船用柴油機技術狀態評估指標體系研究

王星人，徐孫慶，韋可佳，耿俊豹

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢430033）

船用柴油機由于在各種動力機械中熱效率最高，功率范圍寬廣，起動迅速，維修方便，運行安全，使用壽命較長，因此在船舶中被廣泛用作主機和輔機，是船用動力系統中不可或缺的組成部分。船舶運行環境較為惡劣，出海過程中，柴油機的正常運轉直接影響到船舶的安全，因此，對船用柴油機的技術狀態評估也尤為重要。設備技術狀態評估方法較多，一般是需先構建評估指標體系[1-2]。船用柴油機技術狀態評估指標研究的文獻不多，文獻[3]采用粗糙集來構建內燃機狀態評估指標，主要包括了振動信息、滑油質量、燃油消耗率、增壓器信息、排氣溫度、冷卻水出口壓力差、滑油冷卻器出口溫差，基本上可用于柴油機的技術狀態評估，但是，由于該文獻并沒有詳細解釋各評估指標的含義，因此，需要完善指標體系。

本文首先簡單介紹船用柴油機的基本功能和結構；其次介紹了技術狀態評估指標選取原則；再次，構建了8個船用柴油機技術狀態評估指標；最后采用模糊綜合評估方法開展某型船舶柴油機技術狀態評估案例。

1 船用柴油機基本功能和結構

船用柴油機的主要功能是使用揮發性較差的柴油或劣質燃料油作燃料，把燃燒的化學能轉變為熱能，再通過工質的膨脹做功把熱能轉換為機械能，來為船舶提供航行所需要的動力。柴油機主要部件包括：燃燒室、曲柄連桿機構、配氣機構、潤滑系統、冷卻系統、調速系統、起動系統、換向系統和操縱系統[4]。其中燃燒室部件、配氣機構、潤滑系統、冷卻系統的正常工作對于柴油機的正常工作和船舶的安全航行起重要作用。

2 技術狀態評估指標選取原則

從技術狀態評估的定義、內容和結果要求上看，技術狀態評估要及時、準確、動態地反映實際使用過程中設備的技術狀態要求。因此，指標體系的建立要參照各個子系統指標的特性，以及不同的指標在整體評估體系中所占權重系數。具體的技術狀態指標選取及評估應遵循以下原則[5]：

（1）客觀性原則

技術狀態評估指標一定要遵循客觀規律，一切從實際出發，理論聯系實際，不能主觀臆斷，更不能妄加判斷。建立有科學依據的技術狀態評估指標體系，既能反映客觀實際，又是影響技術狀態的主要因素。

（2）系統全面性原則

技術狀態評估指標體系，應該盡可能全面反映設備運行狀態的性能。整個技術狀態評估指標體系的建立需要按照評估指標的權重系數有序聯系在一起，層次分明。

（3）可靠性原則

由技術狀態定義可知，描述設備的物理特性和功能特性的指標中既有定性要求，也有定量要求。針對定量的指標要采用具體數值進行計算，評估指標的數據要真實可靠。

（4）簡潔性原則

影響設備技術狀態的因素有很多，把所有指標都考慮進去是不現實的。因此，要綜合考慮不同技術狀態指標影響的大小，并根據指標數據獲取的難易程度來選取合適的指標，同時要求指標體系簡潔、實用、高效。

3 船用柴油機技術狀態評估指標

根據柴油機的基本功能、基本結構和工作環境，船用柴油機技術狀態評估基本指標主要有以下幾個方面：

（1）最大功率

柴油機的主要功能是提供功率，因此，柴油機的最大功率將直接反映柴油機能夠提供的最大工作能力，是判斷柴油機是否能夠完成其被賦予的工作任務的關鍵指標。

（2）最大轉速

作為主機的船用柴油機主要功能是帶動螺旋槳工作，根據船舶動力裝置有關知識可知，螺旋槳所需的功率、扭矩和轉速與柴油機提供的大致相等。因此，可以采用螺旋槳的最大轉速來間接表征柴油機的功率、扭矩和轉速等信息。

