船用推進(jìn)柴油機(jī)視情診斷技術(shù)

范煥羽，顏 峰，吳詩謙

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一代表室，上海201913；2.中船動力研究院有限公司，上海200120；3.上海船用柴油機(jī)研究所，上海201100）

0 引言

船用推進(jìn)柴油機(jī)作為最常見的機(jī)械設(shè)備，常被稱作艦船的心臟。其運行狀態(tài)的好壞與艦船航行的安全性和穩(wěn)定性密切相關(guān)。然而，柴油機(jī)工作過程復(fù)雜，故障種類較多，診斷難度較大。早期國內(nèi)艦船柴油機(jī)的保障機(jī)制大多為事后診斷和定期維護(hù)，對于故障的判別，多依據(jù)運行監(jiān)測爆壓、排溫、滑油壓力、冷卻水溫、煙度等參數(shù)及拆檢結(jié)果來進(jìn)行綜合判斷。傳統(tǒng)的事后診斷和定期維護(hù)的維修機(jī)制存在著診斷能力弱、測試結(jié)果無法實時反饋、預(yù)防性和經(jīng)濟(jì)性較差等不足。隨著信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，船用推進(jìn)柴油機(jī)的故障診斷技術(shù)逐漸向著視情維修的趨勢發(fā)展，此類技術(shù)通過測取柴油機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)，提取狀態(tài)參數(shù)中包含的信息，結(jié)合環(huán)境等因素，實時對柴油機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行評估，以及時發(fā)現(xiàn)可能存在的故障隱患，實現(xiàn)故障早期預(yù)警，避免更大損失的產(chǎn)生；有的甚至可以基于當(dāng)前運行狀態(tài)參數(shù)完成對未來健康狀況進(jìn)行預(yù)測。

相比傳統(tǒng)的事后診斷和定期維護(hù)，視情維修具有更高效、更便捷、更可靠等優(yōu)點。這類技術(shù)在操作時會在柴油機(jī)運行時測量并記錄柴油機(jī)運行參數(shù)，無需停機(jī)診斷，可在不拆解機(jī)器的情況下對艦船柴油機(jī)的做功性能、運行狀態(tài)以及故障趨勢進(jìn)行定量的判別和掌控，進(jìn)而有效提高診斷的效率，減少維修成本。

1 常見船用推進(jìn)柴油機(jī)視情診斷技術(shù)

1.1 熱力參數(shù)診斷法

熱力參數(shù)主要包括氣缸壓力示功圖、排溫、油溫、冷卻水進(jìn)口溫度等。傳統(tǒng)方法是通過一些易測的熱力參數(shù)，如爆壓、各缸排溫、冷卻水溫度等，或者依靠經(jīng)驗如噪聲、振動等來對柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行初步評判[1]。但若需要評判柴油機(jī)做功過程中發(fā)生的細(xì)節(jié)問題，則需要更多的熱力參數(shù)。

柴油機(jī)做功過程中最重要的是燃燒過程，燃燒過程中的熱力參數(shù)包括：燃燒始點、最高燃燒溫度、燃燒持續(xù)期、燃燒放熱速度等。傳統(tǒng)方法往往無法直接獲取，通常需要測得柴油機(jī)示功圖，并結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)通過計算獲得。

示功圖能夠得到缸內(nèi)在曲軸轉(zhuǎn)角域內(nèi)的壓力曲線，據(jù)此可以計算得出壓力升高率、最高燃燒溫度、壓力升高率、指示功等數(shù)據(jù)，還可直接根據(jù)零維模型計算得到燃燒放熱率，根據(jù)燃燒放熱率能夠評判氣缸燃燒質(zhì)量，并得到氣缸工作是否正常的特征值。這是目前最直接也是最有效的診斷方法。示功圖的核心參數(shù)為缸內(nèi)瞬時壓力[2]。在測試過程中通常會因為示功閥的通道效應(yīng)導(dǎo)致壓力震蕩，導(dǎo)致壓力曲線失真。為消除通道效應(yīng)的影響，目前常用以下2種方法來進(jìn)行處理：1）將壓力傳感器與缸蓋底部平齊安裝，但是這種方式會對傳感器產(chǎn)生熱沖擊且安裝難度較大；2）利用數(shù)字信號處理方法對采集到的壓力曲線進(jìn)行濾波處理，再根據(jù)壓力曲線和曲軸轉(zhuǎn)角繪制示功圖。得到示功圖后，通過數(shù)值計算對柴油機(jī)工作過程進(jìn)行分析，并結(jié)合柴油機(jī)運行時的監(jiān)測參數(shù)來判斷其運行狀態(tài)。

