模糊理論在柴油機故障診斷中的應用

■ 吳明 鄭圓圓

吳 明：南京鐵道職業技術學院蘇州校區，講師，江蘇蘇州，215137

鄭圓圓：南京鐵道職業技術學院蘇州校區，講師，江蘇蘇州，215137

隨著我國經濟社會的快速發展，柴油機作為主要動力機械在工業、農業、能源和交通運輸等領域都得到了廣泛應用。目前，我國柴油機年銷售量超過140萬臺，已成為普遍使用的一種動力裝置。隨著世界范圍內能源結構的調整和環保意識的增強，柴油機逐漸成為主流，大型柴油機是集機械、測量、計算機等多種技術于一體，機構復雜、價格昂貴，如不能及時正確地對所出現故障進行診斷與維修，會給造成很大的經濟損失。

由于柴油機較為復雜，故其故障征兆及原因也較復雜，現有方式多依靠維修人員的工作經驗進行逐一排查，需要花費大量時間，很不方便。采用模糊方法，結合經驗分析，對柴油機的故障進行診斷，大大提高維修效率，將停產導致的經濟損失降到最低。

1 柴油機常見故障原因及分析

柴油機是典型的多系統、多層次的復雜系統。柴油機大致可分為曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系統、潤滑系統、冷卻系統、啟動裝置六大部分。柴油機燃油供給系統作為柴油機的心臟，其工作質量和參數直接影響柴油機的經濟性和可靠性。因此以柴油機燃油系統作為柴油機故障的子系統進行分析[1]。

柴油機燃油系統常見故障現象有柴油機轉速不穩（一般稱為“游車”）、柴油機超速不能停（一般稱“飛車”）、柴油機排氣冒黑煙、柴油機啟動困難和柴油機功率不足等。

（1）柴油機轉速不穩。故障原因：燃油方面故障，如柴油標號不對或質量低劣；噴油泵方面故障，如聯軸器故障、供油時間過早或過晚、柱塞偶件故障、各缸噴射質量或噴射壓力不均勻、各缸供油量或供油間隔不一、各缸出油閥偶件或針閥偶件狀況不一；燃油管路故障，如油路中進水或空氣；噴油器故障，如堵塞、漏油；高壓油管故障，如漏油；調速器故障，如怠速調太低、飛球組件不靈活或間隙太大。

（2）柴油機“飛車”。故障原因：噴油泵故障，如柱塞偶件磨損或回位彈簧折斷、供油拉桿與飛球組件脫開、供油拉桿犯卡；調速器故障，如飛球組件不靈活或間隙過大、機油粘稠或機油太多。

（3）柴油機排氣冒黑煙。故障原因：燃油管路故障，如管路中有水或空氣；燃油故障，如柴油標號不對或質量低劣；噴油泵故障，如供油時間過早或過晚、各缸供油不等或校正加濃供油量大、聯軸器可調部分松動、出油閥偶件故障；噴油器故障，如堵塞、漏油、噴霧不良。

（4）柴油機起動困難。故障原因：油箱組件故障，如油箱無油、油箱開關未打開、油箱堵塞、油箱安裝位置低；燃油管路故障，如油路有水或空氣、油管堵塞、油管破裂、管接頭漏油；燃油濾清器故障，如堵塞、不密封、低壓油路限壓溢流閥彈簧折斷或不密封；輸油泵故障，如進油濾網堵塞、輸油泵工作不良；噴油器故障，如噴霧不良、針閥卡住或磨損、彈簧折斷、噴孔堵塞；燃油故障，如號數不對或質量低劣；噴油泵故障，如聯軸器可調部分松動、供油時間過早或過晚、出油閥偶件關閉不嚴或彈簧折斷、柱塞偶件磨損或回位彈簧折斷；高壓油管故障，如破裂、管接頭松動。

