试论船舶柴油机监测与故障诊断技术范文

摘要：随着经济的不断繁荣发展，贸易交流日趋成熟，水运海航线的发展也就不可避免，船舶的功能就被最大化的挖掘出来。谈到船舶的发展，不可不提其动力的支撑点———柴油机，在船舶的航行中，柴油机提供了船舶交通航行的前行的动力支持。因此在船舶开始航行前对柴油机系统的维护与研究不可缺失，以此希冀避免在航行进行过程中，突发性障碍情况的发生。本文对船舶柴油机的监测和故障诊断技术进行简单论述，在情况分析的基础上希望能对实际的航行中有所帮助。

关键词：船舶航行；柴油机；检测故障；故障诊断

0引言

船舶进行运输离不开动力的支持，柴油机通过柴油的化学转化释放能量，推动船舶航行的顺利进行，故而对柴油机的检测和故障诊断决定了船舶航行的正常进行。只有保证柴油机监测得当、障碍诊断准确超前，才能助力航行。本文接下来介绍的柴油机监测与故障诊断技术研究将着重分析现有技术的发展与应用，通过对科学准确故障技术的应用，保证结构复杂的柴油机的顺利运行。

1国外柴油机监测与故障诊断技术的发展回顾

国外柴油机的研究早于中国，其中尤其以美国的研究为主要发起对象，截至到上世纪六十年代，已经成立了专门的研究所；上世纪八十年代，美国已经建立起专家诊断系统，伴随着经济全球化的发展，其它国家如英国、日本、以及西欧的国家也相应地开展了故障诊断的研究，至此，全世界范围内对航海事业的重视被提到显而易见的地位。

1.1柴油机模型的模拟

柴油机的模型建立是进行故障模拟的实验条件，只有模型的成功建造，才能够对故障的程度和变化情进行演练。首先进行的模拟式喷油管和排气管的故障假设，通过对气路的模型，模拟了排气管泄露、喷油管低效的研究报告，采用到了当时相对较为前卫的敏感度分析和阈值分析，获得了精确的实验数据和报告成果，为后世的研究提供了优良的先决条件。相对于时频的方法而言，这种方法更具有简单迅速的效果特点[1]。

1.2柴油机废弃循环的故障诊断

另一个实验是建立在神经网络的基础上，针对废气再循环的流量障碍，实验的变量控制室是单故障和多故障，测取的数据以包括表面的振动信号和排气的实时温度，针对这两种数据的检测可以获得叠加的实验数据，并通过稀疏线性判别分析能够得到多重故障的诊断。这种网络结构配合变量的形式也为信息化网络的建构奠定了前人基础。并对喷气燃油的故障和阀座冲击的数值也能够做到良好的警示预测功能。

1.3失火的诊断

采用瞬时转速信号能够对突发性火势进行精密监控，瞬时转速信号对频域的分析提供数据支撑，且对失火缸进行精准的的定位，节省了寻找火灾源头的时间，为故障的高速解决节省了宝贵的时间，防止火灾的进一步蔓延。曲轴瞬时转速的波动性在峰值表现上能够对失火故障进行诊断和定位，并借助其他手段如振动信号的小波转换进行频率带的分析，从而得到各种信息的融合，如压强、温度、峰值、声音、热能释放等等方面。

1.4其他类型

日本研发的SUPERASOS系统和挪威的kyma公司也在前人基础上结合实践进行了各种丰富的方法进行故障诊断，这些国家优越的海域条件决定了船舶柴油机发展的经济推动管理，同时各种模糊推理方法和信号处理也为各国的发展奠定基础。

2我国船舶柴油机监测与故障诊断技术的基础检测和诊断技术

截止到20世纪50年代，在新建造的船舶中，柴油机几乎完全取代了蒸汽机的地位，成为被广泛应用的动力机器，船用柴油机已是民用船舶、中小型舰艇和常规潜艇的主要动力。在此阶段，受科技和时代的发展限制，船舶柴油机的故障检测和诊断主要以人工的方式进行排查，此方法耗费人力较多，且受各种实践因素影响，具有较大的误差，但却是船舶柴油机发展必经的历史阶段，其监测与故障诊断技术研究也为进一步的发展取得丰富的资料参考。对船舶柴油机初步的监测和诊断是建立在初步船舶航行的基础上的，在此阶段中，船舶的构造已趋完善，但结构相对后世而言较为简单，因而技术的检测较为初级。所需动用的专业设备数目也较低，但却为技术的不断精进提供了类似实验数据般的宝贵经验。

