船用柴油機(jī)故障診斷與預(yù)測研究

汪亞南

（鄭州機(jī)電工程研究所，鄭州 450000）

柴油機(jī)作為船舶主要的動力系統(tǒng)，如果柴油機(jī)發(fā)生故障，不僅會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能會危及到整個船舶運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，所以加強(qiáng)對船用柴油機(jī)的故障維修和診斷具有重要意義。由于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障特征和故障原因之間并不是固定的對應(yīng)關(guān)系，有時同一個故障特征，可能對應(yīng)多種故障原因，而同一種故障原因，又可能導(dǎo)致多種故障特征，由此增加了柴油機(jī)故障診斷和維修的難度。提升船用柴油機(jī)的故障診斷技術(shù)水平，可快速定位故障點(diǎn)，提高維修效率。柴油機(jī)較為常用的故障維修方式主要有修復(fù)性維修、計劃性維修和視情維修，但是無論哪種維修方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在維修周期、維修效率、維修成本方面有一定的差異性。在人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下，可以建立一種故障預(yù)警模型。以柴油機(jī)實(shí)時溫度、各部位壓力、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)，熱力學(xué)模型，運(yùn)行時的機(jī)械噪聲等作為基礎(chǔ)信息，通過各種智能算法對船用柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，即可實(shí)時發(fā)出預(yù)警，有效降低故障的發(fā)生率，提高柴油機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

1 船用柴油機(jī)常見故障排除方法

在長期的船舶故障維修和診斷工作中，總結(jié)出了比較常見的故障現(xiàn)象、故障原因和故障排除經(jīng)驗(yàn)，將這些要素進(jìn)行總結(jié)分析，能夠?yàn)楣收显\斷和維修提供重要的參考依據(jù)，有助于提升故障維修效率，縮短故障維修時間。然后與柴油機(jī)的運(yùn)行日志信息進(jìn)行對比，可進(jìn)一步優(yōu)化故障診斷和排除。同時以這些故障總結(jié)為依據(jù)，還可為故障診斷預(yù)測提供樣本研究對象。下面主要以柴油機(jī)溫度異常部分內(nèi)容為例，展示柴油機(jī)常見故障分析經(jīng)驗(yàn)，見表1。

表1 船用柴油機(jī)溫度異常原因與排除措施匯總表

2 船用柴油機(jī)故障分析

船用柴油機(jī)的故障形式較多，且故障原因也較為復(fù)雜，為了與后續(xù)故障診斷預(yù)測銜接順暢，下面以某型號柴油機(jī)溫度異常為典型故障進(jìn)行分析，主要從機(jī)油溫度、出水溫度、排氣溫度幾個方面進(jìn)行分析。

2.1 故障現(xiàn)象

通過故障現(xiàn)象不僅能夠提前發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)故障隱患，還能夠?yàn)楣收显\斷提供參考依據(jù)。在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，各部件的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致溫度升高，在適合的溫度下可以提升柴油機(jī)的熱效率，減少污染物的排放，提高潤滑效率，減少油耗。但是個別部位卻會因?yàn)闇囟壬叨鴮\(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。以某型號柴油機(jī)溫度異常的現(xiàn)象為例，船用柴油機(jī)的水溫宜在80~90 ℃，通過對柴油機(jī)各部位溫度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出水溫度超過90 ℃時，水管中偶爾會有蒸汽出現(xiàn)，當(dāng)水溫達(dá)到100 ℃時，蒸汽就會通過水箱加水口噴出，在冷卻系統(tǒng)中會產(chǎn)生局部氣障。當(dāng)機(jī)油的溫度超過90 ℃時，可能會出現(xiàn)機(jī)油壓力下降，伴隨呼吸器冒油冒氣現(xiàn)象；排氣溫度超過400 ℃時，排氣管會變紅，且會伴隨明火噴出[1]。以上為柴油機(jī)比較常見的故障現(xiàn)象，如果溫度過高沒有及時采取措施，不僅會影響到柴油機(jī)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時可能損壞柴油機(jī)，影響到整個船舶的正常運(yùn)行。

2.2 后果危害

柴油機(jī)的溫度異常主要表現(xiàn)為溫度過高，如果柴油機(jī)長期處于高溫運(yùn)行狀態(tài)，會降低柴油機(jī)的運(yùn)行效率，縮短使用壽命，增加運(yùn)行成本，增加污染物的排放。在長期工作實(shí)踐中，由于柴油機(jī)溫度過高所產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在如下幾個方面：水溫過高會導(dǎo)致零部件發(fā)生形變，然后增加零部件之間的摩擦力，進(jìn)而導(dǎo)致活塞拉缸、抱缸，缸蓋裂紋、氣門磨損等問題。還會導(dǎo)致缸內(nèi)空氣量降低，影響到燃油的燃燒效率，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降以及增加缸套穴蝕；如果機(jī)油溫度過高，會降低油壓，增加軸承和缸套等零件的磨損，嚴(yán)重時可出現(xiàn)燒瓦、拉缸等故障；排氣溫度過高，會增加活塞、缸蓋、氣門和燃?xì)鉁u輪等受熱零部件的熱負(fù)荷，在強(qiáng)度降低的情況下會加劇磨損，進(jìn)而誘發(fā)裂紋等問題，造成一系列的故障[2]。總之，因?yàn)椴裼蜋C(jī)溫度過高所引發(fā)的故障，一般都需要更換零部件，在增加維修成本的同時，還會影響到船舶的正常運(yùn)行。

