基于灰色關(guān)聯(lián)分析的柴油機故障診斷研究

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(江蘇科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

作為船舶推進系統(tǒng)的核心，柴油機的工作狀態(tài)直接關(guān)系到船舶的安全航行。特別是隨著造船技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的依靠專家經(jīng)驗的故障診斷方法不能及時和有效地解決日益復(fù)雜的動力和控制系統(tǒng)所遇到的問題。因此，對其進行運行故障診斷，確保設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，提高設(shè)備維修質(zhì)量和效率是十分必要的。熱力參數(shù)法是利用柴油機中介質(zhì)如空氣、燃?xì)狻⒒汀⒗鋮s液等以及其他一些參數(shù)來判斷其部件或整機的技術(shù)狀況。通過對熱力參數(shù)監(jiān)測和分析[1-3]，將灰色關(guān)聯(lián)度方法應(yīng)用于柴油機故障診斷。

1 灰色關(guān)聯(lián)分析理論

灰色關(guān)聯(lián)分析[4，5]的基本任務(wù)是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對主行為的貢獻程度。

1.1 參考序列和比較序列

參考序列，常記為X0i，由不同時刻的統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)成，或者最優(yōu)單目標(biāo)優(yōu)化值，可表示為

(1)

式中：k——不同時刻，多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)指標(biāo)。

將關(guān)聯(lián)分析中與參考序列做關(guān)聯(lián)程度比較的子數(shù)列，稱為比較序列，也即系統(tǒng)相關(guān)因素行為序列，記為X， 可表示為

(2)

式中：X——序列集；

xi——參考序列。

為了便于分析，同時為保證數(shù)據(jù)具有等效性和同序性，需要在各因素進行比較前對原始數(shù)據(jù)進行量綱一量的數(shù)據(jù)處理。在灰色關(guān)聯(lián)分析中，常用的灰色生成方法主要是純量數(shù)據(jù)處理方法，包括最大值化處理，最小值化處理等，尤其是均值化、初值化數(shù)據(jù)處理方法。

1.2 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)[6-7]為非負(fù)實數(shù)ζij(k)為X上在一定環(huán)境下Yj(k)與Xi(k)的比較測度：

ζij(k)=

i=0,1,2,…,m；j=1,2,3,…,n；

k=1,2,3,…,p。

(3)

式中：m——基準(zhǔn)模總數(shù);

n——待檢模總數(shù);

p——基準(zhǔn)模所包含的特征參數(shù)。

Yj(k)、Xi(k)——Yj與Xi在第k點的數(shù)據(jù)；

|Yj(k)-Xi(k)|——第j個待檢模與第i個基準(zhǔn)模在第k個特征參數(shù)處差值的相對量；

1.3 灰關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度可以全面反映事物發(fā)展的“相近性”和“相似性”。

(4)

2 診斷應(yīng)用

柴油機的熱力參數(shù)包含著氣缸內(nèi)工作狀態(tài)的信息，另外，也包含著配氣相位、噴油正時等信息。因此可以通過熱力參數(shù)對柴油機的工作狀態(tài)等作出評價，通過特征參數(shù)的差異可以判斷柴油機是否工作正常，以及工作的故障模式。柴油機可監(jiān)測的參數(shù)多，主要選取如下的熱力參數(shù)用于灰色關(guān)聯(lián)診斷：

有效功率Pe，kW；

平均有效壓力pe，MPa；

燃油消耗率b，g·(kW·h)-1；

爆發(fā)壓力pz，MPa；

壓縮壓力pc，MPa；

膨脹壓力pexp，MPa；

最大壓力升高比λmax；

增壓器前排氣溫度Tt,in,K;

增壓器后排氣溫度Tt,out,K;

