冷藏集裝箱故障診斷中的故障分類研究

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(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

20世紀(jì)70年代以來，全球化進(jìn)程加快，物流業(yè)飛速發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸成為國際貿(mào)易最重要的運(yùn)輸方式之一[1]。為了滿足不同種類貨物的運(yùn)輸要求，集裝箱的形式越來越多樣化。有些貨物對環(huán)境的溫、濕度(甚至氣體成分)要求高，管理復(fù)雜，因此需要特殊的集裝箱來控制所需要的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。冷藏集裝箱能夠有效抑制細(xì)菌和微生物的活動，減緩或防止長距離運(yùn)輸過程中貨物“品質(zhì)”的降低，實(shí)現(xiàn)“門到門”運(yùn)輸，是食品、醫(yī)藥、生物等行業(yè)的物流領(lǐng)域不可缺少的運(yùn)輸手段。目前，全球航運(yùn)業(yè)的冷藏集裝箱的保有量已經(jīng)超過150萬TEU。在海洋運(yùn)輸過程中，受航區(qū)、航向、氣溫、水溫、太陽輻射角、貨物種類和數(shù)量等多變干擾因素的影響，冷藏集裝箱的動態(tài)熱負(fù)荷急劇變化，再加上船舶在航行過程中的震動、擺動等因素，引發(fā)冷藏集裝箱系統(tǒng)的大量故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有高達(dá)7%的冷藏貨物是在運(yùn)輸途中因?yàn)楸O(jiān)管不善而損毀。因此，有必要提高冷藏集裝箱的監(jiān)管水平，及時(shí)、準(zhǔn)確的故障診斷是監(jiān)管的關(guān)鍵之一。種類眾多的故障使得冷藏集裝箱的故障診斷的難度較大，作為故障診斷的基礎(chǔ)，合理的故障分類有助于更好地開展故障診斷，因此，進(jìn)一步的故障分類研究意義重大。

1 冷藏集裝箱的故障診斷現(xiàn)狀

為了保證冷藏集裝箱所載貨物的質(zhì)量，減少貨物損失，管理方從陸上環(huán)節(jié)到海上環(huán)節(jié)采取了多重措施，包括：運(yùn)輸前檢修、碼頭堆場的監(jiān)控和檢修、在船的監(jiān)控和檢修、定期維修等。對于正在服務(wù)中的冷藏集裝箱，目前，大多數(shù)集裝箱港口普遍采用指派專職人員定時(shí)去冷藏箱區(qū)巡查并記錄每只冷藏箱的運(yùn)行狀況，若發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)溫度或壓縮機(jī)工作異常，馬上報(bào)告修理部門進(jìn)行處理[2]。在運(yùn)輸過程中，也是采取船員定時(shí)到現(xiàn)場檢查記錄，然后再逐一排除故障[3-4]。目前的冷藏集裝箱故障管理取決于現(xiàn)場人員是否能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，然后再由相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行排查。由此可見，人為因素的影響很大，相關(guān)人員的技術(shù)熟練程度以及經(jīng)驗(yàn)的豐富程度極大地影響管理的效果。

目前，所有的冷藏集裝箱都具備自動PTI(運(yùn)輸前檢查)功能，通過PTI將檢查出控制電路板、繼電器、電磁閥以及加熱器的故障，并以故障代碼的形式顯示出來，根據(jù)故障代碼，管理人員很容易查找故障原因，可以說，冷藏集裝箱的PTI已經(jīng)具備一定程度的智能，但是還不能診斷所有的故障。根據(jù)中遠(yuǎn)集裝箱運(yùn)輸公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，王世良[5]將冷藏集裝箱在船上的故障分為9類，并統(tǒng)計(jì)了每種故障類型發(fā)生的概率，并將冷藏集裝箱的制冷裝置分為制冷系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，根據(jù)這兩個(gè)系統(tǒng)工作原理的不同，設(shè)計(jì)了邏輯診斷故障圖，根據(jù)該邏輯進(jìn)行故障原因查找，可以找到大部分故障的起因。伍剛等[6]采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法為風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)、制冷劑不足、膨脹閥開度過大和吸排氣閥泄漏等故障建立了故障范例集。王世良等提出從溫度圖表的曲線形狀入手，結(jié)合相關(guān)的故障現(xiàn)象，綜合診斷冷藏集裝箱的某些故障。梁志強(qiáng)等[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了冷藏集裝箱故障診斷系統(tǒng)，并對壓縮機(jī)磨損、蒸發(fā)器堵塞、冷凝器堵塞和制冷劑泄漏4種故障進(jìn)行了正確診斷。王富銀和鄭學(xué)林[8]采用故障樹分析法，建立了制冷機(jī)組不啟動故障樹和換熱器故障樹。Zheng C.Y.等根據(jù)智能故障診斷的要求，提出要在冷藏集裝箱上實(shí)現(xiàn)智能故障診斷應(yīng)該從3個(gè)方面加強(qiáng)研究，包括建立判斷基準(zhǔn)用于故障檢測、獲取故障特征或者診斷規(guī)則用于診斷故障以及無線數(shù)據(jù)傳輸用于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