基于熱力參數(shù)的診斷方法效果較好，但是在測取缸內(nèi)壓力這一關(guān)鍵參數(shù)時，需要測功通道，部分中小型柴油機(jī)未設(shè)置測功通道，無法通過該方法有效進(jìn)行故障診斷；同時，缸內(nèi)傳感器價格昂貴，穩(wěn)定性較差，若長期安裝在測功通道上，氣缸內(nèi)部的熱沖擊和高溫環(huán)境會對傳感器造成不可逆的損壞，因此在使用上受到了一定程度的限制。

1.2 基于瞬時轉(zhuǎn)速的故障診斷

柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)由活塞、連桿和曲軸等3部分組成[3]。柴油機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)火做功產(chǎn)生的氣體力矩能夠推動活塞，并由曲軸連桿機(jī)構(gòu)帶動使活塞沿著缸壁進(jìn)行往復(fù)式機(jī)械運動；曲軸則以主軸中心線為軸做旋轉(zhuǎn)運動；連桿小端伴隨活塞做往復(fù)運動，大端伴隨曲軸做旋轉(zhuǎn)運動。伴隨著氣缸做工輸入力矩的波動，轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出周期性的變化。某六缸機(jī)運轉(zhuǎn)過程中，瞬時轉(zhuǎn)速的變化如圖1所示。

圖1 某六缸機(jī)運轉(zhuǎn)過程中瞬時轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)所有氣缸做功能力的可以通過瞬時轉(zhuǎn)速信號體現(xiàn)出來，瞬時轉(zhuǎn)速的波動性是由燃燒氣體力矩、曲柄機(jī)構(gòu)慣性力矩、氣缸與活塞的摩擦力矩和輸出端負(fù)載力矩等共同作用的結(jié)果，包含豐富的信息。各氣缸輸入扭矩的變化會導(dǎo)致瞬時轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，當(dāng)某缸出現(xiàn)故障時，氣缸做工不足會導(dǎo)致輸出扭矩發(fā)生變化，而在低速情況下慣性力扭矩和其他氣缸扭矩變化較小，在相應(yīng)發(fā)火做功區(qū)間內(nèi)，總體輸出扭矩和瞬時轉(zhuǎn)速就會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以通過該特征對故障進(jìn)行診斷。

瞬時轉(zhuǎn)速的測取較為簡便，只需利用最簡易的磁電傳感器即可獲取，基于瞬時轉(zhuǎn)速的故障診斷法能夠用較為經(jīng)濟(jì)便捷的手段獲取信號，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析可以得到豐富的運轉(zhuǎn)信息，并且可對柴油機(jī)運轉(zhuǎn)過程進(jìn)行長期檢測。因此，該方法能夠廣泛運用于柴油機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。

1.3 基于振動信號的故障診斷

柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各機(jī)械組件在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動傳遞和激勵，當(dāng)出現(xiàn)故障時，原先的激勵特性和傳遞特性會出現(xiàn)變化，此時柴油機(jī)振動和噪聲信號就能夠?qū)⒃撟兓憩F(xiàn)出來。

柴油機(jī)是個多子系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)備，幾乎所有系統(tǒng)在工作中都會產(chǎn)生振動。振動信號包含了豐富的柴油機(jī)狀態(tài)信息，且振動傳感器直接安裝于發(fā)動機(jī)表面，可以實現(xiàn)非侵入式測量，并能夠長期在線監(jiān)測。

1.4 基于滑油分析的故障診斷

柴油機(jī)滑油系統(tǒng)作為柴油機(jī)5大系統(tǒng)之一，它主要包括主滑油系統(tǒng)、凸輪軸滑油系統(tǒng)、氣缸滑油系統(tǒng)、排氣閥油壓系統(tǒng)、增壓器滑油系統(tǒng)等[4]。滑油系統(tǒng)在柴油機(jī)運行時，通過滑油管路使滑油進(jìn)入到柴油機(jī)的運動部件之間，可以起到潤滑作用，同時還具有冷卻和清潔作用。

柴油機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生機(jī)械摩擦，若沒有滑油的有效潤滑，就會損壞部件?；湍軌蚱鸬今詈蠙C(jī)械潤滑和減少摩擦的作用，否則將會產(chǎn)生諸如磨損、腐蝕和斷裂等故障。循環(huán)的滑油中存在著需要機(jī)械磨損產(chǎn)生的金屬元素，隨著摩擦應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始逐漸重視對滑油的分析和研究，近年來在滑油監(jiān)測領(lǐng)域也出現(xiàn)了越來越多的成果。

