船用柴油機故障診斷與預測研究

汪亞南

（鄭州機電工程研究所，鄭州 450000）

柴油機作為船舶主要的動力系統(tǒng)，如果柴油機發(fā)生故障，不僅會造成一定的經(jīng)濟損失，而且可能會危及到整個船舶運行的安全性和穩(wěn)定性，所以加強對船用柴油機的故障維修和診斷具有重要意義。由于柴油機的結構較為復雜，故障特征和故障原因之間并不是固定的對應關系，有時同一個故障特征，可能對應多種故障原因，而同一種故障原因，又可能導致多種故障特征，由此增加了柴油機故障診斷和維修的難度。提升船用柴油機的故障診斷技術水平，可快速定位故障點，提高維修效率。柴油機較為常用的故障維修方式主要有修復性維修、計劃性維修和視情維修，但是無論哪種維修方式都有各自的優(yōu)缺點，在維修周期、維修效率、維修成本方面有一定的差異性。在人工智能和大數(shù)據(jù)等技術支持下，可以建立一種故障預警模型。以柴油機實時溫度、各部位壓力、轉速等工作參數(shù)，熱力學模型，運行時的機械噪聲等作為基礎信息，通過各種智能算法對船用柴油機的運行狀態(tài)進行故障預測，當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，即可實時發(fā)出預警，有效降低故障的發(fā)生率，提高柴油機運行的可靠性和穩(wěn)定性。

1 船用柴油機常見故障排除方法

在長期的船舶故障維修和診斷工作中，總結出了比較常見的故障現(xiàn)象、故障原因和故障排除經(jīng)驗，將這些要素進行總結分析，能夠為故障診斷和維修提供重要的參考依據(jù)，有助于提升故障維修效率，縮短故障維修時間。然后與柴油機的運行日志信息進行對比，可進一步優(yōu)化故障診斷和排除。同時以這些故障總結為依據(jù)，還可為故障診斷預測提供樣本研究對象。下面主要以柴油機溫度異常部分內(nèi)容為例，展示柴油機常見故障分析經(jīng)驗，見表1。

表1 船用柴油機溫度異常原因與排除措施匯總表

2 船用柴油機故障分析

船用柴油機的故障形式較多，且故障原因也較為復雜，為了與后續(xù)故障診斷預測銜接順暢，下面以某型號柴油機溫度異常為典型故障進行分析，主要從機油溫度、出水溫度、排氣溫度幾個方面進行分析。

2.1 故障現(xiàn)象

通過故障現(xiàn)象不僅能夠提前發(fā)現(xiàn)柴油機故障隱患，還能夠為故障診斷提供參考依據(jù)。在柴油機運行過程中，各部件的高速運轉會導致溫度升高，在適合的溫度下可以提升柴油機的熱效率，減少污染物的排放，提高潤滑效率，減少油耗。但是個別部位卻會因為溫度升高而對運行狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。以某型號柴油機溫度異常的現(xiàn)象為例，船用柴油機的水溫宜在80~90 ℃，通過對柴油機各部位溫度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，當出水溫度超過90 ℃時，水管中偶爾會有蒸汽出現(xiàn)，當水溫達到100 ℃時，蒸汽就會通過水箱加水口噴出，在冷卻系統(tǒng)中會產(chǎn)生局部氣障。當機油的溫度超過90 ℃時，可能會出現(xiàn)機油壓力下降，伴隨呼吸器冒油冒氣現(xiàn)象；排氣溫度超過400 ℃時，排氣管會變紅，且會伴隨明火噴出[1]。以上為柴油機比較常見的故障現(xiàn)象，如果溫度過高沒有及時采取措施，不僅會影響到柴油機的運行效率，嚴重時可能損壞柴油機，影響到整個船舶的正常運行。

2.2 后果危害

柴油機的溫度異常主要表現(xiàn)為溫度過高，如果柴油機長期處于高溫運行狀態(tài)，會降低柴油機的運行效率，縮短使用壽命，增加運行成本，增加污染物的排放。在長期工作實踐中，由于柴油機溫度過高所產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在如下幾個方面：水溫過高會導致零部件發(fā)生形變，然后增加零部件之間的摩擦力，進而導致活塞拉缸、抱缸，缸蓋裂紋、氣門磨損等問題。還會導致缸內(nèi)空氣量降低，影響到燃油的燃燒效率，導致柴油機功率下降以及增加缸套穴蝕；如果機油溫度過高，會降低油壓，增加軸承和缸套等零件的磨損，嚴重時可出現(xiàn)燒瓦、拉缸等故障；排氣溫度過高，會增加活塞、缸蓋、氣門和燃氣渦輪等受熱零部件的熱負荷，在強度降低的情況下會加劇磨損，進而誘發(fā)裂紋等問題，造成一系列的故障[2]。總之，因為柴油機溫度過高所引發(fā)的故障，一般都需要更換零部件，在增加維修成本的同時，還會影響到船舶的正常運行。