雖然冷藏集裝箱的故障診斷獲已經(jīng)取得了一些研究成果，但仍然有潛力可以挖掘。故障診斷近年來在制冷空調(diào)領(lǐng)域研究成果很多，本文借鑒相關(guān)的研究成果開展冷藏集裝箱的故障診斷分析。

2 故障分類及在故障診斷中的應(yīng)用

冷藏集裝箱系統(tǒng)比較復(fù)雜，部件較多，功能完善，因此，其故障的種類和原因比較多。為了降低故障診斷的難度，提高故障診斷的準(zhǔn)確率，相關(guān)行業(yè)在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的努力，其中，故障分類是提高故障診斷準(zhǔn)確率的有效方法，是故障診斷的基礎(chǔ)。借鑒各個(gè)領(lǐng)域制冷空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)研究成果，船用冷藏集裝箱系統(tǒng)的故障可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分類。

1)服務(wù)故障和運(yùn)行故障。Li H.L.等[9]認(rèn)為可以將蒸汽壓縮式空調(diào)的故障分類為服務(wù)故障和運(yùn)行故障，并指出，如果服務(wù)故障可以在提供相關(guān)的服務(wù)后立刻得到診斷和處理，在之后的故障診斷時(shí)就只需要考慮運(yùn)行故障。對于正在服役中的冷藏集裝箱，服務(wù)故障指的是在檢修過程中由于檢查、修理或更換部件、維護(hù)保養(yǎng)以及提供制冷劑、潤滑油等相關(guān)服務(wù)過程中產(chǎn)生的故障，如接線不牢、制冷劑過多以及螺栓松動等；運(yùn)行故障指的是冷藏集裝箱在陸上運(yùn)輸、碼頭堆場堆放以及海上運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的故障，如冷凝器臟堵、制冷劑泄漏以及馬達(dá)性能下降等；需要指出的是，有些故障雖然屬于服務(wù)故障，已經(jīng)在提供服務(wù)后得到診斷和處理，但仍然可能在運(yùn)行過程中產(chǎn)生，如電氣接線有可能在運(yùn)行過程中松動導(dǎo)致故障，因此，對于這些故障要特別注意，不要因?yàn)橹暗脑\斷和處理而忽視。

2)“硬” 故障和“軟”故障。Braun J.E.[10]認(rèn)為可以將蒸汽壓縮制冷設(shè)備(幾乎所有的冷藏集裝箱都采用此種設(shè)備)的故障分為“硬” 故障和“軟”故障，根據(jù)兩類故障的不同的特點(diǎn)制定相應(yīng)的故障診斷策略，為智能故障診斷提供支持。根據(jù)冷藏集裝箱的特點(diǎn)及作用，“硬”故障可定義為突然發(fā)生的、導(dǎo)致系統(tǒng)或系統(tǒng)中的重要部件停止工作使得箱內(nèi)設(shè)定溫度無法維持的故障，如電器元件燒毀、運(yùn)轉(zhuǎn)部件停機(jī)等，這類故障通常有明顯的故障特征，檢測相對簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)智能診斷，現(xiàn)有的PTI檢測已經(jīng)能夠檢測大部分的“硬”故障。“軟”故障指的是造成系統(tǒng)性能下降、但仍然可以控制住箱內(nèi)溫度的故障，如冷凝器外表面部分臟堵會導(dǎo)致冷凝壓力以及系統(tǒng)能耗升高，但卻不會立即造成溫度失控，這類故障往往緩慢發(fā)展，在故障程度較輕時(shí)沒有明顯的特征，比較難以診斷。隨著故障程度的加重，“軟”故障有可能轉(zhuǎn)化為“硬”故障，比如冷凝器臟堵嚴(yán)重時(shí)有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)因高壓保護(hù)而停機(jī)。對于“硬”故障，應(yīng)該要及時(shí)、準(zhǔn)確排查，對于“軟”故障則應(yīng)盡可能在故障程度較輕的時(shí)候?qū)⑵錂z測出來，防止其造成系統(tǒng)能耗的增加甚至發(fā)展成“硬”故障。