2 視情診斷技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 熱力參數(shù)診斷法

國內(nèi)諸多學(xué)者對基于熱力參數(shù)的柴油機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測做了深入研究。

最早有學(xué)者試圖建立一套柴油機(jī)熱力性能參數(shù)之間的分析方法，以尋找柴油機(jī)故障。如王洪鋒等[5]建立了智能化柴油機(jī)工作模型，驗證模型可靠性，確定敏感故障熱力參數(shù)變化規(guī)律并使用“灰色關(guān)聯(lián)度法”來完成故障診斷。

張成佳針對熱功轉(zhuǎn)換過程故障進(jìn)行研究，建立工作模型并提取故障敏感參數(shù)，對敏感的故障參數(shù)進(jìn)行重點監(jiān)測，并通過試驗對其進(jìn)行驗證?？梢钥闯?，熱力參數(shù)的診斷法的核心多基于故障與參數(shù)特征的關(guān)聯(lián)?；诖朔椒?，近年來，許多國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)先后研制出基于熱力參數(shù)的柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和性能分析系統(tǒng)[6]。

吳峰等[7]采用計算機(jī)DMA 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開發(fā)的高速汽油機(jī)示功圖測量處理系統(tǒng)；胡軍軍等[8]利用國產(chǎn)高速采集卡及控制軟件開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析儀；上海內(nèi)燃機(jī)研究所研制的EAS800內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)；山東工業(yè)大學(xué)利用APPLE-Ⅱ微機(jī)開發(fā)的的DCA-1型內(nèi)燃機(jī)燃燒分析儀，天津大學(xué)的內(nèi)燃機(jī)多參數(shù)測控及燃燒分析系統(tǒng)[10]。國外方面，諸如挪威、德國等航運大國先后基于熱力參數(shù)研發(fā)出了船舶柴油機(jī)性能診斷系統(tǒng)：挪威的KYMA 公司研制了Marine Performance Monitoring[11]，該系統(tǒng)已在十余艘船舶主機(jī)上得到應(yīng)用，效果較好；德國的曼股份公司研制的PM I系統(tǒng)，通過測取氣缸壓力監(jiān)測柴油機(jī)工作狀態(tài)，其公司開發(fā)的COCOS軟件則能夠完成熱力參數(shù)的監(jiān)測和趨勢分析。

2.2 瞬時轉(zhuǎn)速診斷法

基于瞬時轉(zhuǎn)速的船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù)主要可分為3部分：波形分析法、轉(zhuǎn)矩估計法、諧次分析法[3]。

波形分析法主要根據(jù)提取波形的特征參數(shù)，通過對比正常與故障狀態(tài)下的特征參數(shù)和波形變化來進(jìn)行故障評判。目前，不同的學(xué)者選取了不同的波形特征，均取得了一定的效果，常見的特征方法包括：波形比率、波形差值、瞬時加速度的方差與均值之比、AR 譜、轉(zhuǎn)速升程區(qū)間平均加速度、瞬時轉(zhuǎn)速方差根、平均轉(zhuǎn)速方差、轉(zhuǎn)角變化指數(shù)、速度變化指數(shù)、加速度變化指數(shù)等。基于波形分析得到的特征參數(shù)計算量小，其物理特征較為明確，能夠適用于多數(shù)柴油機(jī)。雖然這些參數(shù)與柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)關(guān)聯(lián)度較小，但是這些特征參數(shù)對不同柴油機(jī)機(jī)型故障程度的變化程度不同，因此該方法對于缸數(shù)較少的柴油機(jī)更為適用。同時，不同的轉(zhuǎn)速對于特征參數(shù)的分布規(guī)律也有較大影響。

基于轉(zhuǎn)矩估計法對柴油機(jī)的故障診斷，通過建立線性或非線性動力學(xué)模型，根據(jù)氣體力矩和往復(fù)慣性力矩對瞬時轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系，以瞬時轉(zhuǎn)速信號為輸入，計算出轉(zhuǎn)矩或氣缸壓力，進(jìn)而實現(xiàn)對各缸的故障診斷。轉(zhuǎn)矩估計法可以對瞬時轉(zhuǎn)速進(jìn)行較為精確的仿真計算。但是該方法對柴油機(jī)各結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的精度要求較高，實際應(yīng)用中建模過程較為復(fù)雜。

諧次分析法是根據(jù)柴油機(jī)的激振力的周期性，利用動力學(xué)模型對曲軸激振力和瞬時轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行分析，提取出瞬時轉(zhuǎn)速波動與各缸簡諧力矩間的關(guān)系的一種診斷方法。該方法操作簡單，通過對瞬時轉(zhuǎn)速進(jìn)行時域、頻域或時頻分析，得到各氣缸簡諧力矩的變化特征以實現(xiàn)對柴油機(jī)的故障診斷；該方法在缸數(shù)較少的直列柴油機(jī)的故障診斷中取得了較好的效果[3]。