2.3 原因分析

2.3.1 機油溫度異常

從柴油機的熱量產(chǎn)生和熱量傳導角度出發(fā)，可對柴油機油溫過高的原因進行分析。柴油機在正常工作狀態(tài)下，燃油燃燒和摩擦是產(chǎn)生熱量的主要源頭，其中大部分的熱量會轉化為有用功，一部分會隨著廢氣排放掉，還有一部分被冷卻水和機油吸收。吸收熱量后的機油會通過冷卻器降溫，將熱量傳給冷卻水。從以上邏輯出發(fā)，機油溫度過高的原因主要包括如下幾個方面。機油底殼的油面不足，無法滿足機油的循環(huán)換熱需求，由此導致機油溫度過高；軸承磨損嚴重，在摩擦過程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)到機油中，導致油溫過高；柴油機超負荷運行，產(chǎn)生大量的熱量，機油吸熱過多導致油溫過高；活塞環(huán)漏氣，泄露的高溫燃氣會增加機油溫度；還有冷卻水泵流量小、機油冷卻效果差等原因[3]。

2.3.2 水溫異常

水溫異常主要表現(xiàn)為出水溫度過高或者進出水的溫度過大，一般是由于柴油機超負荷運行導致產(chǎn)生的熱量過多，而冷卻系統(tǒng)無法滿足冷卻要求，導致水溫過高。從熱傳導和散熱2 個方面考慮，水溫過高的原因主要有如下幾個方面。由于冷卻水管路產(chǎn)生氣障、管路漏水、管路阻塞等原因造成冷卻水水量不足，冷卻水帶走的熱量減小，由此增加柴油機的水溫；在比熱和總傳導熱量一定的情況下，冷卻水流量減少還會造成柴油機進出水溫度過大；因為耦合器故障等原因造成風扇轉速降低，風扇的風量無法滿足散熱需求，導致水溫過高[4]；散熱器和高溫水泵故障，或者散熱器因為污堵等原因影響熱傳導，都會降低散熱量，致使柴油機水溫過高；還有其他原因導致冷卻水流量小，散熱效果不佳等，都是導致水溫過高的原因。

2.3.3 排溫異常

柴油機排氣溫度是指在燃燒室燃燒后排出的廢氣溫度，正常狀態(tài)下，經(jīng)過霧化后的燃油與足量的含氧空氣在燃燒室中混合，達到完全燃燒的狀態(tài)，排氣溫度都會處于正常范圍。所以柴油機排氣溫度過高主要是燃油的霧化效果不好，進入燃燒室的空氣不足等原因。如果柴油機的掃氣效果不好，空氣在進氣系統(tǒng)中受到阻力，燃燒室在空氣量不足的情況下，無法實現(xiàn)完全燃燒，由此導致排溫升高；排氣系統(tǒng)的管路出現(xiàn)漏氣、阻力大等問題，都會減少進入氣缸的空氣量；噴油器霧化效果不佳，燃燒室燃燒不充分，導致排溫升高[5]；還有其他原因造成進入氣缸的空氣量減少，油氣混合質量不高，最終導致排溫升高。

2.4 排除措施

在診斷出柴油機的故障原因后，可有針對性地進行故障排除，故障排除效率會大大提升，故障維修效率也會顯著提升。

2.4.1 油溫過高排除措施

查看機油底殼油量，如果油量不足，加足機油，同時排空管路中的空氣，消除氣障，保證機油循環(huán)換熱需求；如果是冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可對相應部位進行清洗和修理，更換損壞的零部件；如果是潤滑系統(tǒng)故障，可維修或者更換機油泵；如果是超負荷運行，應該降載運行；主要是根據(jù)故障特征和原因，采取相應的故障排除和維修措施。

