大功率柴油機故障在線診斷系統(tǒng)的研究

文/武迎迎 曹石 秦濤 劉建飛 趙國強

大功率柴油機廣泛應(yīng)用于船舶、艦艇、電站、特種車輛等領(lǐng)域，對發(fā)動機的可靠性要求較高。柴油機故障直接影響到船機、電站及整車的正常運行，甚至危及生命。有資料顯示，大功率發(fā)動機的維修及保養(yǎng)費用超過整車整機維護費用的50%。車輛運行不當，故障不能及時處理，甚至?xí)斐砂l(fā)動機報廢，導(dǎo)致嚴重后果。同時，隨著國家排放法規(guī)的逐步升級，電控技術(shù)正逐步應(yīng)用于大功率柴油機。電控部件及控制系統(tǒng)的增加，加大了發(fā)動機的維修保養(yǎng)難度。傳統(tǒng)的基于人工經(jīng)驗的維修和保養(yǎng)已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)動機的需求。

電控技術(shù)的應(yīng)用，對發(fā)動機的故障診斷及維修保養(yǎng)既是挑戰(zhàn)，又是機遇。伴隨著云技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)基于數(shù)據(jù)采集及分析的發(fā)動機故障在線診斷系統(tǒng)成為解決這一難題的一大解決方案。

1 大功率柴油機的故障在線診斷系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)旨在對大功率電控柴油機做運行參數(shù)監(jiān)控、故障精確診斷及預(yù)診斷。同時，系統(tǒng)具備維修指引及保養(yǎng)提醒的功能。與終端用戶的交互可利用發(fā)動機數(shù)據(jù)采集模塊T-box實現(xiàn)無線傳輸。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

基于數(shù)據(jù)采集及分析的故障在線診斷系統(tǒng)，對來自于發(fā)動機傳感器的運行數(shù)據(jù)進行采集，發(fā)動機控制單元ECU對發(fā)動機故障做直接診斷和管理，通過儀表或移動設(shè)備等終端交互工具反饋給客戶。同時，系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過T-box上傳至智云平臺，智云平臺的數(shù)據(jù)實時同步至存儲服務(wù)器，服務(wù)器通過強大的數(shù)據(jù)分析工作對運行數(shù)據(jù)作趨勢化、預(yù)警性分析，進而將信息再次傳遞至終端交互工具，提醒客戶及時對發(fā)動機做維護保養(yǎng)。

2 故障在線診斷系統(tǒng)開發(fā)

故障在線診斷系統(tǒng)包含兩個層次的診斷，即精確診斷和預(yù)診斷。系統(tǒng)中有關(guān)故障的分析和定位，采用故障樹分析法。故障樹分析法是一種基于圖形演繹的分析方法，通過描述與故障相關(guān)的各事件的邏輯關(guān)系，確定檢修事項的順序，并以樹狀的形式構(gòu)建故障形式及故障信息的流程圖。故障樹分析法的優(yōu)點是：構(gòu)建過程鑒定、執(zhí)行效率高、可用計算機進行輔助分析。通過故障樹分析方法，對系統(tǒng)報出的故障做清晰的分析定位，明確故障現(xiàn)象、故障失效形式及故障狀態(tài)，定位故障點，實現(xiàn)發(fā)動機的精確診斷。

2.1 故障精確診斷

精確診斷主要是通過發(fā)動機控制器對發(fā)動機運行數(shù)據(jù)進行采集，發(fā)動機控制系統(tǒng)的故障診斷模塊會對采集數(shù)據(jù)作分析比較，結(jié)合系統(tǒng)中對故障策略的開發(fā)，經(jīng)過多層級系統(tǒng)分析，明確故障點或故障件。故障明確之后，發(fā)動機控制系統(tǒng)的故障管理機制對異常情況進行報警，通過無線或CAN通訊傳遞給終端交互模塊（儀表或移動設(shè)備）。如圖2所示。

本系統(tǒng)重點關(guān)注發(fā)動機較為致命或頻繁的幾類故障模式，包括發(fā)動機漏氣量異常、進氣管路漏氣、噴油器故障、活塞穿孔、連桿瓦異常磨損或化瓦、主軸瓦異常磨損或化瓦、曲軸扭振超限報警等。