（5）柴油機功率不足。故障原因：油箱組件故障，如油箱蓋通氣孔堵塞；燃油管路故障，如油管破裂、油管堵塞、油管接頭漏油、油路有水或空氣；燃油濾清器故障，如堵塞、不密封、低壓油路限壓溢流閥彈簧折斷或不密封；輸油泵故障，如進油濾網堵塞、輸油泵工作不良；噴油器故障，如噴霧不良、針閥卡住或磨損、彈簧折斷、噴孔堵塞；燃油故障，如柴油標號不對、質量低劣；噴油泵故障，如聯軸器可調部分松動、供油時間過早或過晚、出油閥偶件關閉不嚴或彈簧折斷、柱塞偶件磨損或回位彈簧折斷、凸輪軸磨損；高壓油管故障，如破裂、管接頭松動；調速器故障，如供油拉桿調節撥叉松動、供油拉桿犯卡、調速彈簧折斷、調速器運動件犯卡、調速器調整不當。

將上述故障按其出現征兆的劇烈程度劃分為幾個層次且附上一定的隸屬度（見表1）。

2 模糊診斷方法

柴油機是一種結構、形式都較為復雜的設備，一旦出現故障，就會出現模糊不清的信息，特別是當多個故障同時出現時，采用傳統的逐一排查方式會大大影響工作效率。模糊理論非常適合含有模糊現象和不確定信息的系統診斷[2]。借助模糊數學中的隸屬函數描述和處理，利用模糊方法診斷故障。通過確定相互間的模糊關系，利用隸屬函數，實現故障診斷，確定最可能發生的故障及原因。

模糊故障診斷的基本方法：先建立征兆與故障類型的因果關系矩陣R，再建立故障與征兆的模糊關系方程，這是一種基于模糊關系及合成算法的診斷方法[3]。通過某些征兆的可能性求出各種故障原因的隸屬度。假設診斷對象可能表現的征兆有n種，分別記為x1，x2，…，xn，每種征兆可能出現的故障原因有m種，分別記為y1，y2，…，ym。

構成故障征兆的模糊向量為X=（x1，x2，…，xn），xi=（i=1，2，…，n）為對象具有癥狀xi的隸屬度。

表1 故障征兆劇烈程度劃分

故障原因模糊向量為Y=（y1，y2，…，ym），yj=（j=1，2，…，m）為對象具有故障yi的隸屬度。故障原因與征兆之間的模糊方程為Y=X·R。R為模糊關系矩陣，也稱為模糊診斷矩陣：

式中：矩陣元素rij表示第i 種征兆、第j 種征兆原因的隸屬度。

其完整模糊方程為：

一個故障征兆可能對應著一個或多個故障原因，而一個故障原因又可能呈現出一個或多個故障征兆。由于這種錯綜復雜的關系，可采用模糊理論的方式進行分析統計，基本原理見圖1。

3 實例舉證

以德國道依茨BF12L413FC柴油機為例。該柴油機運行過程中出現柴油機轉速不穩、柴油機功率偏低、柴油機時而冒黑煙、 排氣溫度忽高忽低等征兆。

根據出現的故障征兆劇烈程度，構建故障征兆模糊向量X=（0.6，1，0，0.8）。

各故障的原因又可能是有這幾種情況：調速器運動件犯卡y1、燃油濾清器故障y2、燃油管路故障y3、供油拉桿犯卡y4、輸油泵故障y5、噴油器故障y6等。

通過實驗統計和經驗總結，得出各故障征兆不同原因的隸屬度，并構建模糊關系矩陣R。

根據模糊方程得到：

根據最大隸屬度規則，y1是該柴油機發生故障的最主要原因，即調速器運動件犯卡。

4 結論

通過建立模糊診斷故障數學模型，對柴油機呈現的一些故障及其多個故障原因的不確定性進行診斷，能以較快速度準確地找到故障原因。該診斷方式很好的考慮到故障中多個不精確、模糊的事件，并結合專業人士的多年工作經驗，因此切合實際，是一種有效解決問題的方法。

[1]吳國經．柴油機故障診斷與維修[M]．北京：電子工業出版社，2005

[2]http://baike.baidu.com/view/1443826.htm

[3]楊綸標，高英儀．模糊數學原理及應用[M]．廣東：華南理工大學出版社，2002