一种船舶柴油机运行仿真模拟装置的制作方法

本发明涉及仿真教学系统领域，具体涉及一种船舶柴油机运行仿真模拟装置。

背景技术：

船舶主柴油机是船舶推进的主动力装置。柴油机结构复杂，运动部件众多，控制比较复杂，经常发生故障或误动作，给船舶的安全生产带来隐患。因此需要培养学员对船舶主柴油机的熟练操作。为了使学员真正掌握船舶主柴油机运转时各部件的动作情况，培养学员的动手能力，需要进行实际操作训练，但是实际柴油机的代价昂贵，采用实际设备成本将大为增加，设计一套船舶主柴油机仿真模拟装置尤为必要。通过柴油机仿真模拟装置可以让学员更直观的了解船舶主柴油机的动作机构组成部件、控制电路、气动操纵系统的工作原理和各种控制功能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种船舶柴油机运行仿真模拟装置，本船舶柴油机运行仿真模拟装置可以让学员更直观地了解船舶主柴油机的动作机构组成部件、控制电路、气动操纵系统的工作原理和各种控制功能，解决了现有的真实船舶主柴油机代价昂贵，实际设备成本高等缺陷。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种船舶柴油机运行仿真模拟装置，包括仿真屏面板、柴油机操纵单元、柴油机控制接口单元和速度调节单元，所述仿真屏面板的前侧表面固定有逻辑控制电磁阀组、气动执行机构、螺旋桨旋转驱动机构、飞轮转动驱动机构、油门指示伺服机构和测速单元，所述仿真屏面板的后侧设有气源装置，所述柴油机操纵单元通过柴油机控制接口单元与速度调节单元连接，所述速度调节单元分别与螺旋桨旋转驱动机构、飞轮转动驱动机构和油门指示伺服机构连接，所述气源装置通过多条管路穿过仿真屏面板从而与仿真屏面板前侧表面的气动执行机构连接，所述逻辑控制电磁阀组安装在所述管路上，所述逻辑控制电磁阀组与柴油机控制接口单元连接，所述测速单元与柴油机操纵单元连接，所述测速单元用于测量飞轮转动驱动机构的转速。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述逻辑控制电磁阀组包括正车倒车电磁阀、起动电磁阀、慢转电磁阀和停车电磁阀，所述气动执行机构包括凸轮轴换向模拟执行机构、空气分配器换向模拟执行机构、主起动阀模拟执行机构、慢转阀模拟执行机构和停车油门模拟驱动机构，所述气源装置通过第一管路分别与凸轮轴换向模拟执行机构和空气分配器换向模拟执行机构连接，所述气源装置通过第二管路与主起动阀模拟执行机构连接，所述气源装置通过第三管路与慢转阀模拟执行机构连接，所述气源装置通过第四管路与停车油门模拟驱动机构连接，所述正车倒车电磁阀安装在第一管路上，所述起动电磁阀安装在第二管路上，所述慢转电磁阀安装在第三管路上，所述停车电磁阀安装在第四管路上，所述正车倒车电磁阀、起动电磁阀、慢转电磁阀和停车电磁阀均与柴油机控制接口单元电连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述凸轮轴换向模拟执行机构包括换向伺服气缸和换向凸轮机构，所述第一管路与换向伺服气缸连接，所述换向伺服气缸的顶杆与换向凸轮机构连接且换向伺服气缸用于驱动换向凸轮机构，所述空气分配器换向模拟执行机构包括空气分配器换向气缸和空气分配器，所述第一管路与空气分配器换向气缸连接，所述空气分配器换向气缸的顶杆与空气分配器连接且空气分配器换向气缸用于驱动空气分配器，所述主起动阀模拟执行机构包括主起动阀伺服气缸和模拟主起动阀，所述第二管路与主起动阀伺服气缸连接，所述主起动阀伺服气缸的顶杆通过阀杆与模拟主起动阀连接且主起动阀伺服气缸用于通过阀杆带动模拟主起动阀转动，所述慢转电磁阀包括慢转阀伺服气缸和模拟慢转阀，所述第三管路与慢转阀伺服气缸连接，所述慢转阀伺服气缸的顶杆通过阀杆与模拟慢转阀连接且慢转阀伺服气缸用于通过阀杆带动模拟慢转阀转动，所述停车油门模拟驱动机构包括停车伺服气缸和油门刻度指示装置，所述第四管路与停车伺服气缸连接，所述停车伺服气缸设置在油门刻度指示装置的一侧且停车伺服气缸用于推动油门刻度指示装置的指示针从而使指示针归零。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述螺旋桨旋转驱动机构包括第一步进电机驱动模块、第一步进电机和螺旋桨机构，所述第一步进电机驱动模块与第一步进电机连接，所述第一步进电机驱动模块与速度调节单元连接，所述第一电机驱动模块和第一步进电机均安装在仿真屏面板的后侧，所述第一步进电机的输出轴穿过仿真屏面板与仿真屏面板前侧的螺旋桨机构连接从而带动螺旋桨机构旋转。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述飞轮转动驱动机构包括第二步进电机驱动模块、第二步进电机和飞轮机构，所述第二步进电机驱动模块与第二步进电机连接，所述第二步进电机驱动模块与速度调节单元连接，所述第二电机驱动模块和第二步进电机均安装在仿真屏面板的后侧，所述第二步进电机的输出轴穿过仿真屏面板与仿真屏面板前侧的飞轮机构连接从而带动飞轮机构旋转，所述测速单元安装在飞轮机构的一侧且用于测量飞轮机构旋转的转速，所述油门指示伺服机构包括伺服电机，所述伺服电机通过调油连杆结构与油门刻度指示装置的指示针连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括盘车模拟机构，所述盘车模拟机构包括齿轮、齿轮轴、手柄、固定座和位置开关，所述齿轮轴和固定座均安装在仿真屏面板上且固定座位于齿轮轴的右侧，所述齿轮活动的安装在齿轮轴上，所述齿轮位于飞轮机构的右侧，所述手柄铰接在固定座上，所述手柄的左侧连接有两条横杆，所述齿轮位于两条横杆之间，所述手柄通过横杆带动齿轮在齿轮轴上前后移动从而与飞轮机构啮合或脱开，所述位置开关安装在固定座上且所述手柄发生移动时能触碰到位置开关，所述位置开关与柴油机控制接口单元连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述测速单元为测速探头,所述速度调节单元为调速器，所述仿真屏面板粘贴有贴片，所述贴片用于模拟空气总管，所述模拟主起动阀和模拟慢转阀均固定在贴片上，所述模拟主起动阀和慢转阀均采用可转动的圆盘。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括柴油机工况参数发生器和安全保护单元，所述柴油机工况参数发生器与安全保护单元连接，所述安全保护单元和速度调节单元连接，所述逻辑控制电磁阀组包括紧急停车电磁阀，所述紧急停车电磁阀与安全保护单元连接，所述气动执行机构包括紧急停车油门模拟驱动机构，所述紧急停车油门模拟驱动机构包括紧急停车伺服气缸和传动连杆机构，所述气源装置通过第五管路与紧急停车伺服气缸连接，所述紧急停车电磁阀安装在第五管路上，所述传动连杆机构的一端与油门刻度指示装置的指示针连接，所述紧急停车伺服气缸的顶杆与传动连杆机构的另一端在同一水平方向上，所述紧急停车伺服气缸用于推动传动连杆机构的另一端从而使传动连杆机构拉动油门刻度指示装置的指示针归零。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）在校学生或校外培训学员可以在船舶柴油机运行仿真模拟装置的平台上进行相关训练，训练学员实际操作能力，可反复对其起停和运转进行操作训练，让学员在较短的时间内积累操作经验，解决了使用现有的真实船舶主柴油机对学员进行培训从而导致代价昂贵，实际设备成本高等缺陷，本发明与真实船舶主柴油机相比结构简单，成本低。