2.3 原因分析

2.3.1 機(jī)油溫度異常

從柴油機(jī)的熱量產(chǎn)生和熱量傳導(dǎo)角度出發(fā)，可對柴油機(jī)油溫過高的原因進(jìn)行分析。柴油機(jī)在正常工作狀態(tài)下，燃油燃燒和摩擦是產(chǎn)生熱量的主要源頭，其中大部分的熱量會轉(zhuǎn)化為有用功，一部分會隨著廢氣排放掉，還有一部分被冷卻水和機(jī)油吸收。吸收熱量后的機(jī)油會通過冷卻器降溫，將熱量傳給冷卻水。從以上邏輯出發(fā)，機(jī)油溫度過高的原因主要包括如下幾個方面。機(jī)油底殼的油面不足，無法滿足機(jī)油的循環(huán)換熱需求，由此導(dǎo)致機(jī)油溫度過高；軸承磨損嚴(yán)重，在摩擦過程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)到機(jī)油中，導(dǎo)致油溫過高；柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)生大量的熱量，機(jī)油吸熱過多導(dǎo)致油溫過高；活塞環(huán)漏氣，泄露的高溫燃?xì)鈺黾訖C(jī)油溫度；還有冷卻水泵流量小、機(jī)油冷卻效果差等原因[3]。

2.3.2 水溫異常

水溫異常主要表現(xiàn)為出水溫度過高或者進(jìn)出水的溫度過大，一般是由于柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量過多，而冷卻系統(tǒng)無法滿足冷卻要求，導(dǎo)致水溫過高。從熱傳導(dǎo)和散熱2 個方面考慮，水溫過高的原因主要有如下幾個方面。由于冷卻水管路產(chǎn)生氣障、管路漏水、管路阻塞等原因造成冷卻水水量不足，冷卻水帶走的熱量減小，由此增加柴油機(jī)的水溫；在比熱和總傳導(dǎo)熱量一定的情況下，冷卻水流量減少還會造成柴油機(jī)進(jìn)出水溫度過大；因?yàn)轳詈掀鞴收系仍蛟斐娠L(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)扇的風(fēng)量無法滿足散熱需求，導(dǎo)致水溫過高[4]；散熱器和高溫水泵故障，或者散熱器因?yàn)槲鄱碌仍蛴绊憻醾鲗?dǎo)，都會降低散熱量，致使柴油機(jī)水溫過高；還有其他原因?qū)е吕鋮s水流量小，散熱效果不佳等，都是導(dǎo)致水溫過高的原因。

2.3.3 排溫異常

柴油機(jī)排氣溫度是指在燃燒室燃燒后排出的廢氣溫度，正常狀態(tài)下，經(jīng)過霧化后的燃油與足量的含氧空氣在燃燒室中混合，達(dá)到完全燃燒的狀態(tài)，排氣溫度都會處于正常范圍。所以柴油機(jī)排氣溫度過高主要是燃油的霧化效果不好，進(jìn)入燃燒室的空氣不足等原因。如果柴油機(jī)的掃氣效果不好，空氣在進(jìn)氣系統(tǒng)中受到阻力，燃燒室在空氣量不足的情況下，無法實(shí)現(xiàn)完全燃燒，由此導(dǎo)致排溫升高；排氣系統(tǒng)的管路出現(xiàn)漏氣、阻力大等問題，都會減少進(jìn)入氣缸的空氣量；噴油器霧化效果不佳，燃燒室燃燒不充分，導(dǎo)致排溫升高[5]；還有其他原因造成進(jìn)入氣缸的空氣量減少，油氣混合質(zhì)量不高，最終導(dǎo)致排溫升高。

2.4 排除措施

在診斷出柴油機(jī)的故障原因后，可有針對性地進(jìn)行故障排除，故障排除效率會大大提升，故障維修效率也會顯著提升。

2.4.1 油溫過高排除措施

查看機(jī)油底殼油量，如果油量不足，加足機(jī)油，同時排空管路中的空氣，消除氣障，保證機(jī)油循環(huán)換熱需求；如果是冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可對相應(yīng)部位進(jìn)行清洗和修理，更換損壞的零部件；如果是潤滑系統(tǒng)故障，可維修或者更換機(jī)油泵；如果是超負(fù)荷運(yùn)行，應(yīng)該降載運(yùn)行；主要是根據(jù)故障特征和原因，采取相應(yīng)的故障排除和維修措施。

