船用柴油機故障診斷方法的現(xiàn)狀分析與展望

秦一斐

摘要：船用柴油機故障診斷對船舶航行和人員安全至關(guān)重要。本文介紹了船用柴油機的基本組成以及診斷方法和研究現(xiàn)狀，并對船用柴油機故障診斷存在問題進行分析、對發(fā)展前景進行展望。

關(guān)鍵詞：船用柴油機;故障;診斷

0? 引言

船用柴油機具有高熱轉(zhuǎn)化效率、實用經(jīng)濟、啟動方便的特點，適用不同型號的船舶。船用柴油機作為船舶航行的主要動力來源，當它發(fā)生故障時，將直接影響船舶的操縱性能以及設(shè)備和人員的安全。為了最大程度地避免事故的發(fā)生，保障船舶操縱人員的安全，同時還能帶來潛在的經(jīng)濟效益和社會效益，需要不斷加強對船用柴油機運行狀態(tài)的監(jiān)測。因而，對于船用柴油機故障診斷的研究至關(guān)重要。

1? 船用柴油機的基本組成

船用柴油機是由以下七大系統(tǒng)所組成，當柴油機系統(tǒng)發(fā)生故障時，不僅會導致柴油機運轉(zhuǎn)異常，嚴重的還會造成機器損耗和人員傷亡。船用柴油機的實物圖如圖1所示。船用柴油機的基本組成如圖2所示。

1.1 機體組件系統(tǒng)

是船用柴油機的基本骨架，包括氣缸蓋、氣缸體等部件。

1.2 曲柄連桿系統(tǒng)

負責將活塞的往復運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，包括活塞組、連桿組、曲軸飛輪組等部件。

1.3 進排氣系統(tǒng)

負責提供充足而干凈的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排出，包括進、排氣門等部件。

1.4 燃油供給系統(tǒng)

按照船用柴油機負荷情況，向柴油機氣缸內(nèi)噴入適當?shù)娜剂希ǜ邏河捅?、噴油器等部件?/p>

1.5 潤滑系統(tǒng)

以一定壓力不間斷地送到船用柴油機各摩擦表面輸送清潔的潤滑油，以減少摩擦阻力和零件的磨損，從而保障船用柴油機長期穩(wěn)定工作，包括滑油泵、滑油管路等部件。

1.6 冷卻系統(tǒng)

冷卻船用柴油機的高溫零件，以保證在正常溫度下工作，包括水泵、水箱等部件。

1.7 啟動系統(tǒng)

提供外部動力供船用柴油機的安全可靠啟動。

2? 傳統(tǒng)的故障診斷方法

傳統(tǒng)的故障診斷依靠肉眼、物理設(shè)備測量等方式直觀觀察船用柴油機的故障。具體方法如下[1]：①直接觀察法：通過直接觀察和簡單測量柴油機及其零件的外觀和表面狀態(tài)，根據(jù)自己所掌握的經(jīng)驗對當前狀態(tài)進行診斷;②熱工參數(shù)檢測法：通過監(jiān)測柴油機工作時的熱力參數(shù)來判斷其工作狀態(tài)好壞的診斷方法;③油液檢測法：利用油品化驗及光鐵譜的分析，對潤滑油中磨粒形狀、大小、濃度等的診斷來判斷柴油機磨損故障狀態(tài)的一種方法;④振動檢測法：對柴油機工作過程中產(chǎn)生的振動信號進行采集、分析及處理，達到診斷柴油機零部件狀態(tài)的方法;⑤瞬時轉(zhuǎn)速檢測法：凡是影響到柴油機工作循環(huán)的故障，均可以在瞬時轉(zhuǎn)速上反映出來。柴油機對外做功效果最直接的反映，通過對其分析能對柴油機的運行狀態(tài)作出評估。

3? 船用柴油機故障診斷的研究現(xiàn)狀

3.1 基于專家系統(tǒng)的船用柴油機故障診斷

專家系統(tǒng)利用大量的具有專家水平的知識與經(jīng)驗，模仿人類專家解決問題的過程，進行判斷推理，構(gòu)建專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并利用歷史經(jīng)驗不斷擴充知識庫。鎮(zhèn)江船艇學院的黃學衛(wèi)等人的船用康明斯柴油機故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計與應用就對船用柴油機專家系統(tǒng)進行了研究[2]。大連海事大學的岑漢倫的MAN B&W二沖程柴油機故障診斷專家系統(tǒng)研究，收集大量船用柴油機故障資料，利用混合推理法和混合推理法構(gòu)建故障診斷推理機，開發(fā)了船用柴油機專家系統(tǒng)[3]。武漢理工大學的曹彬的船用柴油主機故障診斷專家系統(tǒng)的研究利用模糊技術(shù)實現(xiàn)了船用柴油機專家系統(tǒng)的開發(fā)[4]。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機故障診斷

