船舶柴油機油液檢測裝置設計及其關鍵技術

崔桂成，張禮華，曹 偉，王玉寶

(1.江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.滬東重機有限公司，上海 200129)

0 引 言

據國家技術部門研究，柴油油液品質不合格是柴油機機械系統故障和大型機械元件過早磨損的主要原因，占柴油機設備故障的70%～80%[1-2]。當前，機械設備的智能化已成為當今社會發展的主流，機械設備發生故障有很多因素，比如零部件間的磨損，這種磨損久而久之會降低柴油機機械的使用壽命。柴油是船舶柴油機機械設備的“血”[3-4]，因此，對大功率柴油機的油液品質進行檢測變得及其重要，柴油的污染控制與檢測是現代大型柴油機獲得最佳工作效果的必要措施[5]。油液品質檢測已成為柴油機系統運行狀態檢測和故障診斷的主要手段，得出油液的更換周期，方便快捷。

本研究針對船舶柴油機，設計一個油液檢測裝置，無需船舶柴油機設備的拆解，通過油液檢測裝置就可以觀察柴油機油液中攜帶的油品水分、顆粒物大小和顆粒物濃度等參數，也可以鑒別柴油機系統的工作狀態。如果柴油機油液檢測裝置測量出的結果顯示油品等級“不合格”，那么應立即油液檢測裝置中的顆粒物大小及種類，進行故障檢測、定位和預測，從而獲得柴油機油液的更換周期，這樣可以降低維護成本，提高柴油機工作的穩定性，延長柴油機設備的使用壽命[6-8]。

1 油液檢測裝置整體設計概述

油液檢測內部控制器芯片部分主要包括微處理器STM32F103ZET6、顯示模塊TFT-LCD、傳感器采集信號、電源模塊提供電量、蜂鳴器報警、RS232串口通信模塊等幾大部分，整體設計系統結構框圖如圖1所示。

圖1 整體設計系統結構框圖Fig.1 Overall design system block diagram

首先，按下按鍵啟動油泵，隨之油液輸送到水分傳感器和顆粒傳感器中，水分傳感器采集水分濃度信號，顆粒傳感器采集顆粒物大小和顆粒物濃度信號，輸送至微處理器芯片STM32F103ZET6模塊，經過AD轉換，經過信號調理電路，調理成穩定的信號之后，可以實時將采集的數據在液晶顯示屏TFT-LCD顯示。

信號采集模塊負責傳感器采集數據，獲取參數信息。控制器模塊與上位機進行通信，傳感器采集的信號，經過信號調理電路，將調理后的模擬電壓信號送入STM32F103ZET6微處理器的ADC輸入端，將模擬信號轉換成數字信號，最后，下位機將檢測到的數據顯示在液晶顯示屏，上位機通過RS232通信方式，將數據結果顯示在上位機。上位機可以將傳感器檢測到的各項指標進行實時顯示，對數據進行存儲，若檢測到的各項參數超過用戶的設定值，STM32F103ZET6就會啟動蜂鳴器報警電路進行報警[9-10]。

2 檢測裝置結構設計與分析

2.1 裝置的結構設計

基于Solidworks三維結構建模技術，依據柴油機體積大小、空間位置、適用性與合理性等參數指標，設計出柴油機的油液檢測裝置結構模型。在此油液檢測裝置中，外形部分由外殼1、進油管2、回油管3、郵箱門蓋4和油泵5組成，均由材料Q235制作而成。柴油機中油液流動的路徑即是：啟動油液檢測裝置，開啟油泵，將柴油機中的部分油液吸送到油液管路中，進入油液檢測裝置，實時檢測完成后，油液離開油液檢測裝置，經過回油路管道，重新輸送到柴油機中，繼續工作運行，圖2箭頭表示油液流動路徑。

圖2 整體設計結構圖Fig.2 Overall design diagram

2.2 有限元分析

油液檢測裝置的支架在柴油機中，起到支撐監測裝置的作用，因此其在此裝置中起穩定作用。利用Abaqus，對油液檢測裝置設備的支架進行必要的分析。分析目的與要求是：對柴油機油液檢測裝置支撐架進行振動工況強度計算，確定其應力狀態及安全性。

油液檢測裝置支撐材料屬性如表1所示。工況為約束筒體遠離支撐的一半。筒體和油液檢測裝置之間用螺栓連接，其中M10螺栓預緊力12 300 N，M16螺栓預緊力 34 000 N。螺栓與被連接件之間建立接觸。整個模型受3個方向加速度和重力。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