2.4.2 水溫過高排除措施

如果是冷卻系統(tǒng)故障，可對冷卻管路進(jìn)行排查，查看是漏水、堵塞還是其他原因，然后進(jìn)行維修。對于泵量達(dá)不到要求的，要更換水泵；如果是因?yàn)轱L(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不夠影響到散熱效果的，要清理散熱器表面的臟污，有零部件松動或者損壞的，要進(jìn)行維修或者更換，以達(dá)到散熱需求；檢查供油角和運(yùn)行負(fù)荷，然后調(diào)整供油提前角或者降載運(yùn)行。

2.4.3 排溫過高排除措施

對進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行檢查，查看系統(tǒng)是否存在異常，對發(fā)現(xiàn)的問題及時修理；對空濾器、壓氣機(jī)葉輪、排氣消聲器進(jìn)行檢查，如果表面有臟污，要及時清洗；檢查氣門間隙及各部件間是否有漏氣現(xiàn)象，更換墊片等零部件；檢查噴油器，保證霧化效果；檢查冷卻系統(tǒng)，確保中冷水在規(guī)定范圍內(nèi)；對故障現(xiàn)象和故障原因?qū)?yīng)的其他部位進(jìn)行檢查，然后進(jìn)行相應(yīng)的維修。

3 基于事件的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測

船用柴油機(jī)傳統(tǒng)的故障維修方法大多是在故障發(fā)生后進(jìn)行維修，或者在設(shè)備沒有故障時定期維修，這種維修方式會增加維修成本，占用設(shè)備使用時間。在人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，可以建立一種故障預(yù)測模型，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的記錄，以設(shè)備運(yùn)行日志信息為基礎(chǔ)，對各種事件之間的內(nèi)在聯(lián)系概率進(jìn)行計算，然后對設(shè)備可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測，可有效降低故障的發(fā)生概率[6]。

3.1 事件日志信息樣例采集

在事件庫構(gòu)建的基礎(chǔ)上，利用事件向量模型計算一個序列事件的概率模型，如果已知序列事件發(fā)生概率模型的參數(shù)，給定一個序列事件，即可計算出序列事件的發(fā)生概率。再通過模型參數(shù)計算等過程，即可構(gòu)建故障預(yù)測模型。下面以某船用柴油機(jī)的運(yùn)行日志為例進(jìn)行模型訓(xùn)練與測試，樣例采集見表2。

表2 事件日志樣例

3.2 測試結(jié)果分析

經(jīng)過模型測試，從圖1 可以看出總樣本的數(shù)量越多，模型的準(zhǔn)確率就越高。在樣本研究中，事件數(shù)都定為4，然后以前3 個事件作為前期事件，最后一個事件作為等測事件。故障的發(fā)生是一個由量變到質(zhì)變的過程，所以一個事件的預(yù)測也是需要以多個事件作為依據(jù)。通過模型測試，已經(jīng)得出事件預(yù)測的可行性。

圖1 模型訓(xùn)練準(zhǔn)確率

圖2 展示了調(diào)速器彈簧變形、噴油泵彈簧變形和調(diào)速器飛鐵襯套磨損3 個事件的發(fā)生概率，從數(shù)據(jù)中可以看出，調(diào)速器彈簧變形和調(diào)速器飛鐵襯套磨損的峰值較高，預(yù)示發(fā)生這種故障的可能性較大，而調(diào)速器彈簧變形的出現(xiàn)故障的概率較小。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，圖2 的預(yù)測結(jié)果比較符合實(shí)際情況。

圖2 預(yù)測事件發(fā)生概率

利用故障預(yù)測模型來預(yù)測柴油機(jī)發(fā)生故障的概率，可提前消除故障隱患，有效降低故障發(fā)生率，為船舶穩(wěn)定高效運(yùn)行創(chuàng)造重要基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

柴油機(jī)作為船舶的重要組成部分，其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性關(guān)系到整個船舶的性能和運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的柴油機(jī)設(shè)備維修方式越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代高效生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)代信息技術(shù)對柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的各項(xiàng)工作參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計擬合，利用傳感器對柴油機(jī)運(yùn)行過程中各部件的狀態(tài)信息進(jìn)行收集，然后通過建立的故障預(yù)測系統(tǒng)對收集到的信息與各參數(shù)的設(shè)計閾值進(jìn)行對比，如果超出閾值范圍則會發(fā)出報警信號。這種故障預(yù)測方式可提前發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)潛在的故障隱患，盡量降低柴油機(jī)的故障發(fā)生率。將故障診斷預(yù)測與常見故障特征及排除措施表結(jié)合應(yīng)用，可進(jìn)一步提高柴油機(jī)故障維修效率。隨著科技水平的提升，對于船用柴油機(jī)的故障診斷預(yù)測技術(shù)會不斷提升，為船舶的高效運(yùn)行保駕護(hù)航。