進氣歧管壓力pin,Pa

排氣歧管壓力pout,Pa。

為了驗證診斷系統(tǒng)的有效性，特別是灰色關(guān)聯(lián)度診斷方法在多參數(shù)診斷中的可行性，利用BOOST軟件模擬單缸失火、排氣門延遲關(guān)閉、空冷器效率故障、增壓器效率故障、壓縮比減小、噴油提前等柴油機常見故障。在故障的設(shè)置時，結(jié)合故障仿真的模型，對于需要改變的單缸參數(shù)僅以第一缸為基準(zhǔn)。在保持各種外界條件不變的情況下分別測取各種狀態(tài)下的特征參數(shù)，建立診斷系統(tǒng)的待檢向量集，并記下各類故障對應(yīng)的序號。然后，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法計算每種故障向量集與基準(zhǔn)向量集之間的關(guān)聯(lián)度。提取特征參數(shù)，得出關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果。

3 實驗結(jié)果及分析

在特征參數(shù)的提取中，考慮SULZER 7RT Flex60C型船用低速智能化柴油機的特點，利用AVL BOOST軟件建立SULZER 7RT Flex60C 型柴油機熱力學(xué)數(shù)值計算模型、柴油機診斷性的仿真計算和試驗驗證，研究柴油機單缸功率不足和失火等故障時熱力參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)原機試驗獲得的基本性能參數(shù)，結(jié)合該機的主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分別計算推進特性下25%、50%、75%、90%、100%負(fù)荷時柴油機的性能參數(shù)，通過對灰色關(guān)聯(lián)算法進行編程，實現(xiàn)灰色關(guān)聯(lián)算法實驗平臺，仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比，推進特性下各工況柴油機主要性能參數(shù)的計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相符，最大誤差位4.17%，誤差在允許范圍之內(nèi)。

根據(jù)AVL BOOST軟件所建立的SULZER 7RT Flex60C型柴油機模型，提取灰色關(guān)聯(lián)度診斷的基準(zhǔn)向量集。也即每種故障取中間嚴(yán)重狀態(tài)作為此種故障的診斷基準(zhǔn)向量，如圖1中的基準(zhǔn)向量集即為故障的診斷基準(zhǔn)向量。這些基準(zhǔn)故障所對應(yīng)的具體故障名稱分別是：故障1為正常，故障2為失火，故障3為竄氣，故障4為排氣門提前關(guān)閉，故障5為排氣門延遲關(guān)閉，故障6為壓縮比減小，故障7為增壓器效率故障，故障8為空冷器效率故障，故障9為噴油提前，共9個基準(zhǔn)故障。

在保持各種外界條件不變的情況下分別測取各種狀態(tài)下的特征參數(shù)，建立診斷系統(tǒng)的待建向量集，并記下各類故障對應(yīng)的序號。一共6個待檢狀態(tài)，見表1。

將表1中的待檢向量集的每個特征參數(shù)輸入至灰色關(guān)聯(lián)算法實驗平臺，分別計算出每個待檢向量與9個基準(zhǔn)向量的關(guān)聯(lián)度，然后取最大關(guān)聯(lián)度對應(yīng)的故障號，即得出診斷結(jié)果，見表2。

表1 灰色關(guān)聯(lián)度診斷待檢向量集

表2 灰色關(guān)聯(lián)度診斷結(jié)果集

取表2每一列中的最大值，即對應(yīng)的兩者具有最大的關(guān)聯(lián)度，也就是該待檢故障與基準(zhǔn)故障模式所對應(yīng)的故障相同。結(jié)合實際柴油機故障模擬特征參數(shù)排列順序可以發(fā)現(xiàn)，診斷結(jié)果與實際狀態(tài)完全吻合。

4 結(jié)束語

將灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，應(yīng)用于船舶推進系統(tǒng)的故障診斷，克服了一般診斷方法需要大量樣本、收斂慢、求解全局極值相對困難的缺點。實驗說明，灰色關(guān)聯(lián)度分析法在柴油機故障診斷應(yīng)用中是十分有效的，并且診斷結(jié)果可靠，將是一種很有潛力的故障診斷方法。該方法計算量小，并且不會出現(xiàn)與定性分析不一致的結(jié)論。

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