船用柴油机技术状态评估指标体系研究

王星人，徐孙庆，韦可佳，耿俊豹

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉430033）

船用柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修方便，运行安全，使用寿命较长，因此在船舶中被广泛用作主机和辅机，是船用动力系统中不可或缺的组成部分。船舶运行环境较为恶劣，出海过程中，柴油机的正常运转直接影响到船舶的安全，因此，对船用柴油机的技术状态评估也尤为重要。设备技术状态评估方法较多，一般是需先构建评估指标体系[1-2]。船用柴油机技术状态评估指标研究的文献不多，文献[3]采用粗糙集来构建内燃机状态评估指标，主要包括了振动信息、滑油质量、燃油消耗率、增压器信息、排气温度、冷却水出口压力差、滑油冷却器出口温差，基本上可用于柴油机的技术状态评估，但是，由于该文献并没有详细解释各评估指标的含义，因此，需要完善指标体系。

本文首先简单介绍船用柴油机的基本功能和结构；其次介绍了技术状态评估指标选取原则；再次，构建了8个船用柴油机技术状态评估指标；最后采用模糊综合评估方法开展某型船舶柴油机技术状态评估案例。

1 船用柴油机基本功能和结构

船用柴油机的主要功能是使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油作燃料，把燃烧的化学能转变为热能，再通过工质的膨胀做功把热能转换为机械能，来为船舶提供航行所需要的动力。柴油机主要部件包括：燃烧室、曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统、调速系统、起动系统、换向系统和操纵系统[4]。其中燃烧室部件、配气机构、润滑系统、冷却系统的正常工作对于柴油机的正常工作和船舶的安全航行起重要作用。

2 技术状态评估指标选取原则

从技术状态评估的定义、内容和结果要求上看，技术状态评估要及时、准确、动态地反映实际使用过程中设备的技术状态要求。因此，指标体系的建立要参照各个子系统指标的特性，以及不同的指标在整体评估体系中所占权重系数。具体的技术状态指标选取及评估应遵循以下原则[5]：

（1）客观性原则

技术状态评估指标一定要遵循客观规律，一切从实际出发，理论联系实际，不能主观臆断，更不能妄加判断。建立有科学依据的技术状态评估指标体系，既能反映客观实际，又是影响技术状态的主要因素。

（2）系统全面性原则

技术状态评估指标体系，应该尽可能全面反映设备运行状态的性能。整个技术状态评估指标体系的建立需要按照评估指标的权重系数有序联系在一起，层次分明。

（3）可靠性原则

由技术状态定义可知，描述设备的物理特性和功能特性的指标中既有定性要求，也有定量要求。针对定量的指标要采用具体数值进行计算，评估指标的数据要真实可靠。

（4）简洁性原则

影响设备技术状态的因素有很多，把所有指标都考虑进去是不现实的。因此，要综合考虑不同技术状态指标影响的大小，并根据指标数据获取的难易程度来选取合适的指标，同时要求指标体系简洁、实用、高效。

3 船用柴油机技术状态评估指标

根据柴油机的基本功能、基本结构和工作环境，船用柴油机技术状态评估基本指标主要有以下几个方面：

（1）最大功率

柴油机的主要功能是提供功率，因此，柴油机的最大功率将直接反映柴油机能够提供的最大工作能力，是判断柴油机是否能够完成其被赋予的工作任务的关键指标。

（2）最大转速

作为主机的船用柴油机主要功能是带动螺旋桨工作，根据船舶动力装置有关知识可知，螺旋桨所需的功率、扭矩和转速与柴油机提供的大致相等。因此，可以采用螺旋桨的最大转速来间接表征柴油机的功率、扭矩和转速等信息。

（3）排气温度

排气温度是判断柴油机热过程是否正常的一个最直接评估指标。正常情况下，随着负荷的增加，排气温度是增加的，但是排气温度是在一个规定的范围内，如果排气温度比正常值高很多，则可能是柴油机的喷油器出现问题。

（4）冷却水温

冷却水温既能反映排气温度的信息，又与冷却系统的技术状态相关，因此，冷却水温的高低是评估柴油机整体技术状态的一个重要评估指标。冷却水温高，可能是柴油机负荷过大、燃气流入冷却水系统、冷却水量不足，也可能是缸体出现裂纹或柴油机拉缸的征兆。因此，冷却水温偏高可用来表征柴油机技术状态退化的程度。

（5）滑油压力

滑油的压力是了解滑油系统工作状态的一个基本参数，也是评估柴油机滑油系统技术状态的一个指标。通过了解滑油压力，不仅可以了解滑油系统本身技术状态，也可以了解柴油机各运动机件配合间隙的状态。滑油压力的突然增加或降低，可能是某些运动机件技术状态退化的前兆。

（6）滑油温度

滑油温度是反映柴油机负荷大小、冷却水冷却效果、柴油机运行机件热负荷、运行机件的润滑效果等信息的关键参数，一旦在运行过程中，出现滑油温度异常升高，则需要停机以查明原因，否则，可能造成拉缸、轴承烧坏等重大故障。柴油机在长期的运行中，如果滑油温度持续的缓慢升高，也需要密切注意，可能是机件磨损增加等技术状态退化造成的。因此，滑油温度是技术状态评估的比较关键参数。

