燃油系的工作原理演示圖， 需要多個(gè)LED燈來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。而微控制器I/O端口數量是有限的， 軟件上采用循環(huán)算法效率不高， 且采用并行驅動(dòng)難以實(shí)現。項目組在設計過(guò)程中， 采用高性能8位3態(tài)總線(xiàn)中繼或收發(fā)器件HC245級聯(lián)， 達到擴展CPU的I/O端口數量的目的。這樣用有限的I/O端口即可控制大數量LED的動(dòng)態(tài)顯示， 當需要增加LED數量時(shí)，只需進(jìn)一步級聯(lián)HC245即可， 而不用占用新的I/O端口。LED的動(dòng)態(tài)可控流水操作， 充分展示了新型工程各總成及系統的工作原， 極大地提高了實(shí)訓臺的直觀(guān)性、逼真性， 提高了參訓人員的訓練積極性， 加深了對工作原理的理解和掌握。
2.2 實(shí)訓臺教學(xué)、實(shí)訓過(guò)程與語(yǔ)音提示的同步處理
實(shí)訓臺運行時(shí)， 無(wú)論是工作原理的演示過(guò)程， 還是故障現象、故障原因及故障排隊方法的教學(xué)或考核， 都伴隨有相應的語(yǔ)音提示。因此在硬件和軟件設計時(shí)， 必須考慮語(yǔ)音與動(dòng)作的同步問(wèn)題。這樣才能提高教學(xué)與訓練效果。
項目設計中采用了語(yǔ)音芯片， 并在軟件設計中開(kāi)發(fā)了相應的語(yǔ)音同步程序， 使實(shí)訓臺的工作過(guò)程中的語(yǔ)音提示準確同步， 極大地提高了實(shí)訓臺的使用性能。
2.3 大容量開(kāi)關(guān)矩陣輸出量的數據采集
實(shí)訓臺的故障現象、故障原因、故障排除方法和狀態(tài)參數的調整等都是通過(guò)薄膜開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。因此實(shí)訓臺的開(kāi)關(guān)數量相當多， 微電腦控制單元的端口不但要分配給工作原理演示流水LED的控制， 而且還要與這些開(kāi)關(guān)進(jìn)行信息交互， 對系統的硬軟件資源要求*。項目組經(jīng)過(guò)反復研究討論， 采用了兩種開(kāi)關(guān)數據采集方案：
①選用高性能數碼管/鍵盤(pán)驅動(dòng)模塊CH452進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作識別并完成開(kāi)關(guān)左側LED示意燈的控制；
②在開(kāi)關(guān)上接入不同阻值的電阻， 再將開(kāi)關(guān)輸入量送入A/D進(jìn)行采用和轉換， 根據其模擬量的不同來(lái)識別不同的開(kāi)關(guān)輸入。通過(guò)這兩種方案的結合， 解決了開(kāi)關(guān)矩陣的信息輸入問(wèn)題。這一方案擴展了實(shí)訓臺的適用范圍， 提高了實(shí)訓臺的使用性能。
2.4 燃油系故障樹(shù)的構建
實(shí)訓臺的故障分析過(guò)程中， 受訓人員應能根據燃油系的常見(jiàn)故障現象， 分析判斷相應的故障原因， 并能根據故障原因掌握故障的排除方法與調整、調試技巧與措施。但由于實(shí)訓臺面板和薄膜開(kāi)關(guān)矩陣中開(kāi)關(guān)量的限制， 在設計和規劃故障現象、故障原因與故障排除方法等按鈕時(shí)， 遇到了較大的困難。筆者利用了故障樹(shù)理論， 構建了燃油系常見(jiàn)故障現象、故障原因和故障排除方法故障樹(shù)。結合單片機的軟件編程， 實(shí)現了結構化、參數化和模塊化的控制軟件與故障樹(shù)的有機結合， 解決了故障分析實(shí)訓過(guò)程中的困難。
3、結束語(yǔ)
本文研制的實(shí)訓臺包含了M11康明斯發(fā)動(dòng)機PT泵燃油供給系的工作原理、故障現象、故障原因分析診斷以及故障排除方法的教學(xué)、實(shí)訓和考核等功能， 能夠適用于駕駛操作與維修人員及相關(guān)人員的教學(xué)與實(shí)訓， 實(shí)訓內容廣泛全面， 滿(mǎn)足了工程裝備保障分隊操作使用維修人員學(xué)習和掌握PT泵燃油系工作原理的需求， 以及對PT泵燃油系常見(jiàn)故障現象、故障原因的分析判斷訓練和故障排除方法的實(shí)訓要求， 具有較高的使用價(jià)值。