2.1瞬时转速波动法

瞬时转速会对柴油机的运行造成轻微影响，但这种影响有属于自己的安全波动范围，当正常的工作时，各缸的波动保持在一定范围内，且具有规律性。当柴油机缸内出现障碍而导致瞬时波速停止时，对波速的规律检测就会出现异常，因而柴油机的障碍状态就能够被快速识别并报告[2]。这项技术立足于对柴油机运行的状态，通过系统的运行监测，缸内的瞬时转速数据就能够为分析整体的柴油机动力系统状况提供直观可靠的数据。在实践中固然能够高效地发现障碍的产生，并进行工作质量、工作状态的评定，但是只能作为检测手段，且无法再进一步找出引发障碍的具体原因。因而在应用中对角速度的体现不够明确，需要更为精准的方式。

2.2油液磨粒分析法

油液磨粒分析依据的是润滑油的磨粒状况进行分析，通过对油品化验、铁谱分析和含铁量检查等内容。对润滑油中的磨粒浓度、形状大小以及油质的含铁量进行检测，以此来进行柴油机的故障认可。一般油液的分类包括油液本身液体的分析和油液内不洁物的分析，对其中元素的检测可以看出柴油机的磨损情况。例如：柴油机大部分部件都为金属材质，对其中铁含量的磨损可以初步判断金属器件的受磨损情况，但是对于同时存在多种器件的情况下，仅凭借元素含量无法判断具体的摩擦部位。在结合铁谱和光谱技术的情况下，铁谱能够揭示出磨粒的形状、大小和差别成分，光谱较之铁谱在反应有色金属的能力上占有优势，两部分相配合，能够获得互补的效果。

2.3热力分析法

热力分析的应用原理是工作部件的热力状况，热力的参数含义复杂，不仅包括气缸压力、排气温度，还有转速、冷暖口温度等等，这些参数离不开示功图最丰富的数据指示，如指示功、压缩压力、压力变化率比等。柴油机工作时对颜料燃烧的好坏程度以及各个缸的功率具有直观的指示效果，但是精准的检测凭借的是精准的测量，示功图的测量难度较大，而且压力传感器的寿命相对较短，更新周期快也成为了热力分析的弊病[3]。作为弥补遗憾的热力测录法，对于公示图的获取能够加以改良，其中直接测录法能对缸内压力被曲轴转角变化进行实时监测，而间接测录法能够对柴油机的其他信息进行计算，因而改良效果相对显著。

2.4振动分析法

基础的物理知识讲到，物体的振动会产生运动的信号，在柴油机的工作中，也相对应的必然产生振动信号，振动分析法依据的就是这类信号。通过振动信号的采集和归纳分析，进行故障的检测结果。因此首先在信号的采集中，数据的准确性至关重要，类似于实验数据的采集，只有源头数据发生偏差，那么“失之毫厘，差之千里”带来的将会是结果的废弃。其次在信息的处理中，震动的信息转变为数字化的参数，借助的信息分析技术不可或缺，在此阶段离不开专业的数据分析能力；最后一方面是判断柴油机的工作状态，信息的成果与柴油机的使用习惯所造成的运转状态、维修历史以及诊断等进行分析判断，进而得出故障状况的判定，快速准确地完成检测任务，得出结果。

3目前广泛应用的船舶柴油机监测与故障诊断技术

新世纪的技术伴随着信息化、智能化的特点，机械的智能化能够解放人类简单机械的劳动力，以机械抽样检查和网络程式化分析数据的新型技术已经取代旧有的技术手段。人工经验逐渐被社会所淘汰，现阶段的信息化技术成为航行的必备，它不仅能够节省人力成本，还能够提高工作的效率和准确性。常用的几种船舶柴油机监测与故障诊断技术如下：