2.4.2 水溫過高排除措施

如果是冷卻系統(tǒng)故障，可對冷卻管路進行排查，查看是漏水、堵塞還是其他原因，然后進行維修。對于泵量達不到要求的，要更換水泵；如果是因為風扇的轉速不夠影響到散熱效果的，要清理散熱器表面的臟污，有零部件松動或者損壞的，要進行維修或者更換，以達到散熱需求；檢查供油角和運行負荷，然后調(diào)整供油提前角或者降載運行。

2.4.3 排溫過高排除措施

對進排氣系統(tǒng)進行檢查，查看系統(tǒng)是否存在異常，對發(fā)現(xiàn)的問題及時修理；對空濾器、壓氣機葉輪、排氣消聲器進行檢查，如果表面有臟污，要及時清洗；檢查氣門間隙及各部件間是否有漏氣現(xiàn)象，更換墊片等零部件；檢查噴油器，保證霧化效果；檢查冷卻系統(tǒng)，確保中冷水在規(guī)定范圍內(nèi)；對故障現(xiàn)象和故障原因對應的其他部位進行檢查，然后進行相應的維修。

3 基于事件的設備運行狀態(tài)預測

船用柴油機傳統(tǒng)的故障維修方法大多是在故障發(fā)生后進行維修，或者在設備沒有故障時定期維修，這種維修方式會增加維修成本，占用設備使用時間。在人工智能和大數(shù)據(jù)技術的支持下，可以建立一種故障預測模型，柴油機在運行過程中會產(chǎn)生大量的記錄，以設備運行日志信息為基礎，對各種事件之間的內(nèi)在聯(lián)系概率進行計算，然后對設備可能發(fā)生的故障進行預測，可有效降低故障的發(fā)生概率[6]。

3.1 事件日志信息樣例采集

在事件庫構建的基礎上，利用事件向量模型計算一個序列事件的概率模型，如果已知序列事件發(fā)生概率模型的參數(shù)，給定一個序列事件，即可計算出序列事件的發(fā)生概率。再通過模型參數(shù)計算等過程，即可構建故障預測模型。下面以某船用柴油機的運行日志為例進行模型訓練與測試，樣例采集見表2。

表2 事件日志樣例

3.2 測試結果分析

經(jīng)過模型測試，從圖1 可以看出總樣本的數(shù)量越多，模型的準確率就越高。在樣本研究中，事件數(shù)都定為4，然后以前3 個事件作為前期事件，最后一個事件作為等測事件。故障的發(fā)生是一個由量變到質變的過程，所以一個事件的預測也是需要以多個事件作為依據(jù)。通過模型測試，已經(jīng)得出事件預測的可行性。

圖1 模型訓練準確率

圖2 展示了調(diào)速器彈簧變形、噴油泵彈簧變形和調(diào)速器飛鐵襯套磨損3 個事件的發(fā)生概率，從數(shù)據(jù)中可以看出，調(diào)速器彈簧變形和調(diào)速器飛鐵襯套磨損的峰值較高，預示發(fā)生這種故障的可能性較大，而調(diào)速器彈簧變形的出現(xiàn)故障的概率較小。經(jīng)過實際驗證，圖2 的預測結果比較符合實際情況。

圖2 預測事件發(fā)生概率

利用故障預測模型來預測柴油機發(fā)生故障的概率，可提前消除故障隱患，有效降低故障發(fā)生率，為船舶穩(wěn)定高效運行創(chuàng)造重要基礎。

4 結束語

柴油機作為船舶的重要組成部分，其運行的可靠性和穩(wěn)定性關系到整個船舶的性能和運行效率。傳統(tǒng)的柴油機設備維修方式越來越不能適應現(xiàn)代高效生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)代信息技術對柴油機運行狀態(tài)下的各項工作參數(shù)進行統(tǒng)計擬合，利用傳感器對柴油機運行過程中各部件的狀態(tài)信息進行收集，然后通過建立的故障預測系統(tǒng)對收集到的信息與各參數(shù)的設計閾值進行對比，如果超出閾值范圍則會發(fā)出報警信號。這種故障預測方式可提前發(fā)現(xiàn)柴油機潛在的故障隱患，盡量降低柴油機的故障發(fā)生率。將故障診斷預測與常見故障特征及排除措施表結合應用，可進一步提高柴油機故障維修效率。隨著科技水平的提升，對于船用柴油機的故障診斷預測技術會不斷提升，為船舶的高效運行保駕護航。