基于半實(shí)物仿真的電液系統(tǒng)模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)

余忠康，申金星，李煥良，韓趙喚，楊小強(qiáng)

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001）

引言

軍用工程裝備是隨行戰(zhàn)場(chǎng)工程保障任務(wù)的重要力量，對(duì)保障戰(zhàn)時(shí)部隊(duì)機(jī)動(dòng)、反機(jī)動(dòng)和生存起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，新型工程裝備不斷列裝部隊(duì)，在大幅度提升部隊(duì)裝備保障能力的同時(shí)，各種裝備的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，裝備的維護(hù)保養(yǎng)及維修成本逐步上升，對(duì)維修保障人員提出了更高的要求[1]。某型推土機(jī)作為中國(guó)人民解放軍列裝的新型工程裝備，具有行駛速度快、作業(yè)效率高、可伴隨部隊(duì)機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，適用于城市建筑、道路施工、軍事工程、搶險(xiǎn)救災(zāi)等工程任務(wù)。由于受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地的制約，缺乏有效的維修訓(xùn)練手段，僅僅采取傳統(tǒng)的維修原理講解維修操作訓(xùn)練的方式，無(wú)法使維修人員快速了解裝備維修原理、掌握維修要領(lǐng)、提高維修保障能力。因此，研制基于半實(shí)物仿真的某型推土機(jī)電液系統(tǒng)模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)顯得尤為重要，其能夠?qū)崿F(xiàn)裝備工作原理展示、故障點(diǎn)位的設(shè)置、故障機(jī)理分析及判斷排除等模擬實(shí)裝維修訓(xùn)練的功能，對(duì)轉(zhuǎn)變裝備傳統(tǒng)維修訓(xùn)練模式、降低維修訓(xùn)練成本、提升維修訓(xùn)練水平起到極大的促進(jìn)作用。

1 模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

本平臺(tái)主要針對(duì)某型推土機(jī)電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)兩部分進(jìn)行故障檢測(cè)與診斷，完成裝備的維修訓(xùn)練任務(wù)，包括電氣系統(tǒng)平臺(tái)、液壓系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)及工程裝備維修保障模擬訓(xùn)練演示終端四個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

圖1 電液系統(tǒng)模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.1 電氣系統(tǒng)平臺(tái)硬件構(gòu)成

電氣系統(tǒng)平臺(tái)包含電氣控制柜和電氣元件安裝面板。其中電氣控制柜包括燈光控制開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、濾油器報(bào)警開(kāi)關(guān)、電子監(jiān)測(cè)儀、故障報(bào)警蜂鳴器等，電氣元件安裝面板包括模擬定位電磁鐵、模擬傳感器、模擬燈光系統(tǒng)、模擬起動(dòng)機(jī)、智能電壓電流雙用檢測(cè)表等，電氣系統(tǒng)平臺(tái)的組成如圖2所示。為了最大限度地實(shí)現(xiàn)與實(shí)裝維修訓(xùn)練相同的訓(xùn)練效果，電氣控制柜和電氣元件安裝面板上的操作部件和顯示器件與實(shí)裝基本相同，保證操縱平臺(tái)的操縱感覺(jué)、力度與原裝備盡量一致，能讓操作訓(xùn)練人員產(chǎn)生與實(shí)裝訓(xùn)練相似的視覺(jué)和觸覺(jué)[2]。電氣系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 電氣系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

圖3 電氣系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物圖

1.2 液壓系統(tǒng)平臺(tái)硬件構(gòu)成

液壓系統(tǒng)平臺(tái)主要包括液壓泵站和液壓操作臺(tái)，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。其中液壓泵站主要由液壓泵、加熱泵、空氣濾清器、壓力濾油器、雙金屬溫度表、油位觀察窗、泵站控制箱、壓力傳感器等組成。液壓操作臺(tái)主要由信號(hào)控制箱、操作臺(tái)、模擬轉(zhuǎn)向液壓回路、模擬懸掛液壓回路、模擬側(cè)傾液壓回路、模擬轉(zhuǎn)斗油缸回路、模擬提升油缸回路、模擬動(dòng)臂油缸回路、模擬抓具油缸回路、模擬絞盤(pán)馬達(dá)回路。液壓操作平臺(tái)的三維透視圖如圖5所示。

