柴油機綜合實驗平臺建設

費景洲，王忠巍，石靈丹，于 濤，張 鵬

（1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國船舶重工集團公司712研究所，湖北 武漢 430064）

實驗室資源優化整合和教學科研相結合在優質資源共享、促進實驗室建設和創新型人才培養等方面具有重要作用［1－3］。教育部明確提出了高校實驗室建設要突出“實驗室資源有效整合，教學科研緊密結合”［4］的要求。柴油機綜合性能測試實驗是高校熱能與動力工程專業廣泛開設的專業實驗課程，在培養學生專業素質和創新意識等方面具有重要作用。近年來，隨著環境污染日趨嚴重和節能減排等技術標準的不斷提高，包括高校在內的眾多科研機構圍繞柴油機故障診斷等方面開展大量研究工作，取得了諸多研究成果［5－10］。

我們根據本科生實驗教學特點，將柴油機故障診斷科研實驗臺與本科生柴油機綜合測試實驗課程結合起來，并把國家自然基金項目的部分科研成果轉化為本科實驗教學項目，使之與本科生實驗教學緊密結合，在滿足科研實驗同時可以開展本科教學實驗項目，在資源整合、教學科研相結合方面進行了有益的探索與實踐。

1 實驗臺方案

柴油機綜合實驗平臺在功能上劃分為科研和教學兩部分。科研實驗主要是圍繞柴油機故障診斷方向開展實驗研究，需要的基本實驗儀器設備包括柴油機、測功器、控制柜、傳感器、數據采集及人機交互系統。教學實驗主要是圍繞柴油機性能參數測試等實驗項目展開，實驗的基本設備同樣包括柴油機、測功器、控制柜、傳感器、數據采集及人機交互系統等。科研實驗和教學實驗所需的實驗設備大體上相同，二者可以資源共享。同時考慮到二者在面向的對象和承擔的任務等方面的差別，實驗平臺不能追求完全的資源共享，在某些方面還應該有所區別。

在實驗臺設計過程中，我們采用“基礎實驗臺設備共享，具體實驗項目相分離”的設計思路。基礎實驗臺主要是指柴油機、測功器、控制柜、傳感器等設備，這些設備是完全共享的。具體實驗項目是分離的，科研實驗和教學實驗分別根據自身的任務需要設立了相互獨立的數據采集系統和人機交互系統。這種統分結合的方法將2個實驗臺間的相互影響降到最小，基礎實驗臺僅需做很小的調整，甚至不需要調整就可以開展不同的實驗項目。由于科研實驗的數據采集系統和人機交互系統是獨立的，所以能夠實現科研實驗和教學實驗間的快速轉換。柴油機綜合實驗平臺原理框圖如圖1所示。

圖1 柴油機綜合實驗平臺原理框圖

2 基礎實驗臺

基礎實驗臺主要包括柴油機、測功機、控制柜、傳感器等設備，屬于柴油機綜合實驗平臺中的共享資源，這些設備占整個綜合實驗平臺總投資的90%以上。通過共享基礎實驗臺，使柴油機綜合實驗平臺可以同時滿足科研實驗和教學實驗的需要，既可以節省大量投資，也能提高設備利用率。基礎實驗臺裝置實物如圖2所示。

圖2 基礎實驗臺裝置實物圖

2.1 柴油機

柴油機為上海柴油機股份有限公司生產的SC5D122D型柴油機，配有廢氣渦輪增壓系統，其主要技術規格見表1。

表1 SC5D122D柴油機主要技術規格

2.2 測功器

測功器為柴油機提供負載，結合測控儀、驅動儀、油耗儀等設備，可以進行柴油機功率、轉速和燃油量的測量。選用的設備是湘儀動力測試儀器有限公司生產的GW160測功器，其主要技術參數見表2。

表2 GW160測功機主要技術參數

測控儀、驅動儀和油耗儀等設備都采用湘儀動力測試儀器有限公司的產品，具體型號分別為FC2010測控儀、FC2110驅動儀和FC2210Z智能油耗儀。

2.3 傳感器

安裝傳感器的目的是在柴油機故障診斷實驗臺上獲得用于故障診斷的柴油機性能參數，主要包括燃油量、轉速、功率、進排氣壓力、進排氣溫度、滑油溫度、滑油壓力、瞬時轉速等參數。燃油量、轉速、功率等參數通過前述的測功器系統中的測控儀、驅動儀和油耗儀等設備獲得；瞬時轉速測量采用Kistler曲軸轉角編碼器2614A；進排氣壓力等壓力參數測量主要采用BP801型壓力傳感器；進排氣等溫度參數測量主要采用WRN－231型熱電偶和 WZP－231型熱電阻。