（3）排氣溫度

排氣溫度是判斷柴油機熱過程是否正常的一個最直接評估指標。正常情況下，隨著負荷的增加，排氣溫度是增加的，但是排氣溫度是在一個規定的范圍內，如果排氣溫度比正常值高很多，則可能是柴油機的噴油器出現問題。

（4）冷卻水溫

冷卻水溫既能反映排氣溫度的信息，又與冷卻系統的技術狀態相關，因此，冷卻水溫的高低是評估柴油機整體技術狀態的一個重要評估指標。冷卻水溫高，可能是柴油機負荷過大、燃氣流入冷卻水系統、冷卻水量不足，也可能是缸體出現裂紋或柴油機拉缸的征兆。因此，冷卻水溫偏高可用來表征柴油機技術狀態退化的程度。

（5）滑油壓力

滑油的壓力是了解滑油系統工作狀態的一個基本參數，也是評估柴油機滑油系統技術狀態的一個指標。通過了解滑油壓力，不僅可以了解滑油系統本身技術狀態，也可以了解柴油機各運動機件配合間隙的狀態。滑油壓力的突然增加或降低，可能是某些運動機件技術狀態退化的前兆。

（6）滑油溫度

滑油溫度是反映柴油機負荷大小、冷卻水冷卻效果、柴油機運行機件熱負荷、運行機件的潤滑效果等信息的關鍵參數，一旦在運行過程中，出現滑油溫度異常升高，則需要停機以查明原因，否則，可能造成拉缸、軸承燒壞等重大故障。柴油機在長期的運行中，如果滑油溫度持續的緩慢升高，也需要密切注意，可能是機件磨損增加等技術狀態退化造成的。因此，滑油溫度是技術狀態評估的比較關鍵參數。

（7）振動信息

柴油機運轉過程中產生的振動信息常常是早期故障診斷的一個有效方法。振動主要可分為兩類：一是空氣動力振動，如進排氣、燃氣的振動信息；另一類是機械振動，如氣閥的沖擊、齒輪的嚙合、軸承的轉動、活塞的運動等等。一般情況下，負荷越大，振動強度越大，但是振動信息不僅包括了振動幅度信息，還包括振動頻率等等信息，可以通過振動信息的特征提取來構建某些故障現象與振動信息特征之間的關系，從而可通過振動信息來判斷柴油機的技術狀態。目前，有許多振動儀來輔助進行振動信息分析，但是，柴油機現場操作人員靠耳朵仔細傾聽，往往可能提前發現某些故障征兆。可見，振動信息是技術狀態評估的比較重要的指標。

（8）滑油質量

從滑油中出現的雜質、水分和柴油，可以發現故障或故障的苗頭，因此需要定期清洗滑油過濾器，檢查滑油質量。滑油中出現金屬粉末，一方面說明柴油機有較大磨損，另一方面，也預示技術狀態在退化，可能會出現較大的磨損。滑油質量主要從金屬顆粒的種類、大小和濃度來判斷滑油質量。新金屬顆粒的出現、金屬顆粒體積變大和金屬顆粒濃度大幅度升高等現象可能是某些機件磨損過大、或其他原因造成的，因此需要查明原因，以判斷柴油機的技術狀態。因此，滑油質量是技術狀態評估的比較重要指標。

4 案例應用

本文采用模糊理論來進行技術狀態評估[6]。技術狀態評估的基本步驟主要包括：構建船用柴油機的技術狀態評估集；確定技術狀態評估因素集；建立各評估指標的評判集；確定各評估指標的權重；建立綜合評判矩陣，并采用最大隸屬度來判斷其技術狀態等級。

