內(nèi)燃機(jī)智能故障診斷系統(tǒng)的研究及應(yīng)用芻議

邱效果

摘要：內(nèi)燃機(jī)是將機(jī)器內(nèi)部的燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，它屬于一種動(dòng)力機(jī)械。它現(xiàn)今主要被廣泛應(yīng)用在工業(yè)與農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程等方面，其制造生產(chǎn)能力與技術(shù)裝備水平不斷得到明顯的提高。但其組成結(jié)構(gòu)與功能比較復(fù)雜，所以相關(guān)的故障診斷方法也十分復(fù)雜難操作，給工作的單位與企業(yè)帶來(lái)很大的阻礙。本文以內(nèi)燃機(jī)為研究對(duì)象，首先對(duì)當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)機(jī)理與技術(shù)故障的診斷方法進(jìn)行闡述，之后分別對(duì)內(nèi)燃機(jī)當(dāng)前的智能故障診斷系統(tǒng)的研究與其應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析探討，為相關(guān)研究調(diào)研提供一些建議性的思考與發(fā)展。在內(nèi)燃機(jī)車電氣系統(tǒng)的控制中，仍然沿用觸頭聯(lián)鎖方式，以形成電器線圈得電的邏輯關(guān)系，尤其是在眾多條件下形成的“與”邏輯電路中，不得不串接許多觸頭。這種聯(lián)鎖方式的線路，布線十分復(fù)雜，可靠性差，部分觸頭因裸露結(jié)構(gòu)，在風(fēng)沙季節(jié)容易發(fā)生因落灰后接觸電阻過(guò)大，發(fā)生虛接、開路等故障。機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中發(fā)生電器聯(lián)鎖故障后查找判斷困難，給行車組織帶來(lái)較大影響。使用控制電路智能判斷裝置后，可以快速準(zhǔn)確地判斷機(jī)車控制電路故障點(diǎn)，降低乘務(wù)員、機(jī)車檢修人員對(duì)故障判斷的難度。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);智能故障;診斷系統(tǒng);研究及應(yīng)用;芻議

0 ?引言

近幾年，隨著我國(guó)在科技技術(shù)方面有了顯著的突破與成就，也帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它能夠不斷滿足在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的各項(xiàng)要求，其發(fā)展前景也越來(lái)越好，相關(guān)的機(jī)械設(shè)備也逐步走向智能化、自動(dòng)化的發(fā)展道路，高速?gòu)?qiáng)載、高效率等優(yōu)勢(shì)在相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域中也越來(lái)越凸現(xiàn)，然而一些問(wèn)題與障礙也隨之而來(lái)。因?yàn)槠溥B續(xù)運(yùn)行且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在工作運(yùn)行中也很容易發(fā)生系統(tǒng)故障的現(xiàn)象，破壞機(jī)械設(shè)備的使用，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程，在某些時(shí)候還會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是造成人員傷亡事故，其后果不堪設(shè)想。隨著科技的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，為了滿足生產(chǎn)的需要，機(jī)械設(shè)備逐漸向大型、高速、強(qiáng)載、自動(dòng)與智能化、連續(xù)運(yùn)行及高度復(fù)雜化發(fā)展，同時(shí)系統(tǒng)故障發(fā)生率也相應(yīng)增加。一旦發(fā)生故障，就有可能使整臺(tái)設(shè)備甚至整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程受到影響和破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生災(zāi)難性人員傷亡事故。

1 ?故障機(jī)理內(nèi)容

由于內(nèi)燃機(jī)等大型關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況十分復(fù)雜， 為了保證內(nèi)燃機(jī)的正常工作，設(shè)備故障的診斷工作要求 更高。故障診斷要求一個(gè)智能化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自行分析設(shè)備故障，并提取故障特征從而盡興判斷和預(yù)測(cè)，結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和粗糙集理論。目前我國(guó)所具有的故障診斷技術(shù)與工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)息息相關(guān)，而且其復(fù)雜系數(shù)也很大，所以對(duì)其故障的分析也需要參考多方面的數(shù)據(jù)從而進(jìn)行診斷，首先就是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的故障機(jī)理進(jìn)行研究診斷。對(duì)故障機(jī)理的研究與診斷主要是從信號(hào)采集、信號(hào)分析處理及特征提取、狀態(tài)識(shí)別以及決策診斷四個(gè)方面進(jìn)行。

