船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究

王 粲，楊子航

(長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710018)

0 引 言

在脈沖負(fù)載狀態(tài)下，為了保證船舶柴油發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量需求和安全穩(wěn)定運行，柴油發(fā)電機(jī)組均存在過度配置的現(xiàn)象，造成了資源的大量浪費。研究并分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性，可有效確保船舶航行的安全性和穩(wěn)定性。

李園園在耐熱性、環(huán)境可靠性和耐久性等方面對柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性展開研究，該方法無法準(zhǔn)確檢測柴油發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存在狀態(tài)檢測精度低的問題。魏娟等分析了發(fā)電機(jī)在運行過程中的散熱機(jī)制和內(nèi)部生熱機(jī)制，通過數(shù)值模擬方法獲取柴油發(fā)電機(jī)中存在的主轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的三維溫度場，以此為依據(jù)構(gòu)建極限狀態(tài)函數(shù)，分析柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性，該方法的可靠性分析結(jié)果與實際結(jié)果不符，存在可靠性分析精度低的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究方法。

1 柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其運行可靠性指標(biāo)

1.1 柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定是通過調(diào)速系統(tǒng)控制的，具體過程如下：

1 柴油發(fā)電機(jī)的阻力矩在負(fù)載增加的情況下不斷增大，此時轉(zhuǎn)速會有所減小，油門開度在調(diào)速系統(tǒng)控制下逐漸增大，因此耗油量也有所增加，在此情況下柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，完成發(fā)電機(jī)的增油減速調(diào)節(jié)。

2 柴油發(fā)電機(jī)的阻力矩在負(fù)荷減小的情況下不斷減小，此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)急速增高，在此條件下調(diào)速系統(tǒng)對油門開度展開控制，使其減小，進(jìn)而減少柴油發(fā)電機(jī)的耗油量，完成發(fā)電機(jī)的減油增速調(diào)節(jié)。

負(fù)載的突減或突增是目前大部分柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載變化研究方法的主要研究內(nèi)容，針對連續(xù)脈沖負(fù)載的相關(guān)研究較少。在連續(xù)脈沖負(fù)載狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)的工作周期極短，因此對柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性分析過程中，需要特別考慮連續(xù)脈沖負(fù)載狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)的工作周期。

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

PID控制方法是轉(zhuǎn)速器中用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速常用的方法，用()表示其傳遞函數(shù)，表達(dá)式如下：式中：K為 微分系數(shù)；K為 積分系數(shù)；K為比例系數(shù)。

2）油門執(zhí)行器

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)信號傳輸?shù)讲裼桶l(fā)電機(jī)的油門執(zhí)行器時，轉(zhuǎn)變?yōu)橛烷T齒條的直線運動，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的油量。油門信號輸入執(zhí)行器中獲得油門齒條在發(fā)電機(jī)運行過程中產(chǎn)生的位移，油門執(zhí)行器按照一定的比例放大處理輸入的電信號，可見其視作慣性環(huán)節(jié)，油門執(zhí)行器在脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的傳遞函數(shù)如下：

式中：為 增益系數(shù)；為執(zhí)行器在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的時間常數(shù)。

3）柴油發(fā)動機(jī)

汽缸受到油門的供油后，控制曲軸連桿機(jī)開始做功。送油量為氣缸的輸入，其輸出為燃燒動作產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，通過上述分析可知，氣缸在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的燃燒做功屬于慣性環(huán)節(jié)，其對應(yīng)的傳遞函數(shù)可以表示為：

式中：為 增益系數(shù)；為時間常數(shù)。

圖1 柴油發(fā)動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)Fig. 1 Diesel engine and speed regulating system

發(fā)電機(jī)排出的廢氣輸入增壓器中，增壓器壓縮處理輸入發(fā)動機(jī)的空氣，提高柴油發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣密度，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)在運行過程中的整體輸出功率。增壓器在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的傳遞函數(shù)如下：

式中：為增益系數(shù)；為增壓器在柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的時間常數(shù)。

1.2 可靠性指標(biāo)

