船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)體系研究

王星人，徐孫慶，韋可佳，耿俊豹

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

船用柴油機(jī)由于在各種動力機(jī)械中熱效率最高，功率范圍寬廣，起動迅速，維修方便，運(yùn)行安全，使用壽命較長，因此在船舶中被廣泛用作主機(jī)和輔機(jī)，是船用動力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。船舶運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，出海過程中，柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響到船舶的安全，因此，對船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估也尤為重要。設(shè)備技術(shù)狀態(tài)評估方法較多，一般是需先構(gòu)建評估指標(biāo)體系[1-2]。船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)研究的文獻(xiàn)不多，文獻(xiàn)[3]采用粗糙集來構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)評估指標(biāo)，主要包括了振動信息、滑油質(zhì)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(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估，但是，由于該文獻(xiàn)并沒有詳細(xì)解釋各評估指標(biāo)的含義，因此，需要完善指標(biāo)體系。

本文首先簡單介紹船用柴油機(jī)的基本功能和結(jié)構(gòu)；其次介紹了技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)選取原則；再次，構(gòu)建了8個船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)；最后采用模糊綜合評估方法開展某型船舶柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估案例。

1 船用柴油機(jī)基本功能和結(jié)構(gòu)

船用柴油機(jī)的主要功能是使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質(zhì)燃料油作燃料，把燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再通過工質(zhì)的膨脹做功把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，來為船舶提供航行所需要的動力。柴油機(jī)主要部件包括：燃燒室、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、換向系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)[4]。其中燃燒室部件、配氣機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的正常工作對于柴油機(jī)的正常工作和船舶的安全航行起重要作用。

2 技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)選取原則

從技術(shù)狀態(tài)評估的定義、內(nèi)容和結(jié)果要求上看，技術(shù)狀態(tài)評估要及時、準(zhǔn)確、動態(tài)地反映實(shí)際使用過程中設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)要求。因此，指標(biāo)體系的建立要參照各個子系統(tǒng)指標(biāo)的特性，以及不同的指標(biāo)在整體評估體系中所占權(quán)重系數(shù)。具體的技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)選取及評估應(yīng)遵循以下原則[5]：

（1）客觀性原則

技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)一定要遵循客觀規(guī)律，一切從實(shí)際出發(fā)，理論聯(lián)系實(shí)際，不能主觀臆斷，更不能妄加判斷。建立有科學(xué)依據(jù)的技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)體系，既能反映客觀實(shí)際，又是影響技術(shù)狀態(tài)的主要因素。

（2）系統(tǒng)全面性原則

技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)體系，應(yīng)該盡可能全面反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的性能。整個技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)體系的建立需要按照評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)有序聯(lián)系在一起，層次分明。

（3）可靠性原則

由技術(shù)狀態(tài)定義可知，描述設(shè)備的物理特性和功能特性的指標(biāo)中既有定性要求，也有定量要求。針對定量的指標(biāo)要采用具體數(shù)值進(jìn)行計算，評估指標(biāo)的數(shù)據(jù)要真實(shí)可靠。

（4）簡潔性原則

影響設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的因素有很多，把所有指標(biāo)都考慮進(jìn)去是不現(xiàn)實(shí)的。因此，要綜合考慮不同技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)影響的大小，并根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的難易程度來選取合適的指標(biāo)，同時要求指標(biāo)體系簡潔、實(shí)用、高效。

3 船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)

根據(jù)柴油機(jī)的基本功能、基本結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估基本指標(biāo)主要有以下幾個方面：

（1）最大功率

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

（2）最大轉(zhuǎn)速

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

（3）排氣溫度

排氣溫度是判斷柴油機(jī)熱過程是否正常的一個最直接評估指標(biāo)。正常情況下，隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度是增加的，但是排氣溫度是在一個規(guī)定的范圍內(nèi)，如果排氣溫度比正常值高很多，則可能是柴油機(jī)的噴油器出現(xiàn)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(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)相關(guān)，因此，冷卻水溫的高低是評估柴油機(jī)整體技術(shù)狀態(tài)的一個重要評估指標(biāo)。冷卻水溫高，可能是柴油機(jī)負(fù)荷過大、燃?xì)饬魅肜鋮s水系統(tǒng)、冷卻水量不足，也可能是缸體出現(xiàn)裂紋或柴油機(jī)拉缸的征兆。因此，冷卻水溫偏高可用來表征柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)退化的程度。

（5）滑油壓力

滑油的壓力是了解滑油系統(tǒng)工作狀態(tài)的一個基本參數(shù)，也是評估柴油機(jī)滑油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的一個指標(biāo)。通過了解滑油壓力，不僅可以了解滑油系統(tǒng)本身技術(shù)狀態(tài)，也可以了解柴油機(jī)各運(yùn)動機(jī)件配合間隙的狀態(tài)。滑油壓力的突然增加或降低，可能是某些運(yùn)動機(jī)件技術(shù)狀態(tài)退化的前兆。

