M11康明斯發動機燃油系工作原理與故障分析實訓

康明斯發動機是高速推土機、挖掘機和裝載機等工程機械的主要動力裝置， 其工作狀態決定著整個高速推、挖、裝的工作進度。該發動機的智能化、自動化程度一般都比較高， 結構復雜， 故障發生率也比較高。液壓系統一旦出現故障后， 檢測與維修難度都比較大。利用微電腦技術和電子技術對康明斯發動機的工作過程和工作原理進行仿真模擬和演示操作， 可以直觀地反映出發動機的工作狀態與故障特性， 進行發動機的故障診斷與排除教學實驗， 有助于受訓人員掌握發動機的工作原理、熟悉發動機的結構、故障特點、檢測手段與排除方法， 提高其檢測、維修與保障的能力。
1、M11發動機燃油系實訓臺總體結構設計
燃油系實訓臺的典型結構由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、模式選擇開關區、工作參數調整按鈕區、微電腦控制單元和相應的驅動電路與控制軟件組成。實訓臺架上的工作原理演示面板、各種設置、調整與控制開關均由大面積薄膜開關組件制成。
1.1 實訓臺的機械結構
實訓臺機械結構由可移動萬向臺架組成,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關陣列、故障原因設置薄膜開關陣列等。微電腦控制單元和驅動電路、附件電纜等安裝在上部臺架里。上部參加采用雙后開門結構， 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關、故障原因排除按鈕陣列以相應的連接電纜等附件。下部前后均開門。臺架經過高溫噴漆處理, 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實訓臺的控制中樞， 其核心是C8051F029單片機。控制單元接受用戶輸入的控制信息， 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行動態運轉以模擬總成或系統的工作過程； 模擬故障分析排除過程， 指導受訓人員學習和掌握故障診斷與排除方法； 根據實訓臺的教學、訓練流程， 同步給出語音提示信息； 設置考核題目， 對受訓人員的訓練情況進行考核和驗收， 促進受訓人員的訓練
與學習。
控制單元由MCS51單片機處理模塊、模擬量輸入、開關量輸入輸出、電源模塊、串行通訊模塊、電平轉換與驅動模塊、語音模塊等組成。硬件控制板以C8051F020單片機為核心， 并完善了系統硬件環境， 保證實訓臺在使用過程中， 能夠實時采集到真實的信號數據， 可靠地實現對整個系統的控制， 減少故障的發生，延長系統的使用壽命。整個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、實訓臺研制中的關鍵技術
2.1 PT泵燃油系工作原理圖的LED的可控動態演示M11發動機PT泵燃油系的工作原理演示圖， 需要多個LED燈來進行動態演示。而微控制器I/O端口數量是有限的， 軟件上采用循環算法效率不高， 且采用并行驅動難以實現。項目組在設計過程中， 采用高性能8位3態總線中繼或收發器件HC245級聯， 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的動態顯示， 當需要增加LED數量時，只需進一步級聯HC245即可， 而不用占用新的I/O端口。LED的動態可控流水操作， 充分展示了新型工程各總成及系統的工作原， 極大地提高了實訓臺的直觀性、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 實訓臺教學、實訓過程與語音提示的同步處理
實訓臺運行時， 無論是工作原理的演示過程， 還是故障現象、故障原因及故障排隊方法的教學或考核， 都伴隨有相應的語音提示。因此在硬件和軟件設計時， 必須考慮語音與動作的同步問題。這樣才能提高教學與訓練效果。
項目設計中采用了語音芯片， 并在軟件設計中開發了相應的語音同步程序， 使實訓臺的工作過程中的語音提示準確同步， 極大地提高了實訓臺的使用性能。
2.3 大容量開關矩陣輸出量的數據采集
實訓臺的故障現象、故障原因、故障排除方法和狀態參數的調整等都是通過薄膜開關來實現。因此實訓臺的開關數量相當多， 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， 而且還要與這些開關進行信息交互， 對系統的硬軟件資源要求*。項目組經過反復研究討論， 采用了兩種開關數據采集方案：
①選用高性能數碼管/鍵盤驅動模塊CH452進行開關動作識別并完成開關左側LED示意燈的控制；
②在開關上接入不同阻值的電阻， 再將開關輸入量送入A/D進行采用和轉換， 根據其模擬量的不同來識別不同的開關輸入。通過這兩種方案的結合， 解決了開關矩陣的信息輸入問題。這一方案擴展了實訓臺的適用范圍， 提高了實訓臺的使用性能。
2.4 燃油系故障樹的構建
實訓臺的故障分析過程中， 受訓人員應能根據燃油系的常見故障現象， 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。但由于實訓臺面板和薄膜開關矩陣中開關量的限制， 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， 遇到了較大的困難。筆者利用了故障樹理論， 構建了燃油系常見故障現象、故障原因和故障排除方法故障樹。結合單片機的軟件編程， 實現了結構化、參數化和模塊化的控制軟件與故障樹的有機結合， 解決了故障分析實訓過程中的困難。
3、結束語
本文研制的實訓臺包含了M11康明斯發動機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、實訓和考核等功能， 能夠適用于駕駛操作與維修人員及相關人員的教學與實訓， 實訓內容廣泛全面， 滿足了工程裝備保障分隊操作使用維修人員學習和掌握PT泵燃油系工作原理的需求， 以及對PT泵燃油系常見故障現象、故障原因的分析判斷訓練和故障排除方法的實訓要求， 具有較高的使用價值。