（2）本发明具有真实的气动操纵和气动执行机构以及控制电路等，和实际柴油机操纵系统部件十分贴近，学员通过观察相应器件动作情况，快速地掌握船舶主柴油机气动操纵系统的组成、工作原理和具体控制电路及故障判断。

附图说明

图1为本发明的电路原理示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的盘车模拟机构的结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1和图2，一种船舶柴油机运行仿真模拟装置，包括仿真屏面板1、柴油机操纵单元、柴油机控制接口单元和速度调节单元，所述仿真屏面板1的前侧表面固定有逻辑控制电磁阀组2、气动执行机构、螺旋桨旋转驱动机构、飞轮转动驱动机构、油门指示伺服机构和测速单元4，所述仿真屏面板1的后侧设有气源装置，所述柴油机操纵单元通过柴油机控制接口单元与速度调节单元连接，所述速度调节单元分别与螺旋桨旋转驱动机构、飞轮转动驱动机构和油门指示伺服机构连接，所述气源装置通过多条管路穿过仿真屏面板1从而与仿真屏面板1前侧表面的气动执行机构连接，所述逻辑控制电磁阀组2安装在管路上，所述逻辑控制电磁阀组2与柴油机控制接口单元连接，所述测速单元4与柴油机操纵单元连接，所述测速单元4用于测量飞轮转动驱动机构的转速。