（6）滑油溫度

滑油溫度是反映柴油機(jī)負(fù)荷大小、冷卻水冷卻效果、柴油機(jī)運(yùn)行機(jī)件熱負(fù)荷、運(yùn)行機(jī)件的潤滑效果等信息的關(guān)鍵參數(shù)，一旦在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)滑油溫度異常升高，則需要停機(jī)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(jī)在長期的運(yùn)行中，如果滑油溫度持續(xù)的緩慢升高，也需要密切注意，可能是機(jī)件磨損增加等技術(shù)狀態(tài)退化造成的。因此，滑油溫度是技術(shù)狀態(tài)評估的比較關(guān)鍵參數(shù)。

（7）振動信息

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)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(jìn)排氣、燃?xì)獾恼駝有畔ⅲ涣硪活愂菣C(jī)械振動，如氣閥的沖擊、齒輪的嚙合、軸承的轉(zhuǎn)動、活塞的運(yùn)動等等。一般情況下，負(fù)荷越大，振動強(qiáng)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(gòu)建某些故障現(xiàn)象與振動信息特征之間的關(guān)系，從而可通過振動信息來判斷柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)。目前，有許多振動儀來輔助進(jìn)行振動信息分析，但是，柴油機(jī)現(xiàn)場操作人員靠耳朵仔細(xì)傾聽，往往可能提前發(fā)現(xiàn)某些故障征兆?？梢?，振動信息是技術(shù)狀態(tài)評估的比較重要的指標(biāo)。

（8）滑油質(zhì)量

從滑油中出現(xiàn)的雜質(zhì)、水分和柴油，可以發(fā)現(xiàn)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(zhì)量?；椭谐霈F(xiàn)金屬粉末，一方面說明柴油機(jī)有較大磨損，另一方面，也預(yù)示技術(shù)狀態(tài)在退化，可能會出現(xiàn)較大的磨損。滑油質(zhì)量主要從金屬顆粒的種類、大小和濃度來判斷滑油質(zhì)量。新金屬顆粒的出現(xiàn)、金屬顆粒體積變大和金屬顆粒濃度大幅度升高等現(xiàn)象可能是某些機(jī)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(jī)的技術(shù)狀態(tài)。因此，滑油質(zhì)量是技術(shù)狀態(tài)評估的比較重要指標(biāo)。

4 案例應(yīng)用

本文采用模糊理論來進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)評估[6]。技術(shù)狀態(tài)評估的基本步驟主要包括：構(gòu)建船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估集；確定技術(shù)狀態(tài)評估因素集；建立各評估指標(biāo)的評判集；確定各評估指標(biāo)的權(quán)重；建立綜合評判矩陣，并采用最大隸屬度來判斷其技術(shù)狀態(tài)等級。

4.1 構(gòu)建船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估集

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)的評價等級為：V={良好、正常、一般、故障}。

4.2 確定技術(shù)狀態(tài)評估因素集

根據(jù)上節(jié)對船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)的分析，可建立技術(shù)狀態(tài)評估因素集為：

U={最大轉(zhuǎn)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(biāo)的評判集

各評估指標(biāo)的評判集與其數(shù)值的大小的相關(guān)，限于篇幅，本文以柴油機(jī)的最大功率為例說明單因素的評判集的構(gòu)建方法。

某型船用柴油機(jī)，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(shè)x為柴油機(jī)實(shí)際最大功率，單位為馬力，R1為最大功率的評判集。

當(dāng)x≥ 5 040時，R1=（0.8，0.2，0，0）；

當(dāng)5 040＞ x≥ 4480時，R1=（0.2，0.6，0.2，0）；當(dāng)4 480＞ x≥ 3 920時，R1=（0，0.2，0.6，0.2）；當(dāng)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(shè)該型船用柴油機(jī)的實(shí)際最大功率為4 600馬力、最大轉(zhuǎn)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(jīng)為45 μm.參考最大功率的評判集的做法，可以得到評估指標(biāo)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(gòu)建評判矩陣為：

4.4 確定各評估指標(biāo)的權(quán)重

最大功率、最大轉(zhuǎn)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(biāo)來表征了船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)。實(shí)際上，任何一個參數(shù)指標(biāo)如果偏離了其規(guī)定值太多，表明其技術(shù)狀態(tài)比較差。根據(jù)柴油機(jī)的基本原理、使用和維護(hù)規(guī)程，以及使用人員的經(jīng)驗(yàn)，確定各評估指標(biāo)的權(quán)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(shè)備技術(shù)狀態(tài)屬于“正?！奔墑e的可能性更大，因此，該柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)被評估為“正?！奔墑e。

5 結(jié)束語

船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到船舶的運(yùn)行和維修管理。本文在了解柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，提出了將最大功率、最大轉(zhuǎn)速、排氣溫度、冷卻水溫、滑油壓力、滑油溫度、振動信息、滑油質(zhì)量8種指標(biāo)作為評估柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)。在建立了8種評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評估方法進(jìn)行了某型船用柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估。評估案例表明，本文構(gòu)建的評估指標(biāo)可以用于船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的技術(shù)狀態(tài)評估，值得在船舶動力工程中應(yīng)用參考。

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