2.4 其他測量儀器

除了上述傳感器外，實驗臺上還安裝了用于測量柴油機煙度和噪聲等參數的儀器。

3 科研實驗臺

柴油機綜合實驗平臺中的科研實驗臺主要用于開展柴油機故障診斷方面的實驗研究工作。柴油機故障診斷是指綜合分析柴油機的歷史運行數據或者實時測得的狀態參數，對柴油機運行狀態進行識別、判定和診斷［11－12］。柴油機綜合實驗平臺中的故障診斷的實驗臺可以進行柴油機燃油系統、配氣系統、傳動系統等方面的故障診斷實驗研究，平臺主要包括共享的基礎實驗臺和獨立的數據采集及人機交互系統。

3.1 科研實驗的數據采集系統及人機交互系統

科研實驗的故障診斷實驗研究的數據采集及人機交互系統是根據故障診斷實驗要求單獨設置的。實驗過程中需要測量的柴油機系統性能參數主要包括燃油量、轉速、功率、進排氣壓力、進排氣溫度、渦輪進排氣溫度、渦輪進排氣壓力、進排水溫度、進排水壓力、滑油溫度、滑油壓力、瞬時轉速等。為了確保獲得的測量數據具有較高的精度，故障診斷實驗研究的數據采集系統選用較高端的設備。如數據采集卡選用NI公司生產的NI PXI－6251型多功能高速DAQ采集卡。該采集卡為PIX總線，測量類型包括正交編碼器、數字信號、電壓信號、頻率信號等；具有16路單端或8路雙端模擬輸入通道；模擬輸入采樣率為1.25MS／s；模擬輸入最大電壓為－10V和10V；有2個模擬輸出通道數，模擬輸出最大電壓為－10V和10V；有24個數字輸入通道；數字I／O最大時鐘速率為10MHz；有2個計數器／定時器。該采集卡在高采樣頻率下具有相對較高的采樣精度。

科研實驗的故障診斷實驗研究的人機交互系統采用Lab VIEW軟件編制。人機界面主要包括柴油機性能參數實時顯示、曲線及圖形顯示、程序調用和畫面切換等功能。故障診斷實驗的軟件設計的詳細情況可以參考文獻［13－14］。

3.2 科研實驗項目

通過人為制造故障等手段，可以在故障診斷實驗臺中設置單缸斷油、進排氣系統堵塞和氣閥間隙過大等多項故障，可以進行柴油機燃油系統、配氣系統等方面的故障診斷實驗研究［15］。利用該實驗臺還可開展基于神經網絡、小波分析等故障診斷技術的柴油機燃油系統故障診斷實驗研究［14］。后續還可利用該實驗臺開展柴油機活塞環漏氣、拉缸等故障機理和診斷技術的研究。

4 教學實驗臺

4.1 教學實驗平臺數據采集及人機交互系統

相比較于科研實驗臺，教學實驗臺的數據采集系統在參數采集數量和采集精度方面的要求要低一些。教學實驗臺的數據采集卡采用造價相對較低的研華、阿爾泰等公司的產品。選用阿爾泰公司的PCI2006采集卡獲得高速信號，該采集卡為PCI總線數據采集卡，具有32路單端或16路雙端模擬輸入通道；模擬輸入電壓為：±5V、±10A／D；分辨率為14bit（16384）；A／D采樣通過率為400kHz。低速信號采用研華公司的PCL－813B采集卡，該采集卡具有32路單端模擬輸入通道；模擬輸入電壓為：±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V；A／D分辨率為12bit；A／D采樣通過率為25kHz。

教學實驗臺人機交互系統是根據學生實驗項目要求設計的。為了便于實驗項目和實驗內容的修改完善，采用模塊化設計思想，將系統劃分為程序初始化、柴油機監控及報警系統、實驗設置、實驗選擇等幾個功能模塊。教學實驗臺人機交互系統結構框圖見圖3。

