船用柴油机故障诊断系统研究

朱发新，蔡振雄，卢金树，王家宏，张志斌

（1.浙江海洋学院海运学院，浙江舟山 316000；2.集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

由于现代化机械设备所花的维修费用和停机损失，在成本中所占的比例越来越大，因此设备维修业务的重要性日益成为一个突出的问题，使得人们对机械设备的可靠性、可维修性、经济性以及安全性提出了更高的要求[1]。柴油机作为主要动力机械在工业、农业、能源和交通运输等领域都得到了广泛应用。船舶的特殊性也决定了船舶柴油机故障诊断的重要性。如果船舶柴油机发生重大故障，轻则延误交货日期，支付一定的延期交货违约金，重则危及船舶安全、船员生命以及造成海洋污染。及时发现船舶柴油机故障并迅速排除，对船舶航行的安全性和可靠性、降低维修费用、减少经济损失等具有重要的现实意义。

为了保证船用柴油机安全可靠地运行，必须对其进行维修。大多数船舶柴油机的维修采用定期检修保养和事后维修，这种方法可有效预防船舶柴油机的一些故障，但是也存在着缺乏事故预见能力、维修成本高、效率低等缺点[2]。现在逐渐发展了一种新型的船舶维修的管理策略——视情维修。但运行故障的分析、判断对轮机人员的时间经验要求很高，不同的管理人员，由于时间经验积累的程度不同，对故障分析、判断的准确性、快速性相差甚远，从而影响到运行故障的排除。因此，利用各种状态参数进行船舶柴油机的故障诊断成为视情维修管理发展的重点。

故障诊断的一般方法有观察法、听诊法、触摸及嗅闻法、隔离及验证法、测试及化验法等[3-7]。随着近年来科技的不断发展，故障诊断又出现了基于数学模型的方法、故障树分析法、专家系统故障诊断法以及神经网络诊断法等新兴方法[7-12]。本文结合了一般方法与专家系统故障诊断法的优点，即：把优秀船员的故障处理的经验与知识输入到专家系统中，再根据故障征兆与专家系统对话，从而达到快速诊断及处理相应的故障。

1 船用柴油机故障诊断系统

1.1 中低速柴油机典型故障征兆的比较

由于机型不同，不同的船舶柴油机典型故障征兆也会有所不同，表1是中速机与低速机典型故障征兆的比较。

表1 船舶中低速柴油机典型故障征兆比较Tab.1 Comparison of the typical faults in medium speed and low speed diesel engine

1.2 数据库

以Visual FoxPro数据库管理系统为软件平台，根据以往的经验总结和知识积累建立起来的含有故障名称、故障征兆和故障排除方法的船用柴油机故障诊断系统，如图1所示。

图1 数据库系统的故障记录Fig.1 The record of the faults in dstabase system

该船用柴油机故障诊断系统具有显示、追加记录、删除记录、修改记录以及查询记录等功能。

1）显示记录功能

如只显示故障名称，如图2所示。

图2 显示出来的故障名称Fig.2 Shown faults's name

2）增加记录功能

比如输入“活塞断裂”这一条记录，则新的数据库如图3所示。

图3 更新后的数据库系统Fig.3 Renewed databae system

3）删除记录功能

如删除刚增加的一条“活塞断裂”故障记录，如图4所示。

图4 删除记录后的数据库系统Fig.4 Database system deleted with a record

4）修改功能

比如在表结构中增加一个“故障原因”，显示的结果如图5所示。

图5 修改表结构后的数据库系统Fig.5 Database system inserted with fault reasons

5）查询功能

同理在命令窗口中输入命令也可以进行查询，例如根据故障征兆查询是属于某一中故障，这个功能在后面内容部分有论述。

2 船舶柴油机拉缸故障典型实例诊断的实现

2.1 拉缸机理

引起拉缸的原因比较多，但从拉缸的现象和机理分析，通常是由于活塞与气缸壁局部区域的油膜破坏所造成的。

拉缸可以分为轻度拉缸和严重拉缸。轻度拉缸：通常在气缸壁上有几条深约10 μm的条状贯通拉伤痕迹，在排气口筋部及其上方或燃烧室附近有较大面积的拉伤痕迹，活塞环外表面只有局部拉伤痕迹，在活塞裙部的外表面没有拉伤痕迹。严重拉伤时：在缸套工作表面会出现较大面积的拉伤痕迹，有非常明显的手触感，在活塞裙的外表面有严重的较大面积的拉伤，甚至有明显的咬合痕迹，在这种情况下，很有可能发生抱缸故障，造成严重事故。