3)系統(tǒng)級別的故障和元件級別的故障。Li H.L.等認(rèn)為可以將蒸汽壓縮式空調(diào)的故障分類為系統(tǒng)級別的故障和元件級別的故障。系統(tǒng)級別的故障指的是故障的來源很難歸根于某一具體的元件，比如，制冷劑泄漏故障，故障的原因可能是系統(tǒng)的任意元件密封不良，因此該故障屬于系統(tǒng)級別的故障；元件級別的故障指的是故障來源可以歸根于某一部件，如冷凝器臟堵僅僅是冷凝器本身的故障，以其它元件無關(guān)，因此，該故障屬于元件級別的故障。對冷藏集裝箱來說，該分類方法可以借鑒的是，元件級別的故障一旦被確認(rèn)，立刻可以找到故障的原因。

4)流體相關(guān)故障和系統(tǒng)元件相關(guān)故障。Xiao F.等[11]將陸上建筑空調(diào)系統(tǒng)的定流量離心冷水機(jī)組的典型故障分類為流體相關(guān)故障以及系統(tǒng)元件物理故障。利用ASHRAE RP-1043的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過相對敏感度分析的方法提高對流體相關(guān)故障的診斷率。冷藏集裝箱具有與定流量冷水機(jī)組相似的制冷系統(tǒng)，區(qū)別在于將定流量的介質(zhì)由水換成空氣(通常冷藏集裝箱蒸發(fā)器的風(fēng)機(jī)為雙速，但在一定模式下，速度是固定的，如冷藏模式為高速，冷凍模式為低速)，這有利于借鑒該研究成果。對于冷藏集裝箱的來說，流體相關(guān)的故障包括：系統(tǒng)內(nèi)制冷劑過多、系統(tǒng)制冷劑泄漏、系統(tǒng)內(nèi)存在不凝性氣體、潤滑油過多、冷凝風(fēng)量減少、蒸發(fā)風(fēng)量減少等。值得關(guān)注的是，在冷藏集裝箱領(lǐng)域，尚未有類似ASHRAE RP-1043的研究項(xiàng)目對冷藏集裝箱制冷系統(tǒng)典型的故障進(jìn)行全面研究，為發(fā)展冷藏集裝箱智能故障診斷系統(tǒng)提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)以及不同故障程度下的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此，業(yè)界有必要開展類似的研究。

5)故障原因分類。對故障進(jìn)行分類可以提高故障診斷的效率，還可以為智能故障診斷提供基礎(chǔ)。此外，對故障原因也可以進(jìn)行分類，故障原因可以粗略分為可避免因素和不可避免因素。比如，與制冷劑相關(guān)的故障大概有制冷劑種類錯(cuò)誤、系統(tǒng)內(nèi)制冷劑過多或者過少三種，這些故障都會影響制冷機(jī)組的正常運(yùn)行。制冷劑種類錯(cuò)誤指的是往系統(tǒng)內(nèi)充注錯(cuò)誤的制冷劑種類，該故障是由于工作人員粗心大意造成的，這個(gè)因素是可以避免的；制冷劑過多指的是系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑數(shù)量超過正常的水平，該故障的起因是由于充注制冷劑的工作人員粗心大意或者經(jīng)驗(yàn)不足無法準(zhǔn)確判斷造成的，這個(gè)因素是可以避免的；而制冷劑不足指的是系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑數(shù)量低于正常水平，該故障的起因除了與制冷劑過多的故障相同的原因外，還有就是由于制冷機(jī)組使用過程中制冷劑泄漏引起的，這個(gè)因素是無法避免的。

在制定管理制度時(shí)應(yīng)該采取嚴(yán)格的措施，對可避免因素進(jìn)行有效、合理的監(jiān)管，防止其出現(xiàn)，從而減輕故障診斷的工作量。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，可避免因素一般是與人相關(guān)的，而不可避免因素一般是與物相關(guān)的。因此，在提供某一服務(wù)后，立即對與人相關(guān)的可避免因素進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的排查應(yīng)該成為慣例并記錄在案。

3 結(jié)論

對冷藏集裝箱故障進(jìn)行合理的分類，可以幫助管理方人員制定合理的故障診斷策略，降低技術(shù)人員對大量經(jīng)驗(yàn)知識的過分依賴，提高故障診斷的效率，也為智能故障診斷的實(shí)現(xiàn)提供了一定的基礎(chǔ)，對推動冷藏集裝箱故障診斷的進(jìn)一步發(fā)展具有積極意義。目前，冷藏集裝箱故障診斷的研究仍然有待于進(jìn)一步提高，尤其是在如何實(shí)現(xiàn)智能故障診斷方面仍然需要大量的支撐。

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