本实施例中，气源装置为柴油机仿真模拟装置工作提供气源，包括一台小型空压机和储气瓶，储气瓶的气压通过压力开关控制空压机起停来保证，压力开关设在储气瓶出气口，压力开关实时监测储气瓶的出气口的气压并发送信号给空压机，空压机根据压力开关提供的信号从而为储气瓶提供气源。

本实施例中，所述逻辑控制电磁阀组2包括正车倒车电磁阀8、起动电磁阀9、慢转电磁阀10和停车电磁阀11，所述气动执行机构包括凸轮轴换向模拟执行机构、空气分配器换向模拟执行机构、主起动阀模拟执行机构、慢转阀模拟执行机构和停车油门模拟驱动机构，所述气源装置通过第一管路23分别与凸轮轴换向模拟执行机构和空气分配器换向模拟执行机构连接，所述气源装置通过第二管路17与主起动阀模拟执行机构连接，所述气源装置通过第三管路15与慢转阀模拟执行机构连接，所述气源装置通过第四管路30与停车油门模拟驱动机构连接，所述正车倒车电磁阀8安装在第一管路23上，所述起动电磁阀9安装在第二管路17上，所述慢转电磁阀10安装在第三管路15上，所述停车电磁阀11安装在第四管路30上，所述正车倒车电磁阀8、起动电磁阀9、慢转电磁阀10和停车电磁阀11均与柴油机控制接口单元电连接，每个电磁阀通过柴油机控制接口单元接受柴油机操纵单元给的控制信号，得电后打开，气源得以通过。

本实施例中，所述凸轮轴换向模拟执行机构包括换向伺服气缸26和换向凸轮机构27，所述第一管路23与换向伺服气缸26连接，所述换向伺服气缸26的顶杆与换向凸轮机构27连接且换向伺服气缸26用于驱动换向凸轮机构27，所述空气分配器换向模拟执行机构包括空气分配器换向气缸22和空气分配器21，所述第一管路23与空气分配器换向气缸22连接，所述空气分配器换向气缸22的顶杆与空气分配器21连接且空气分配器换向气缸22用于驱动空气分配器21，所述主起动阀模拟执行机构包括主起动阀伺服气缸16和模拟主起动阀18，所述第二管路17与主起动阀伺服气缸16连接，所述主起动阀伺服气缸16的顶杆通过阀杆与模拟主起动阀18连接且主起动阀伺服气缸16用于通过阀杆带动模拟主起动阀18转动，所述慢转电磁阀10包括慢转阀伺服气缸14和模拟慢转阀19，所述第三管路15与慢转阀伺服气缸14连接，所述慢转阀伺服气缸14的顶杆通过阀杆与模拟慢转阀19连接且慢转阀伺服气缸14用于通过阀杆带动模拟慢转阀19转动，所述停车油门模拟驱动机构包括停车伺服气缸31和油门刻度指示装置29，所述第四管路30与停车伺服气缸31连接，所述停车伺服气缸31设置在油门刻度指示装置29的一侧且停车伺服气缸31用于推动油门刻度指示装置29的指示针从而使指示针归零，模拟现有技术中柴油机的停车伺服气缸31关闭油门的现象从而为学员展示停车伺服气缸31的工作情况。本实施中的各种气缸都包括气缸活塞组件，在各个逻辑控制的电磁阀得电打开后，气源经过各个电磁阀和管路到气动执行机构，推动气动执行机构动作，本实施例的仿真屏面板1上均安装有多个位置开关，每个位置开关均设在各个气缸的顶杆的一侧，各个气缸活塞的顶杆动作将压到相应的位置开关上，使得位置开关状态发生改变，信号反馈到柴油机操纵单元，本实施例中的模拟主起动阀18和模拟慢转阀19均采用可转动的圆盘进行模拟。换向凸轮机构27是金属机加工零件，按照柴油机单缸的凸轮轴换向机构加工。

本实施例中，所述螺旋桨旋转驱动机构包括第一步进电机驱动模块、第一步进电机和螺旋桨机构3，所述第一步进电机驱动模块与第一步进电机连接，所述第一步进电机驱动模块与速度调节单元连接，所述第一电机驱动模块和第一步进电机均安装在仿真屏面板1的后侧，所述第一步进电机的输出轴穿过仿真屏面板1并与仿真屏面板1前侧的螺旋桨机构3连接从而驱动螺旋桨机构3旋转。