2.2 故障預(yù)診斷

預(yù)診斷是基于大數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)。系統(tǒng)通過發(fā)動機控制器采集發(fā)動機各運行數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過云端傳到服務(wù)器，服務(wù)器端采用數(shù)據(jù)的回歸分析以及基于灰色預(yù)測的可靠性評估，分析指標劣化情況及趨勢，從而預(yù)測發(fā)動機故障發(fā)生時刻，提前告知用戶及時采取措施，避免發(fā)動機出現(xiàn)重大故障。

本系統(tǒng)的故障預(yù)診斷主要對發(fā)動機劣化指標作分析，包括基于漏氣量劣化、基于機油耗指標劣化、基于燃油消耗指標劣化、基于增壓器性能劣化、基于主軸承溫度指標劣化。如圖3所示。

2.3 保養(yǎng)提醒

傳統(tǒng)的保養(yǎng)維護技術(shù)存在實車檢測難度大，拆裝困難等問題，尤其是大功率發(fā)動機，故障性維修的難度更大，這對發(fā)動機的使用提出更高要求，需要嚴格按照發(fā)動機的保養(yǎng)要求進行，避免因為保養(yǎng)不及時造成發(fā)動機故障。發(fā)動機控制系統(tǒng)針對該類需求做了專項開發(fā)，對于需要按照特定周期、特定要求及時更換的部件，開發(fā)了基于時間和檢測指標的診斷及提醒。在接近運行時間或檢測指標接近限值的情況下，系統(tǒng)會以故障的形式發(fā)出保養(yǎng)提醒的指令，建議用戶在下一個開機循環(huán)之前做換件保養(yǎng)，否則在指標超過限值時系統(tǒng)會報出相應(yīng)的故障，觸發(fā)發(fā)動機限扭或不允許開機。保養(yǎng)提醒的主要發(fā)動機部件包括：空氣濾清器、機油濾清器、燃油濾清器、機油及防凍液更換或添加提醒、呼吸器濾芯更換提醒等。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：精確診斷過程

2.4 維修指引

系統(tǒng)提供與客戶交互的界面，目前支持手機、平板的APP安裝使用。通過交互界面，客戶可以查看系統(tǒng)的故障狀態(tài)，單擊相應(yīng)的故障或提醒，有對故障或提醒的詳細說明。繼續(xù)點擊，可以獲取發(fā)動機維修或換件的指引說明。該服務(wù)將發(fā)動機的維護保養(yǎng)真正做到了便利快捷，進而保證了發(fā)動機高效高質(zhì)量運行，避免重大故障的發(fā)生。

2.5 人機交互界面開發(fā)

圖3：預(yù)診斷過程

系統(tǒng)為方便用戶及時了解掌握發(fā)動機運行狀況，提供更為人性化的人機交互界面，界面可為用戶提供發(fā)動機運行狀態(tài)、系統(tǒng)的故障、保養(yǎng)提醒、維修指引等信息。用戶點擊發(fā)動機運行狀態(tài)，可以查看發(fā)動機運行時間、發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速、平均油耗等信息。在有故障或保養(yǎng)提醒報出時，點擊相應(yīng)的選項可進行該故障的精確定位及分析。在故障件或保養(yǎng)件明確之后，客戶進入維修指引系統(tǒng)，根據(jù)換件或保養(yǎng)需求可查到具體的操作步驟及方法，完成系統(tǒng)的維護。

3 系統(tǒng)測試及驗證

大缸徑柴油機故障在線診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，在20臺某型號柴油機上進行了功能驗證：在歷時一年的試運行期內(nèi)，平均故障檢出率提高20%，維修保養(yǎng)費用降低15%，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語

通過開發(fā)故障診斷系統(tǒng)，使用戶可以實時了解發(fā)動機運行情況，故障的精確定位也極大提升了維修人員的維修效率，故障預(yù)診斷大幅降低了發(fā)動機的重大故障的發(fā)生。隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動機故障的診斷技術(shù)會進一步得到提升。