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般有兩種，一種是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，另一種是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是真實的生物的意識思考過程，用于產(chǎn)生生物的意識，指揮生物進行行動。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征、思考過程的一種網(wǎng)絡(luò)，依靠搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來預測結(jié)果。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依靠算法的復雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)系，從而達到處理信息的目的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涉及多學科交叉領(lǐng)域，應用在計算機、數(shù)學、生物學等領(lǐng)域，通過建立數(shù)學模型實現(xiàn)了計算機模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程，具有強大的非線性映射能力，并具有良好的自適應學習能力等特性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找船用柴油機數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，大大提高了診斷效率。羅存剛利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)船用柴油機遠程故障的診斷研究[5]，之后張志剛等人的用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法同樣實現(xiàn)了在船用柴油機遠程故障診斷中的應用[6]，提高了故障診斷的效果。中北大學的李偉實現(xiàn)基于和聲搜索算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機故障診斷研究[7]。江蘇科技大學的唐曉霞實現(xiàn)了對船用柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究[8]。

4? 船舶柴油機故障診斷研究存在的問題

4.1 基于專家系統(tǒng)的船用柴油機故障診斷方法

專家系統(tǒng)依靠與船用柴油機的故障歷史經(jīng)驗，但船用柴油機的故障數(shù)據(jù)具有采集收集困難、采集方法不一的特點，對專家系統(tǒng)知識庫的積累產(chǎn)生一定的影響。

4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機故障診斷方法

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依靠樣本訓練數(shù)據(jù)，因而對訓練樣本的準確性和正確性要求非常高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法從船用柴油機故障發(fā)生原理的角度考慮樣本數(shù)據(jù)的準確性，如果樣本的準確度不夠高、正確性無法保證將導致訓練結(jié)果的偏差。同時選用合適神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練算法對整個網(wǎng)絡(luò)的訓練結(jié)果十分關(guān)鍵，雖然已經(jīng)實現(xiàn)了多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在船用柴油機故障診斷的應用，但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復雜性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化，導致算法提升的空間很小。由于船用柴油機多發(fā)故障在一定程度上有高度地相似性，不同的多種故障可能會引起船用柴油機參數(shù)變化、工作過程一致和相同的船用柴油機的工作狀態(tài)。因而對于船用柴油機多發(fā)故障診斷的研究非常少。所以目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機故障診斷方法大都研究單一情況導致的船用柴油機故障，但是船用柴油機的實際故障一般為多發(fā)故障，因而距離神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應用于船舶柴油機故障診斷還有一定的距離。

5? 未來研究展望

雖然船用柴油機的故障診斷技術(shù)已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，但是由于船用柴油機工作環(huán)境惡劣，且船用柴油機位于甲板之下。因而，對船用柴油機的故障診斷提出了極大挑戰(zhàn)，研究依靠于大數(shù)據(jù)、云計算的在線故障診斷系統(tǒng)是未來的一大研究方向。

6? 總結(jié)

船用柴油機的故障診斷方法有很多種，基于專家系統(tǒng)的船用柴油機故障診斷方法依賴于歷史經(jīng)驗和推理機，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機故障診斷方法依賴于樣本數(shù)據(jù)的正確性和算法的好壞。將專家系統(tǒng)的歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練數(shù)據(jù)，研究船用柴油機數(shù)據(jù)的內(nèi)部聯(lián)系，同時不斷優(yōu)化現(xiàn)有算法的優(yōu)劣性是提高船用柴油機故障診斷的重要途徑。在新的歷史背景下，將大數(shù)據(jù)、云計算等計算機應用在船用柴油機故障診斷上能夠又好又快的實現(xiàn)故障診斷，節(jié)省人力資源成本。

參考文獻：

[1]楊安聲.船用柴油機熱工故障仿真與診斷方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[2]黃學衛(wèi)，李金壽，鮑蘇寧.船用康明斯柴油機故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計與應用[J].裝備制造技術(shù)，2015（10）：99-100，104.

[3]岑漢倫.MAN B&W二沖程柴油機故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學，2014.

[4]曹彬.船用柴油主機故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[5]羅存剛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機遠程故障診斷研究[D].大連：大連海事大學，2009.

[6]張志剛，鄧小飛，周軍.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在船用柴油機遠程故障診斷系統(tǒng)的研究[J].焦作大學信息工程學院，2019（16）：97-99.

[7]李偉.基于和聲搜索算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機故障診斷研究[D].太原：中北大學，2017.

[8]唐曉霞.船用柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2014.

[9]錢琴.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在船用柴油機性能診斷中的應用[J].艦船科學與技術(shù)，2016（3A）：34-36.

[10]陳濤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機故障診斷研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.