根據邊界約束條件劃分網格，如圖3所示。

圖3 模型邊界條件施加示意圖Fig.3 Model boundary condition application diagram

分析得到支撐裝置的應力云圖，如圖4所示。

圖4 支撐裝置應力云圖Fig.4 Stress nephogram of support device

圖5 支撐裝置位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of support device

油液檢測裝置因螺栓預緊力導致的螺栓孔區域應力達到255.4 MPa，油液檢測裝置其他位置當質量為20 kg時，局部區域應力最大值分別為175 MPa；接線盒最大變形量分別為0.34 mm。支撐結構其他位置應力在振動工況強度下應力結果都較小，材料可選Q235或CL.B材料。

3 系統硬件設計

3.1 主控模塊

主控模塊選用STM32F103ZET6芯片，作為船舶柴油機油檢測裝置的核心控制芯片。有3個12位模數轉換通道、3個USART串行端口，也含有SPI，I2C，USB，CAN等串口。外部擴展模塊方便使用，系統的硬件設計可以很大程度上簡單化。

STM32F103ZET6有自己的固件庫函數操作，代替了繁瑣的寄存器操作，這樣軟件開發極其方便，編程效率大大提高。多通道數據可以同時傳輸，使該檢測系統具有實時性，所以選擇STM32F103ZET6芯片作為油液檢測裝置的微控制器。

3.2 通信電路

在通信電路中，由于RS232電平的特殊性，其與STM32F103ZET6無法進行直接連接，所以兩者間必須添加一個電平轉換芯片，用來電平轉換。在此油液檢測裝置控制板中，選擇的是SP3232芯片來進行電平轉換操作。

在STM32F103ZET6微處理器芯片中，其內部附有USART串口，擁有與其外部設備進行通信的功能，但因STM32F103ZET6的輸入輸出電平均為TTL電平，而用Visual Studio開發的上位機是以RS232為標準的串行接口，因此務必需要串口通信模塊，外部僅需2個0.1μF、2個1μF的電荷泵電容，即可實現RS232與TTL之間的轉換。

3.3 顯示電路

考慮到傳感器采集到的參數完整顯示，在下位機中使用TFT-LCD 液晶顯示屏，分辨率RGB是320*240，此液晶顯示屏支持觸摸，可以完成參數設定、存儲數據等功能，其特點是通用性很強，隨插隨用。

4 軟件及上位機設計

4.1 主程序流程設計

油液檢測裝置的控制系統軟件主流程圖如圖8所示。油液檢測裝置開啟電源通電后，第1步要將硬件初始化，配置相關必備的寄存器，硬件初始化完畢。初始化大約5s之后，進行軟件初始化，配置AD轉換、串口程序、中斷服務程序等。所有準備工作之后，運行到顯示程序，后面所有功能都圍繞顯示程序展開，緊接著進入按鍵掃描，開啟油泵，執行完之后都要回到顯示程序。若油品合格，會一直進行檢查操作；如若不合格，會進行蜂鳴器報警操作。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

4.2 上位機設計

下位機設備中STM32F103芯片中有3個串口控制寄存器，其中最常用的串口控制寄存器是USART_CR1，其中RXNEIE為接受緩沖區非空中斷使能，油液檢測系統進行串口通信的方法是串口中斷法。首先在程序中需要開啟USART中斷，然后接收數據，待數據接收完成后，寄存器中的RXNEIE位置為‘1’ ，隨之會發生中斷，可以在中斷函數中將數據讀出，讀出之后對中斷標志位進行清除。

上位機相對下位機的優勢是避免了對工作環境的實時依賴，很大程度上提高數據的存儲性能與記憶性能。操作步驟是：首先啟動電源，打開上位機界面的串口，選擇單片機對應的COM口（COM1-COM10可選），設置好波特率，串口狀態顯示綠燈時，表示連接成功；顯示紅燈時，則連接失敗，則需要重新掃描串口，可以關閉電源后重啟。右邊的發送區與接收區可以檢測串口調試代碼是否按照下位機指令來編譯，是否會發生錯誤。當接收區數據接收過多時，可以點擊清空接收區，這樣可以顯得接收區界面簡潔利落。參數監控部分，根據油液檢測的傳感器，可以得到水活性、溫度、介電常數、顆粒濃度、粘度和密度參數。如若參數合格，即參數數值均在可接受范圍，那么油液品質會顯示“是”，表示合格，油液可以繼續在柴油機中使用；如若參數不合格，即參數數值過大或者過小，那么油液品質會顯示“否”，表示 不合格，需要更換油液。

5 結 語

本文首先設計一套船舶柴油機的油液檢測裝置的結構，然后進行結構支架的工況強度分析，證明該結構裝置所用材料的可靠性。下位機中，基于STM32F103ZET6單片機，對關鍵的串口通信電路進行詳細的表述。同時，還運用Visual Studio軟件，開發一套船舶柴油機油液檢測系統的上位機，可以進行與下位機實時傳輸數據，實施檢測。該系統檢測精度較高、測量穩定、人機交互較好，適用于多種復雜工況下油液的品質檢測，盡可能減小油液檢測設備所產生的誤差。