2.2 故障原因

造成拉缸的原因十分复杂,有设计、制造工艺及材料的缺陷，也有运行管理不当的因素。

设计、制造工艺及材料的缺陷方面，如材料的选配、间隙大小的确定、结构布置是否合理、安装是否恰当、表面粗糙度的加工是否合适、润滑油冷却的安排是否完善、润滑油净化质量是否合乎要求等。

运行管理方面的主要原因有：缸润滑不良、磨合不充分、冷却不良、活塞环断裂、燃用劣质油、长期超负荷等。

2.3 拉缸的征兆

船舶柴油机在发生拉缸事故前，一般都有比较明显的征兆：气缸、活塞冷却液出口温度明显上升；可以听到活塞与缸壁的干摩擦声音；曲轴箱和扫气口温度，有时有烟气冒出；严重时，转速明显下降，甚至自行停机。

2.4 利用船用柴油机故障诊断系统显示出拉缸故障

如果某一轮机员在值班时，发现如2.3所述的情况，在船用柴油机故障诊断系统中输入这些故障征兆，经过查询，很快就能查明是拉缸故障，或将要发生拉缸，如图6所示。

图6 显示出的拉缸Fig.6 Shown the fault of the cylinder bore scuffing

双击该栏的Memo，可以查询相应的排除方法或措施。即：用专用工具把发生拉缸事故的那一缸作单缸停油；用手摇动气缸注油器以加强该气缸的润滑；打开该缸示功阀，释放气缸内的压力；加强对活塞的冷却。

3 结论

本文以Visual FoxPro数据库管理系统为软件平台，根据典型故障征兆设计开发了船用柴油机典型故障诊断系统。该系统具有可查询、修改、插入和删除等功能，以友好的用户界面和易于操作等特点，实现船用柴油机典型故障的快速诊断。该系统对提高轮机管理人员对各种典型故障的快速分析、准确判断迅速排除具有重要的现实意义。

但是，该船用柴油机故障诊断系统具有以下不足：

1）该系统不能归纳出所有的故障，专家库信息量有待进一步扩展；

2）有时柴油机发生故障时并没有很明显的征兆，因此也就不可能对这种故障做出准确、快速的判断。

笔者将继续关注跟踪船用柴油机故障诊断的最新技术，致力于在线故障诊断技术的研究，探索更为实用可靠的计算机诊断软件。

[1]李国华,张永忠.机械故障诊断[M].北京：化学工业出版社,2004:1-4.

[2]曹龙汉,曹长修,孙颖楷,等.柴油机故障诊断技术的现状及展望[J].重庆大学学报,2001,24(6):134-138.

[3]王德洪.柴油机故障诊断的几点体会[J].装备制造技术,2008,38(1):122-123.

[4]朱孝炎.柴油机故障诊断方法[J].泰州职业技术学院学报,2001,10(2):37-40.

[5]郑国杰,杜天玉,滕宪斌.听声法在船舶柴油机故障诊断中的应用分析[J].机电设备,2007,47(12):41-44.

[6]马善伟,乐正伟,吕 健,等.柴油机故障诊断技术综述[J].上海第二工业大学学报,2008,25(2):122-128.

[7]蒋 磊,杨 朔.船用柴油机故障诊断技术现状及发展趋势[J].船舶,2007,21(4):36-40.

[8]朱志宇,刘维亭.基于支持向量机的船舶柴油机故障诊断[J].船舶工程,2008,28(5):31-33.

[9]郭江华,梁述海,梁 泳.基于神经网络的船用柴油机故障诊断[J].计算机仿真,2003,20(8):61-63.

[10]吴欠欠,王 直,董 贺.故障树分析法在船舶柴油机故障诊断中的应用研究[J].机械设计与制造,2009,48(1):77-78.

[11]黄 勇,郭晓平.基于改进BP神经网络的柴油机故障诊断研究[J].汽车科技,2009,38(2):55-57.

[12]王家宏,张仕海.基于时间序列与小波分析的船舶柴油机故障诊断[J].船舶工程,2009,31(3):15-17.