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)備異常或發(fā)生故障時(shí)，對(duì)其當(dāng)前顯示的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)與采集是進(jìn)行故障診斷的一個(gè)有效環(huán)節(jié)，通常采用振動(dòng)診斷、溫度測(cè)試、壓力測(cè)試、油液分析技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、電渦流傳感器測(cè)試等方法。信號(hào)分析處理及特征提取這項(xiàng)內(nèi)容主要是對(duì)在設(shè)備故障診斷時(shí)將測(cè)量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)其轉(zhuǎn)化后的信號(hào)進(jìn)行加工與處理，然后對(duì)有效的信號(hào)進(jìn)行細(xì)化，從而提取出有用的故障信息。由于發(fā)生故障原因的不同，所以所呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象與信號(hào)也會(huì)一一對(duì)應(yīng)，種類多樣。在此情況下，就需要建立相對(duì)應(yīng)的故障標(biāo)準(zhǔn)模式，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際的故障信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，這一過(guò)程就叫做狀態(tài)識(shí)別。最后一項(xiàng)內(nèi)容叫做決策診斷，主要是指對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)并制定出針對(duì)性的決策判斷，做到防患于未然。

2 ?故障診斷技術(shù)方法

內(nèi)燃機(jī)發(fā)生故障的原因比較復(fù)雜多樣，因此針對(duì)其原因所運(yùn)用的故障診斷方法也是多種多樣。主要表現(xiàn)為以下幾種故障診斷方法。

2.1 內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)法與振動(dòng)信號(hào)故障特征法

前者主要用于當(dāng)內(nèi)燃機(jī)其他缸正常運(yùn)行，但是某一個(gè)缸在工作運(yùn)行中出現(xiàn)斷油、拉缸或者是活塞環(huán)發(fā)生磨損等問(wèn)題，且此缸的做功壓力與其他相比較來(lái)說(shuō)有下降的趨勢(shì)時(shí)，就會(huì)采用此診斷方法。此方法能夠體現(xiàn)出相關(guān)機(jī)器當(dāng)前的工作狀態(tài)與質(zhì)量，還能比較容易地測(cè)出所需的信息，所以在這一情況下能夠診斷出其故障。這種方法雖然能夠簡(jiǎn)易地確定出故障的部位，但是不能直觀的得出造成故障的原因，而且采用的機(jī)械設(shè)備花銷大，安裝與調(diào)試也比較難。

振動(dòng)信號(hào)故障分析特征法主要是對(duì)內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的信息進(jìn)行檢測(cè)與測(cè)量，從而研究出內(nèi)燃機(jī)在工作時(shí)出現(xiàn)故障的原因，這種方法與其他方法相比較具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)相關(guān)的工作人員的要求較高，在必要時(shí)也需要采取其它的方法進(jìn)行輔助。

2.2 灰色系統(tǒng)診斷法、小波分析診斷法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法

灰色系統(tǒng)指的是系統(tǒng)中包含有未知的也有已知的信息的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行白化從而得到相關(guān)的有效信息，然后在進(jìn)行相關(guān)聯(lián)的運(yùn)算從而進(jìn)行故障診斷。小波分析法主要是用來(lái)分析非平穩(wěn)信號(hào)與平穩(wěn)信號(hào)，其應(yīng)用價(jià)值非常高，也是在故障診斷中進(jìn)行信號(hào)處理的一個(gè)有效工具。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法內(nèi)部包含的功能為當(dāng)前所呈現(xiàn)的模糊、不準(zhǔn)確以及錯(cuò)誤的信息的診斷與處理提供了新的路徑。模糊診斷法是通過(guò)利用具有模糊關(guān)系的矩陣進(jìn)行相關(guān)的變換，并從所表現(xiàn)的征兆來(lái)進(jìn)行故障診斷。

2.3 典型故障診斷方法

除此之外，在生活中還會(huì)出現(xiàn)比較典型的故障，所以對(duì)其故障也包含有典型的診斷方法，如：Back Propagation算法、自行提取特征和專家系統(tǒng)。前者主要分為正向與反向傳播兩個(gè)階段，但是自身也存在有缺陷與不足，所以對(duì)此方法也需要進(jìn)行一些發(fā)展性的改進(jìn)。后兩者都比較智能化，一個(gè)是依據(jù)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)式自行提取，另一個(gè)是依據(jù)信號(hào)進(jìn)行智能化自我診斷，將知識(shí)作為技術(shù)的核心，在很大程度上受到知識(shí)的數(shù)量與重量的影響，雖然推理過(guò)程復(fù)雜度高，但是它具有其他方法所沒有的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與自行判斷的技能。