2.3 基于振動信號的故障診斷

目前，故障診斷領(lǐng)域針對振動信號的分析主要分為3個領(lǐng)域：頻域分析、時頻分析和模態(tài)分解[9]。

頻域分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)類機(jī)械故障診斷中有較廣泛的應(yīng)用。其主要原理是通過設(shè)置不同故障，運用頻譜分析技術(shù)，針對不同故障出現(xiàn)的振動頻域特征進(jìn)行比較以作為故障特征。20世紀(jì)80年代開始，最先由美國科學(xué)家提出通過采集缸蓋上振動信號來分析診斷柴油機(jī)故障的方法；我國學(xué)者對柴油機(jī)缸蓋系統(tǒng)的模型和傳遞特性也進(jìn)行了深入研究。由于頻域分析消除了所有時域信息，因此只有在故障信號與正常信號出現(xiàn)極大差異時才有效，而出現(xiàn)極大差異時，這些故障往往可以直接通過其他特征顯示，因此，該方法比較受限。

為解決頻譜分析受限的問題，有研究者提出將柴油機(jī)故障信號投射到時頻域進(jìn)行分析，利用時頻分析可以觀察微小時間間隔內(nèi)頻率的異常變化。有學(xué)者利用改進(jìn)小波包算法克服了傳統(tǒng)小波包分解算法頻率混疊的問題，對氣門間隙故障進(jìn)行了診斷，取得了一定的效果。雖然利用時頻分析技術(shù)處理柴油機(jī)振動信號有諸多優(yōu)點，但仍然有一些不足限制了它在實際中的應(yīng)用。首先，時頻分析技術(shù)總需要在時頻聚集性和抑制交叉項之間做出取舍；其次，很多時頻分布的計算效率較低，難以應(yīng)用于在線診斷系統(tǒng)中；最后，對時頻圖的解釋需要專業(yè)人士進(jìn)行干預(yù)。因此，目前針對時頻圖的分類方法仍然不夠成熟。

模態(tài)分解技術(shù)是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的信號自適應(yīng)分解方法，它能將信號自適應(yīng)從低頻到高頻分解為若干固有模態(tài)函數(shù)與其余項之和，分解出的IMF具有瞬時頻率的物理意義。該方法最常見的手段是經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析（EMD）和小波包分解技術(shù)，有學(xué)者利用EMD對柴油機(jī)振動信號進(jìn)行分解，選取幾個IMF提取小波包特征，利用提取的小波包特征與支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練得到分類機(jī)器，實現(xiàn)對柴油機(jī)常見故障的診斷?；诟黝惸B(tài)分解方法診斷柴油機(jī)的研究很多，但同時也存在一些問題，比如多數(shù)方法分解模態(tài)數(shù)量無法給定，且模態(tài)選擇并沒有統(tǒng)一成熟的方法，同時，模態(tài)分解的計算量較大，難以運用到在線診斷中。

2.4 基于滑油分析的故障診斷

基于滑油分析的故障診斷方法主要就是對滑油的品質(zhì)、滑油黏度、滑油酸堿值、滑油灰分和滑油金屬元素含量等進(jìn)行檢測[4]。隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，滑油分析技術(shù)也逐漸被運用于各類船舶主機(jī)，其中最常見的是利用光譜和鐵譜進(jìn)行分析，通過對超標(biāo)元素的監(jiān)測報警來達(dá)到故障預(yù)警和診斷的目的。

19世紀(jì)40年代，美國鐵路部分首次將光譜分析技術(shù)運用于監(jiān)測滑油中金屬元素的濃度，用來確定機(jī)車發(fā)動機(jī)的磨損情況；自十九世紀(jì)七十年代鐵譜技術(shù)的出現(xiàn)，該技術(shù)越來越多的被運用到機(jī)械設(shè)備故障診斷中；國內(nèi)東風(fēng)集團(tuán)研制出可以檢測到大約5μm 大小的鐵磁顆粒設(shè)備，通過監(jiān)測鐵磁顆粒來得知柴油機(jī)機(jī)構(gòu)間的磨損情況。