本实施例中，所述飞轮转动驱动机构包括第二步进电机驱动模块、第二步进电机和飞轮机构5，所述第二步进电机驱动模块与第二步进电机连接，所述第二步进电机驱动模块与速度调节单元连接，所述第二电机驱动模块和第二步进电机均安装在仿真屏面板1的后侧，所述第二步进电机的输出轴穿过仿真屏面板1并与仿真屏面板1前侧的飞轮机构5连接从而带动飞轮机构5旋转，所述测速单元4安装在飞轮机构5的一侧且用于测量飞轮机构5旋转的转速，所述油门指示伺服机构包括伺服电机33，所述伺服电机33通过调油连杆结构32（采用现有技术中的连杆结构），与油门刻度指示装置29的指示针连接，伺服电机33用于驱动油门刻度指示装置29，伺服电机33带动指示针变化从而为学员展现出模拟的伺服电机33驱动油门大小的现象。

本实施例中，参见图2和图3，还包括盘车模拟机构，所述盘车模拟机构包括齿轮6、齿轮轴34、手柄13、固定座7和位置开关36，所述齿轮轴34和固定座7均安装在仿真屏面板1上且固定座7位于齿轮轴34的右侧，所述齿轮6活动的安装在齿轮轴34上，所述齿轮6位于飞轮机构5的右侧，所述手柄13铰接在固定座7上，所述手柄13的左侧连接有两条横杆35，所述齿轮6位于两条横杆35之间，给手柄施加一转力，手柄13通过横杆35可以推动齿轮6在齿轮轴34上前后移动，齿轮6向前移动后与飞轮机构5啮合，齿轮6向后移动后与飞轮机构5脱开，所述位置开关36安装在固定座7上且所述手柄13发生移动时能触碰到位置开关36，所述位置开关36与柴油机控制接口单元连接，齿轮6与飞轮机构5脱开时，本实施例中的手柄13的位置是触碰到位置开关36的，当手柄13离开位置开关36并通过横杆35带动齿轮6在齿轮轴34上向前移动，直到齿轮6与飞轮机构5啮合，此时位置开关36发送信号给柴油机控制接口单元连接，柴油机控制接口单元连接通过速度调节单元控制第二步进电机驱动模块，第二步进电机停止工作，飞轮机构5停止转动，此控制信号设置是为了防止柴油机的飞轮机构5在盘车机啮合时运转，从而让学员学习盘车机构的工作情况。

本实施例中，所述测速单元4为测速探头,所述速度调节单元为调速器，所述仿真屏面板1粘贴有贴片20，所述贴片20用于模拟空气总管，所述模拟主起动阀18和模拟慢转阀19均固定在贴片20上。

本实施例中，还包括柴油机工况参数发生器和安全保护单元，其中安全保护单元采用现有技术中的船舶柴油机安保系统，所述柴油机工况参数发生器与安全保护单元连接，所述安全保护单元和速度调节单元连接，所述逻辑控制电磁阀组2还包括紧急停车电磁阀12，所述紧急停车电磁阀12与安全保护单元连接，所述气动执行机构包括紧急停车油门模拟驱动机构，所述紧急停车油门模拟驱动机构包括紧急停车伺服气缸24和传动连杆机构28（采用现有技术中的连杆结构），所述气源装置通过第五管路25与紧急停车伺服气缸24连接，所述紧急停车电磁阀12安装在第五管路25上，所述传动连杆机构28的一端与油门刻度指示装置29的指示针连接，所述紧急停车伺服气缸24的顶杆与传动连杆机构28的另一端在同一水平方向上，所述紧急停车伺服气缸24用于推动传动连杆机构28的另一端从而使传动连杆机构28带动油门刻度指示装置29的指示针归零，其中传动连杆机构28模拟的就是现有技术中柴油机的油门杆，传动连杆机构28带动指示针归零从而为学员展示油门杆关闭油门的现象。柴油机工况参数发生器和安全保护单元为柴油机的运行提供模拟参数，柴油机工况参数发生器包括多个高精度多旋电位器、多个按钮开关、模拟量采集模块、开关量采集模块、plc和工控机，柴油机工况参数发生器用于模拟柴油机运行时的燃油、滑油、压缩空气、冷却液压力、温度、流量等参数，用高精度多旋电位器来代替模拟信号的输入，按钮开关代替开关量信号的输入，这两类信号分别送到模拟量采集模块和开关量采集模块，这两类采集模块具有运算处理和通信功能，将结果送至plc，plc与工控机进行通信，在工控机的显示屏显示具体柴油机的监控画面。plc判断高精度多旋电位器输入的参数或按钮开关输入的参数是否越限，越限后还将信号发送给安全保护单元，安全保护单元发送信号给速度调节单元，速度调节单元控制柴油机的自动减速和停车，即速度调节单元控制第一步进电机驱动模块、第二步进电机驱动模块和伺服电机33，同时安全保护单元发送信号给紧急停车电磁阀12，紧急停车电磁阀12打开，气源通过第五管道并驱动紧急停车伺服气缸24，紧急停车伺服气缸24的顶杆推动传动连杆机构28的一端，传动连杆机构28的另一端带动油门刻度指示装置29的指示针归零，从而为学员模拟油门杆关闭油门的现象。