4.1 構建船用柴油機的技術狀態評估集

根據有關文獻和經驗，船用柴油機的技術狀態的評價等級為：V={良好、正常、一般、故障}。

4.2 確定技術狀態評估因素集

根據上節對船用柴油機技術狀態評估指標的分析，可建立技術狀態評估因素集為：

U={最大轉速、排氣溫度、冷卻水溫、滑油壓力、滑油溫度、最大振動幅值、最大鐵屑粒徑}

4.3 建立各評估指標的評判集

各評估指標的評判集與其數值的大小的相關，限于篇幅，本文以柴油機的最大功率為例說明單因素的評判集的構建方法。

某型船用柴油機，其額定功率為5 600馬力，則以10%的退化比例，可以得到其功率的各個閥值為：5 040馬力、4 480馬力、3 920馬力。

設x為柴油機實際最大功率，單位為馬力，R1為最大功率的評判集。

當x≥ 5 040時，R1=（0.8，0.2，0，0）；

當5 040＞ x≥ 4480時，R1=（0.2，0.6，0.2，0）；當4 480＞ x≥ 3 920時，R1=（0，0.2，0.6，0.2）；當3 920 ＞ x時，R1=（0，0，0.2，0.8）；

采用這種方法，可以得出其他單因素的評判集，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8.

設該型船用柴油機的實際最大功率為4 600馬力、最大轉速為1 600 r/min、排氣溫度為570℃、冷卻水溫出口溫度82℃、滑油壓力為0.4 MPa、滑油溫度80℃、最大振動幅值為0.046 mm、滑油中最大鐵屑粒經為45 μm.參考最大功率的評判集的做法，可以得到評估指標的評判集分別為：

R2=（0.2，0.6，0.2，0） R2=（0.2，0.6，0.2，0）R3=（0.8，0.2，0，0）

R4=（0.8，0.2，0，0） R5=（0.8，0.2，0，0）R6=（0.8，0.2，0，0）

R7=（0.2，0.6，0.2，0） R8=（0.2，0.6，0.2，0）

則，可以構建評判矩陣為：

4.4 確定各評估指標的權重

最大功率、最大轉速、排氣溫度、冷卻水溫、滑油壓力、滑油溫度、最大振動幅值、最大鐵屑粒徑等指標來表征了船用柴油機技術狀態。實際上，任何一個參數指標如果偏離了其規定值太多，表明其技術狀態比較差。根據柴油機的基本原理、使用和維護規程，以及使用人員的經驗，確定各評估指標的權重，如下所示：

W=（0.2，0.2，0.05，0.1，0.05，0.15，0.15，0.1）

4.5 建立綜合評判矩陣

則模糊綜合判斷矩陣B的計算如下：

采用最大模糊隸屬度原則，可見，該設備技術狀態屬于“正常”級別的可能性更大，因此，該柴油機的技術狀態被評估為“正常”級別。

5 結束語

船用柴油機的技術狀態的好壞直接關系到船舶的運行和維修管理。本文在了解柴油機的基本結構和功能的基礎上，提出了將最大功率、最大轉速、排氣溫度、冷卻水溫、滑油壓力、滑油溫度、振動信息、滑油質量8種指標作為評估柴油機的技術狀態評估指標。在建立了8種評估指標的基礎上，采用模糊綜合評估方法進行了某型船用柴油機的技術狀態評估。評估案例表明，本文構建的評估指標可以用于船用柴油機技術狀態的技術狀態評估，值得在船舶動力工程中應用參考。

參考文獻：

[1]耿俊豹.基于信息融合的艦船動力裝置技術狀態綜合評估研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[2]彭鵬菲，全文彬，于 錢.基于模糊聚類與灰色關聯的艦船裝備技術狀態評估方法[J].艦船科學技術，2015，37（5）：128-131.

[3]劉伯運，歐陽光耀，常漢寶.基于粗糙集理論的內燃機狀態評估指標體系構建[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（2）：11-13.

[4]歐陽光耀，常漢寶.內燃機[M].北京：國防工業出版社，2011.

[5]陳 玲，蔡 琦，蔡章生.船用核動力裝置技術狀態綜合評估模型研究[J].船海工程，2006，171（2）：22-24.

[6]杜 棟，龐慶華，吳 炎.現代綜合評價方法與案例精選[M].清華大學出版社，北京，2008.