在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上選取如下指標(biāo)對船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性展開分析。

1）強迫停運率

式中：F為發(fā)電機(jī)強迫停運時間；S為發(fā)電機(jī)的運行時間。

2）啟動率

式中，C為啟動成功次數(shù)。

3）可用系數(shù)

式中：P為統(tǒng)計期間小時；A為可用小時。

4）平均無故障可用小時

式中，N為強迫停運次數(shù)。

5）不可用系數(shù)

式中：P為計劃停運小時；M為維護(hù)停運小時。

6）平均計劃停運延續(xù)時間

式中，N代表的是計劃停運次數(shù)。

7）計劃停運系數(shù)

2 柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究

根據(jù)上述可靠性指標(biāo)建立船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)特征矩陣為：

式中：c=(,,···,c)為特征矢量；c 為在第個時刻第個可靠性指標(biāo)對應(yīng)的幅值；為狀態(tài)矩陣中存在的特征數(shù)量，即可靠性指標(biāo)的數(shù)量；為特征矢量的數(shù)量。

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究方法通過核主成分分析方法獲取的子空間。矩陣根據(jù)非線性映射 γ(·)轉(zhuǎn) 變到高維特征空間中，上述過程可通過下式描述：

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征矩陣在特征空間中的協(xié)方差矩陣可通過下式計算得到：

用表 示特征矢量，用μ表示特征值，兩者之間的關(guān)系為 μ=。 特征矢量在特征空間中可利用線性映射 γ ()描述：

式中： β=(β,β,···,β)代表的是權(quán)重矢量。結(jié)合上式計算結(jié)果獲得核主成分特征值：

式中，為高斯核函數(shù)。

在上式的基礎(chǔ)上獲得正交基矢量 ξ=/||||，選取特征值較大的正交基矢量建立狀態(tài)子空間：

式中，為子空間對應(yīng)的維度。

通過上述過程，建立待評估的發(fā)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)子空間和正常狀態(tài)子空間：

式中： γ()， γ ()均為船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征矩陣；χ，η分別為上述矩陣對應(yīng)的權(quán)重矢量，=1,2,···,，=1,2,···,。

令=min(,) ， 奇異值分解內(nèi)積矩陣，獲得個船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征值 λ,λ,···,λ，特征值對應(yīng)的反余弦值即為子空間基矢量之間的主夾角為：

2個子空間之間的相似性隨著主夾角?的 減小而增大，利用主夾角分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行的可靠性為：

可靠性在區(qū)間[0,1]內(nèi)取值，可靠性的值越大表明船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運行過程中的可靠性越高。

3 實驗與分析

為了驗證船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究方法的有效性，需要對其展開實驗測試。

檢測船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)是對其可靠性研究的關(guān)鍵。采用本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法檢測柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)，檢測結(jié)果如圖2所示。

可知，所提方法可精準(zhǔn)的檢測船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運行過程中的轉(zhuǎn)速、頻率、A相交流電壓和直流側(cè)電壓，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的狀態(tài)檢測結(jié)果存在偏差。因為所提方法建立了船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)模型，利用該模型獲取船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了狀態(tài)檢測結(jié)果的精度，為其運行可靠性分析提供可靠依據(jù)。

圖2 不同方法的發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測結(jié)果Fig. 2 Generator state detection results of different methods

采用本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法檢測上述柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性，測試可靠性分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的可靠性分析結(jié)果Tab. 1 Reliability analysis results of different methods

可知，隨著使用年限的增加，船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的可靠性逐漸降低，本文方法的可靠性分析結(jié)果與實際值相符，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的可靠性分析結(jié)果與實際值之間存在誤差。通過上述測試可知，所提方法可精準(zhǔn)的分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運行可靠性。

4 結(jié) 語

本文提出船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性研究方法，該方法根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型選取可靠性指標(biāo)，以此實現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)運行可靠性分析。經(jīng)試驗證明，本文方法可準(zhǔn)確分析發(fā)電機(jī)在運行過程中的可靠性，為船舶運行提供安全保障。