本实施例中还包括电源，电源为整个系统供电，本实施例中的柴油机操纵单元使用现有技术的柴油机操纵系统，即柴油机控制器，柴油机操纵单元上设有操纵手柄、慢转开关和启动开关，现有技术中的柴油机操纵系统具有发送慢转信号、启动信号、换向信号和停车信号的功能，本发明具体工作过程为：柴油机操纵单元发送慢转信号给柴油机控制接口单元，柴油机控制接口单元控制慢转电磁阀10和正车倒车电磁阀8打开，气源装置内的气源通过第一管路23推动换向伺服气缸26和空气分配器换向气缸22，换向伺服气缸26和空气分配器换向气缸22内的活塞的顶杆分别带动换向凸轮机构27和空气分配器21进行换向工作，气源装置内的气源通过第三管路15推动慢转阀伺服气缸14，慢转阀伺服气缸14内的活塞的顶杆通过阀杆带动模拟慢转阀19（圆盘）动作，模拟实际的慢转阀的开启动作，同时柴油机控制接口单元通过速度调节单元控制第一步进电机驱动模块工作，第一步进电机带动螺旋桨机构3慢转，此时学员可以观察柴油机慢转的时候机构的工作情况；当柴油机操纵单元发送起动信号给柴油机控制接口单元时，柴油机控制接口单元控制起动电磁阀9和正车倒车电磁阀8打开，气源装置内的气源通过第一管路23推动换向伺服气缸26和空气分配器换向气缸22，换向伺服气缸26和空气分配器换向气缸22内的活塞的顶杆分别带动换向凸轮机构27和空气分配器21进行换向工作，气源装置内的气源通过第二管路17推动主起动阀伺服气缸16，主起动阀伺服气缸16内的活塞的顶杆通过阀杆带动模拟主起动阀18（圆盘）动作，模拟实际的主起动阀的开启动作，同时柴油机控制接口单元通过速度调节单元分别控制第一步进电机驱动模块、第二步进电机驱动模块和伺服电机33工作，第一步进电机带动螺旋桨机构3旋转，第二步进电机带动飞轮机构5旋转，伺服电机33带动油门刻度指示装置29的指示针移动，模拟油门变大变小的现象；当需要进行停车的时候，柴油机操纵单元发送停车信号给柴油机控制接口单元，柴油机控制接口单元通过速度调节单元控制第一步进电机、第二步进电机和伺服电机停止工作，同时柴油机控制接口单元控制起动电磁阀9和正车倒车电磁阀8关闭，停车电磁阀11打开，气源通过第四管路30驱动停车伺服气缸31，停车伺服气缸31内的活塞的顶杆推动油门刻度指示装置29的指示针归零。测速单元4实时监测飞轮机构5的转速并反馈给柴油机操纵单元，柴油机操纵单元根据自身的操作手柄的位置变换相应的电信号，与测速单元4的转速反馈比较给出调速指令，此调速信号通过柴油机控制接口单元通过rs485接口送至速度调节单元，速度调节单元输出脉冲至第一步进电机驱动模块、第二步进电机驱动模块和伺服电机33，调节第一步进电机和第二步进电机的转速，控制伺服电机33转到相应位置从而带动油门刻度指示装置29的指示针指示油门开度，模拟伺服电机33控制油门大小的现象。

在校学生或校外培训学员可以在本发明上进行相关训练，训练学员实际操作能力，可反复对本发明起停和运转进行操作训练，让学员在较短的时间内积累操作经验。本发明具有真实的气动操纵和执行机构以及控制电路等，和实际柴油机操纵系统部件十分贴近，学员通过观察相应器件动作情况，快速地掌握船舶主柴油机气动操纵系统的组成、工作原理和具体控制电路及故障判断。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。