2.4 電壓檢測(cè)模塊的掃描周期短

每個(gè)周期在0.1s左右，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，電壓檢測(cè)模塊的相應(yīng)速度完全可以滿足要求。因內(nèi)燃機(jī)車電路電源電壓等級(jí)比較多，交直流、高低壓電線混在一起，相互干擾比較大，容易造成電路模塊誤顯示。為了防止電路誤顯示，在電壓檢測(cè)模塊輸入端，安裝光電隔離和脈沖吸收電路，消除因干擾造成電器誤顯示或誤動(dòng)作現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 ?智能故障診斷系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的故障診斷而言，現(xiàn)今的診斷系統(tǒng)更具智能化，發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)也是傳統(tǒng)型的故障診斷系統(tǒng)無(wú)法比擬與超越的。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生多種故障時(shí)，智能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)其故障進(jìn)行處理，還能實(shí)現(xiàn)分布儲(chǔ)存信息，在這一過(guò)程中提高了對(duì)其問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別與處理解決的效率。它還具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，不管接收與輸入的信息受外界的影響如何變化，它都能夠很快適應(yīng)信息的變化能力，完善自身的系統(tǒng)并有效的對(duì)信息進(jìn)行正確合理的處理。它還能夠?qū)邮盏男畔⑦M(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，如果接收的信息出現(xiàn)不完整亦或是部分不正確的時(shí)候，其內(nèi)在系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行對(duì)其辨別，對(duì)相應(yīng)的錯(cuò)誤信息做到自行恢復(fù)，還不影響對(duì)信息的后期處理。另外，它還遵循兩個(gè)原則，分別是相容性和代表性。它能夠?qū)χR(shí)容量以及工作中的運(yùn)行速度進(jìn)行有效的解決與提升。

如今隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)所擁有的故障診斷系統(tǒng)的智能化特征越來(lái)越顯著，作用也越來(lái)越凸現(xiàn)。其當(dāng)前的智能化系統(tǒng)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與粗糙集理論相結(jié)合共同作為其理論基礎(chǔ)，將內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生振動(dòng)而帶來(lái)的豐富多樣的特征信號(hào)為故障診斷提供大量的信息作為參考依據(jù)，因此振動(dòng)診斷法是最常采用的診斷方法。另外在診斷中還結(jié)合其他方法，如：小波分析、灰色系統(tǒng)理論以及提取特征方法等數(shù)字化更加精確的方法，使其在智能化的道路上發(fā)展更加廣闊，在一定程度上也使智能故障診斷系統(tǒng)被更多的人所認(rèn)可并不斷投入使用，創(chuàng)造更高效的價(jià)值。

4 ?智能故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

智能故障診斷系統(tǒng)在當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)故障診斷中呈現(xiàn)著良好的發(fā)展趨勢(shì)，它具有強(qiáng)勁的實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的發(fā)展中還應(yīng)該結(jié)合粗糙集理論、遺傳算法等研究來(lái)簡(jiǎn)化內(nèi)燃機(jī)故障的操作過(guò)程與操作難度，發(fā)揮出巨大的潛能。也要對(duì)當(dāng)前具有的有關(guān)傳感器的研究和相應(yīng)的檢測(cè)手段不斷進(jìn)行理念、技術(shù)等創(chuàng)新，要發(fā)揮不同檢測(cè)診斷方式的優(yōu)點(diǎn)，或者進(jìn)行多種診斷方式結(jié)合來(lái)應(yīng)對(duì)不同原因而引起的故障，還要對(duì)其在故障狀態(tài)下所得出的信號(hào)特征進(jìn)行準(zhǔn)確高效的處理，從而保證后期診斷的可靠精確性。在內(nèi)燃機(jī)使用過(guò)程中，有條件的話要進(jìn)行定期的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，同時(shí)還要注意并進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)智能故障系統(tǒng)的后期保養(yǎng)工作。另外對(duì)于診斷方法要進(jìn)行不斷的處理與改進(jìn)，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，從而使其將自身的作用發(fā)揮到最大化。

5 ?結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為目前所擁有的內(nèi)燃機(jī)故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)技術(shù)層面的支撐，帶來(lái)發(fā)展的新機(jī)遇，不斷向智能化靠近，使其在發(fā)展的道路上智能化的特征愈加凸現(xiàn)。同時(shí)其智能系統(tǒng)也在一定程度上不斷的得到創(chuàng)新與完善，使內(nèi)燃機(jī)在工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中得到更多人的認(rèn)可與使用。內(nèi)燃機(jī)故障診斷系統(tǒng)由傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向智能化轉(zhuǎn)變需要技術(shù)條件作為支撐。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)燃機(jī)的智能故障診斷系統(tǒng)將會(huì)得到更加完善和發(fā)展，也必將得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉達(dá)德，朱智英，沈祥林.東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車結(jié)構(gòu)和原理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1983.

[2]許廖，王淑英.電器控制與可編程控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]劉達(dá)德.東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車結(jié)構(gòu)原理檢修[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[4]陳立定.電氣控制與可編程序控制器的原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]遲興國(guó).內(nèi)燃機(jī)車[J].內(nèi)燃機(jī)車，1999（2）.

[6]周美來(lái)，周封，王岳宇.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[7]袁任光.程序控制器選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[8]吳震宇.內(nèi)燃機(jī)故障診斷若干理論與相關(guān)技術(shù)的研究[DB/OL].2017（4）：58-61.

[9]徐立華.柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī)，2011，5：154.

[10]劉燕，李世其，段學(xué)燕.模糊信息系統(tǒng)知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法在油液監(jiān)測(cè)故障診斷中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008（26）：374-378.