（7）振动信息

柴油机运转过程中产生的振动信息常常是早期故障诊断的一个有效方法。振动主要可分为两类：一是空气动力振动，如进排气、燃气的振动信息；另一类是机械振动，如气阀的冲击、齿轮的啮合、轴承的转动、活塞的运动等等。一般情况下，负荷越大，振动强度越大，但是振动信息不仅包括了振动幅度信息，还包括振动频率等等信息，可以通过振动信息的特征提取来构建某些故障现象与振动信息特征之间的关系，从而可通过振动信息来判断柴油机的技术状态。目前，有许多振动仪来辅助进行振动信息分析，但是，柴油机现场操作人员靠耳朵仔细倾听，往往可能提前发现某些故障征兆。可见，振动信息是技术状态评估的比较重要的指标。

（8）滑油质量

从滑油中出现的杂质、水分和柴油，可以发现故障或故障的苗头，因此需要定期清洗滑油过滤器，检查滑油质量。滑油中出现金属粉末，一方面说明柴油机有较大磨损，另一方面，也预示技术状态在退化，可能会出现较大的磨损。滑油质量主要从金属颗粒的种类、大小和浓度来判断滑油质量。新金属颗粒的出现、金属颗粒体积变大和金属颗粒浓度大幅度升高等现象可能是某些机件磨损过大、或其他原因造成的，因此需要查明原因，以判断柴油机的技术状态。因此，滑油质量是技术状态评估的比较重要指标。

4 案例应用

本文采用模糊理论来进行技术状态评估[6]。技术状态评估的基本步骤主要包括：构建船用柴油机的技术状态评估集；确定技术状态评估因素集；建立各评估指标的评判集；确定各评估指标的权重；建立综合评判矩阵，并采用最大隶属度来判断其技术状态等级。

4.1 构建船用柴油机的技术状态评估集

根据有关文献和经验，船用柴油机的技术状态的评价等级为：V={良好、正常、一般、故障}。

4.2 确定技术状态评估因素集

根据上节对船用柴油机技术状态评估指标的分析，可建立技术状态评估因素集为：

U={最大转速、排气温度、冷却水温、滑油压力、滑油温度、最大振动幅值、最大铁屑粒径}

4.3 建立各评估指标的评判集

各评估指标的评判集与其数值的大小的相关，限于篇幅，本文以柴油机的最大功率为例说明单因素的评判集的构建方法。

某型船用柴油机，其额定功率为5 600马力，则以10%的退化比例，可以得到其功率的各个阀值为：5 040马力、4 480马力、3 920马力。

设x为柴油机实际最大功率，单位为马力，R1为最大功率的评判集。

当x≥ 5 040时，R1=（0.8，0.2，0，0）；

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

采用这种方法，可以得出其他单因素的评判集，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8.

设该型船用柴油机的实际最大功率为4 600马力、最大转速为1 600 r/min、排气温度为570℃、冷却水温出口温度82℃、滑油压力为0.4 MPa、滑油温度80℃、最大振动幅值为0.046 mm、滑油中最大铁屑粒经为45 μm.参考最大功率的评判集的做法，可以得到评估指标的评判集分别为：

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）

则，可以构建评判矩阵为：

4.4 确定各评估指标的权重

最大功率、最大转速、排气温度、冷却水温、滑油压力、滑油温度、最大振动幅值、最大铁屑粒径等指标来表征了船用柴油机技术状态。实际上，任何一个参数指标如果偏离了其规定值太多，表明其技术状态比较差。根据柴油机的基本原理、使用和维护规程，以及使用人员的经验，确定各评估指标的权重，如下所示：

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

4.5 建立综合评判矩阵

则模糊综合判断矩阵B的计算如下：

采用最大模糊隶属度原则，可见，该设备技术状态属于“正常”级别的可能性更大，因此，该柴油机的技术状态被评估为“正常”级别。

5 结束语

船用柴油机的技术状态的好坏直接关系到船舶的运行和维修管理。本文在了解柴油机的基本结构和功能的基础上，提出了将最大功率、最大转速、排气温度、冷却水温、滑油压力、滑油温度、振动信息、滑油质量8种指标作为评估柴油机的技术状态评估指标。在建立了8种评估指标的基础上，采用模糊综合评估方法进行了某型船用柴油机的技术状态评估。评估案例表明，本文构建的评估指标可以用于船用柴油机技术状态的技术状态评估，值得在船舶动力工程中应用参考。

参考文献：

[1]耿俊豹.基于信息融合的舰船动力装置技术状态综合评估研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[2]彭鹏菲，全文彬，于 钱.基于模糊聚类与灰色关联的舰船装备技术状态评估方法[J].舰船科学技术，2015，37（5）：128-131.

[3]刘伯运，欧阳光耀，常汉宝.基于粗糙集理论的内燃机状态评估指标体系构建[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（2）：11-13.

[4]欧阳光耀，常汉宝.内燃机[M].北京：国防工业出版社，2011.

[5]陈 玲，蔡 琦，蔡章生.船用核动力装置技术状态综合评估模型研究[J].船海工程，2006，171（2）：22-24.

[6]杜 栋，庞庆华，吴 炎.现代综合评价方法与案例精选[M].清华大学出版社，北京，2008.