圖3 教學實驗臺人機交互系統結構框圖

系統啟動后開始程序初始化，之后可以進行柴油機監控及報警程序設置，主要是設置部分柴油機測量參數報警值的上下限。也可以對監控及報警程序進行缺省處理，在程序初始化后直接進行實驗設置。實驗設置主要包括參數測量通道和量程配置、數據采集設置、參數顯示方式設置和圖形界面設置等內容。實驗設置完成后即可進入實驗項目選擇模塊。目前利用柴油機綜合實驗平臺開設了柴油機性能指標測量分析、柴油機綜合示功圖分析、柴油機燃油系統故障診斷等幾個本科生實驗項目。

4.2 教學實驗項目

4.2.1 柴油機性能指標測量分析實驗

本實驗利用綜合實驗平臺進行柴油機有效指標、性能指標、機械效率等常規性能指標的測量分析。柴油機性能指標是標示柴油機性能的主要參數，通過實驗使學生理解柴油機性能指標的實際意義，了解和掌握柴油機性能指標的測試方法。實驗主要步驟：首先根據性能指標的理論計算公式選擇需要測量的參數；然后對數據采集卡進行配置，在輸入參數欄中輸入需要測量的相關參數；之后點擊“數據采集”按鈕，采集程序開始記錄并顯示各個參數的變化過程。采集過程結束后，實驗操作界面會顯示各個性能指標的計算結果和變化曲線，也可以通過“打印”按鈕將需要的數據和圖表打印出來。

4.2.2 柴油機綜合示功圖分析實驗

柴油機綜合示功圖分析實驗內容主要包括柴油機示功圖、柴油機缸內壓力變化曲線、高壓油管壓力波變化曲線和針閥升程變化曲線等測量內容。繪制柴油機綜合示功圖是研究內燃機工作過程的重要方法，通過該實驗學生可以學習測量柴油機示功圖的基本方法，分析柴油機工作循環的不同階段缸內壓力、高壓油管壓力和針閥升程變化過程，掌握柴油機實驗研究的基本方法。實驗主要步驟：首先配置數據采集通道，設定通道總數和通道次序；然后設置柴油機轉速、采樣循環數、采樣間隔角等參數；點擊“數據采集”按鈕開始自動測繪柴油機示功圖、柴油機缸內壓力變化曲線、高壓油管壓力波變化曲線和針閥升程變化曲線等圖形。實驗過程中的各種數據和圖形都可以保存和打印。

4.2.3 柴油機燃油系統故障診斷

柴油機燃油系統故障診斷實驗是供學生選作的綜合性實驗項目。該實驗在前面2個實驗內容基礎上，利用神經網絡技術對柴油機燃油系統進行故障診斷。實驗主要步驟：（1）采用小波分析方法，提取高壓油管壓力波變化特征值；（2）對提取出來的特性值進行數據融合和歸一化處理，形成可供神經網絡診斷使用的樣本集；（3）選擇故障診斷使用的神經網絡類型及網絡結構，確定神經網絡各層數目，設定神經網絡權值學習速率、尋中心學習率、閾值學習速率等參數，選取目標誤差，確定最大學習次數、動量因子等參數；（4）開始神經網絡故障診斷實驗，實時觀測診斷過程中網絡學習次數、診斷誤差等參數的變化情況；（5）實驗數據處理及診斷精度分析，圖表打印等。

5 結束語

整合柴油機故障診斷科研實驗臺與本科生柴油機綜合測試實驗教學資源，采用“基礎實驗臺設備共享，具體實驗項目相分離”的設計思路建立柴油機綜合實驗平臺。該綜合實驗平臺僅需做微小調整甚至不需要調整就可以開展不同類型的實驗項目，實現了科研實驗項目和教學實驗項目間的快速轉換。該綜合實驗平臺中共享的實驗設備占整個實驗臺設備總投資的90%以上，實現了資源高度共享。在資源整合的基礎上，將柴油機方面的部分科研成果轉化為實驗教學項目，使本科生的實驗教學能夠在一定程度上體現學科研究的前沿內容，有利于學生獲得先進的科學知識。

實驗室資源整合、教學科研相融合的做法，對于促進實驗室優質資源共享和創新型人才培養都大有好處，需要我們不斷地進行探索與實踐。

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