圖4 液壓系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

圖5 液壓操作臺(tái)的三維透視圖

1.3 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)量控制電路、模擬信號(hào)控制電路、串轉(zhuǎn)并輸出電路、并轉(zhuǎn)串輸入電路、測(cè)試點(diǎn)電路、傳感器電路、16路開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路、電源電路、輸入檢測(cè)電路、通信接口電路等組成。系統(tǒng)電壓由外部電源模塊供電，220 V的交流電經(jīng)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為24 V直流電，供操作手柄和翹板開(kāi)關(guān)等使用，24 V直流電壓再經(jīng)過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，供單片機(jī)和AD轉(zhuǎn)換電路等使用。單片機(jī)通過(guò)串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號(hào)通過(guò)串口輸出到RS232/USB轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)，再輸入演示終端，控制模擬訓(xùn)練軟件的運(yùn)行[3]。其工作原理圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)工作原理圖

2 平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)系統(tǒng)軟件采用Visual Studio C#進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，能夠在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行。系統(tǒng)采用性能優(yōu)越、可靠性高的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制機(jī)，采用多種功能強(qiáng)大的軟件作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用仿真控制和顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)通用設(shè)備、各種I/O接口電路、通用接口和控制單元來(lái)完成系統(tǒng)平臺(tái)的搭建[4]。模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的軟件主要由裝備結(jié)構(gòu)組成、故障設(shè)置、故障診斷排除、系統(tǒng)幫助、數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)管理、虛擬儀表軟件、CAN總線等構(gòu)成，平臺(tái)系統(tǒng)軟件的集成框架如圖7所示。其中數(shù)據(jù)庫(kù)主要將裝備結(jié)構(gòu)模型、故障典型案例庫(kù)、故障機(jī)理原理圖、音視頻和數(shù)據(jù)資料等按照一定數(shù)據(jù)模型組織和存儲(chǔ)[5]。維修訓(xùn)練人員通過(guò)人機(jī)交互模塊進(jìn)行各類操作按鈕、開(kāi)關(guān)和手柄的信號(hào)輸入，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊的采集、處理、轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生各種故障的模擬信號(hào)，并通過(guò)虛擬儀表軟件實(shí)現(xiàn)裝備結(jié)構(gòu)原理展示、故障設(shè)置、故障診斷排除等模擬維修訓(xùn)練[6]。

圖7 平臺(tái)系統(tǒng)軟件的集成框圖

3 模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)功能

某型推土機(jī)電液系統(tǒng)模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)對(duì)實(shí)裝的電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)進(jìn)行了模擬集成，具有完整的結(jié)構(gòu)體系，布局較為合理，調(diào)研收集了某型推土機(jī)在實(shí)裝訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的各類故障類型、故障原因、故障機(jī)理及診斷排除方法，利用單片機(jī)、模擬開(kāi)關(guān)、虛擬儀表等模擬各類電控信號(hào)，進(jìn)行裝備故障現(xiàn)象的模擬，使訓(xùn)練人員能夠進(jìn)行故障診斷與模擬維修訓(xùn)練[7]。其三維軟件界面如圖8所示，具體功能如下：

圖8 模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)三維軟件界面

1）裝備結(jié)構(gòu)講解：受訓(xùn)人員能夠通過(guò)軟件操作，對(duì)裝備三維模型進(jìn)行移動(dòng)、虛實(shí)切換，了解掌握裝備的部件組成、功能用途、性能特點(diǎn)及構(gòu)造原理。

2）裝備故障設(shè)置：通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)操作或模擬信號(hào)控制演示裝備電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)常見(jiàn)的故障現(xiàn)象，全面、逼真地展現(xiàn)出裝備可能出現(xiàn)的各類故障。

3）故障診斷排除：受訓(xùn)人員根據(jù)對(duì)故障現(xiàn)象的分析，判斷故障點(diǎn)位，利用測(cè)量?jī)x器對(duì)故障點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，分析測(cè)量數(shù)值及故障原因，并最終完成故障排除，掌握裝備故障檢測(cè)診斷與維修技能。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)某型推土機(jī)電液系統(tǒng)模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)，采用半實(shí)物仿真的方式，使得參訓(xùn)人員能夠通過(guò)操縱相關(guān)部件及模擬維修軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備故障的設(shè)置、分析、診斷及排除，了解并掌握裝備的結(jié)構(gòu)組成和故障機(jī)理，提升參訓(xùn)人員的裝備維修能力，對(duì)提高部隊(duì)裝備維修水平具有重大意義。