3 船用推進(jìn)柴油機(jī)視情診斷技術(shù)分析

3.1 熱力參數(shù)診斷法

基于熱力參數(shù)的診斷方法效果較為準(zhǔn)確，其核心優(yōu)勢在于能夠獲取較為準(zhǔn)確的缸內(nèi)壓力。但是在測取缸內(nèi)壓力這一關(guān)鍵參數(shù)時，需要測功通道，而部分中小型柴油機(jī)未設(shè)置測功通道，無法通過該方法進(jìn)行有效的故障診斷；同時，缸壓傳感器價格昂貴，穩(wěn)定性較差，若長期安裝在測功通道上，氣缸內(nèi)部的熱沖擊和高溫環(huán)境會對傳感器造成不可逆的損壞，因此在使用上受到了一定的限制。

3.2 瞬時轉(zhuǎn)速診斷法

瞬時轉(zhuǎn)速適用于長期在線監(jiān)測，同時能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)各氣缸的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行有效評判，但其核心在于利用氣缸發(fā)火激勵所導(dǎo)致的瞬時轉(zhuǎn)速波動來反推氣缸做工能力是否正常，反推的計算難度大，各機(jī)械組件間的噪聲干擾也是導(dǎo)致計算無法精準(zhǔn)的原因之一，對于具體故障細(xì)節(jié)信息的捕捉也需要進(jìn)一步深入研究。

3.3 振動信號診斷法

柴油機(jī)各個振動激勵源共同作用，會導(dǎo)致柴油機(jī)機(jī)體產(chǎn)生振動。振動信號易于測量，但是各個激勵源振動響應(yīng)在傳遞到振動傳感器過程中的傳遞路線較為復(fù)雜，在路徑中受到的衰減和卷積難以預(yù)知，且各個激勵響應(yīng)間也會互相干擾，同時，環(huán)境噪聲也會干擾振動信號，這使得直接利用機(jī)體表面振動信號提取柴油機(jī)故障特征具有一定難度，需要通過更多振動信號時域及頻域同時分析，提取更多有效的特征參數(shù)來解決故障預(yù)警問題。

3.4 滑油分析診斷法

目前檢測滑油質(zhì)量，主要是以大型的離線式設(shè)備進(jìn)行分析，雖然這些設(shè)備檢測的精度高，但是這些設(shè)備價格昂貴，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，且需要送至專門的監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量，花費時間長，對檢測的要求也更高，這些原因?qū)е略摲椒ㄔ诠こ虒嶋H中推廣度不高。

4 視情診斷技術(shù)研究難點與展望

從船用推進(jìn)柴油機(jī)視情診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)外針對該項技術(shù)從不同類型的型號、不同類別的參數(shù)、對應(yīng)不同故障的特征量入手，已研發(fā)出了許多具有較好效果的故障診斷儀器。但是不同的儀器均只能針對特定的故障，如熱力參數(shù)診斷法主要針對缸內(nèi)做功故障；瞬時轉(zhuǎn)速診斷法可以發(fā)現(xiàn)做功趨勢，卻無法精準(zhǔn)定位；振動信號診斷法針對主軸承、曲柄等機(jī)械故障更有優(yōu)勢；滑油監(jiān)測則主要針對機(jī)械耦合過程中的磨損故障，如何能夠?qū)崿F(xiàn)1套設(shè)備即能完成多數(shù)故障的視情診斷將會成為今后研究的重點。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)算法被應(yīng)用到工程實際中，并伴隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，能夠測取更多更精準(zhǔn)的特征量。因此，可以通過對傳感器設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理和分析，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。在故障診斷時，可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)信息，綜合識別當(dāng)前運行狀態(tài)，對故障進(jìn)行較為精準(zhǔn)的判別。這種診斷方法的本質(zhì)就是模式識別與數(shù)據(jù)分類問題。

船用推進(jìn)柴油機(jī)的數(shù)據(jù)信號是典型的非線性多特征，則可針對該特點，運用主特征提取、核主元分析以及流行學(xué)習(xí)中核局部保持投影法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，在利用最小二乘支持向量機(jī)等方法結(jié)合對故障進(jìn)行分類，則能快速對故障進(jìn)行識別。

該技術(shù)的難點在于數(shù)據(jù)樣本的獲取，這對于樣機(jī)故障樣本數(shù)據(jù)的采集提出了更高要求。對于不可逆、破壞性的故障數(shù)據(jù)如何采集，也需要當(dāng)今學(xué)者進(jìn)一步進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

船用推進(jìn)柴油機(jī)是艦船的心臟，而針對船用推進(jìn)柴油機(jī)視情診斷技術(shù)的研究方興未艾，隨著計算機(jī)算法水平的不斷完善、傳感器技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實力的提高，基于數(shù)據(jù)信號的故障識別方法終將能達(dá)到一個新的高度。