3.1依托专家团队

有专家团队的智力做后盾，作为智能化的计算机处理程序，船舶柴油机故障专家系统由信息的储存和展示两部分构成，具体的结构分为推理机、知识获取部分、知识库和解释部分四部分构成。首先需要做的是将专家掌握的信息进行数据库的建立，将有关专家的知识储备通过数字化的手段进行网络的储藏，为其他非专业人士或者接触较少的人员进行数据信息的索引做准备；其次是在专家知识的教育过程中做好对专家思维的模仿和还原，只有这样才能带入到柴油机的故障诊断中，提高辨识度和专业化；但是在问题解决后也要注意对知识库进行更新，与时俱进，发展新的具有代表性的案例，只有这样才能不断推动其他人员的诊断水平，进而推动全行业的发展。

3.2依托神经网络

神经网络具有的突出优点是非线性映射能力，非线性映射能力能够处理复杂多变的任务，这一点十分契合柴油机结构复杂的特点。神经系统同样立足于计算机技术的发展，智能化的多层次网络在处理柴油机的故障中具有高效性。神经网络首先需要进行故障诊断，在进行故障诊断中必不可少的是参数输入层和输出层的建设，柴油机在实践运行中的关键参数是输入层的主要内容，与切实故障产生的输出层构成差值，在二者的输出权值的比较中得出是否出现故障的诊断的判断结果。第二个方面是利用人工网络技术进行信号的进一步处理，柴油机在运行过程中产生各种复杂的信息，在进行信息的收集之后必然要进行的是信息的简单处理，以得到有价值的信息；最后进行的是依据信息进行故障的诊断，其中模糊神经原理具有高效的处理能力，它能够结合识别、学习、联想和处理于一体，节省了无用功，因而对于船舶柴油机监测与故障诊断有准确高效的能力。

3.3依托远程故障

该系统建构的平台是无线ip的应用，通过对船载监控的信号的分析，在通信手段的不断提高下将船舶的航行状况与陆路系统相连合，以达到能够发现早期故障的能力，该系统对于在海域海洋进行施工作业的船舶具有独到的优势。远程故障系统的成功离不开区域网的建设，通过区域网连线能够做到对实际航行的航船进行数据的实时分享，尤其是对自动化设备的控制和检测，可以为航行提供更为全面的保驾护航工作。但是远程故障系统的弊端在于对单条船舶的控制检测能够做到，但对于同时段的多种不同运载信息和型号的船舶无法全面分析，应对此弊端就离不开网络化的硬件设施的建设，随着网络通信的不断发展，3G、4G、5G网络的无线建设取得较高成绩，机务人员可以同时通过对不同船舶的运行进行参数的分析，并与船载系统进行信息的交汇和传递，从而优化船舶的运行方式基于最全面的考虑作出最正确的决策。

4船舶柴油机监测与故障诊断技术的未来发展展望

现代技术的发展日新月异，具有典型代表性的测量技术、信息化网络技术、自动化技术不断提高，推动诊断技术的不断智能发展和精密发展。

4.1坚持人工智能为核心的智能化诊断

就目前的发展状况来看，传统船舶的柴油机检测和故障诊断技术在智能化的发展方面还存在着很大的空间，尽管依据专家的系统构建已经日趋完善，人工神经和模糊诊断的能力也在不断提高，但是相对与智能化而言，还不够紧密和系统，在应对较为复杂的船舶运行情况时就显得余力不足。智能化的发展侧重是为了应对不断复杂的航行状况和种类日渐增加的故障类型。一方面，需要加强信息捕捉和检测的手段，对故障产生的信息信号进行全面的采集，借助神经系统的构建可以多手段、多措施地为接下来的智能化诊断进行必备的信息数据读取。另一方面是与已有的知识信息库相结合，尤其是专家系统，它的应用可以为船舶故障的诊断提供强大的智力支持和理论支撑，专家经验多为系统化的理论，在诊断速度和据情况而言的具体举措中还不够精确，知识库不仅对理论，而且对于解决的实例也要进行收纳与整理。对网络的信息进行历史性的学习和总结，不断推动网络的智能化分析功能。

4.2坚持数据与技术的结合发展

现代船舶的系统已经十分精密复杂，因此数据的采集和存储技术具有庞大的知识库，概率神经元网络是一种利用线性的方式处理非线性问题的网络神经，这种网络的结构简单但是精准度高，在机械设备的诊断中经常用到，尤其是输入层、模式层、求和层和输出层四部分对于数据的处理能够高效化。数据库为诊断技术提供简明扼要的数据目标，结合诊断技术，进行无用信息的筛选可以成为新数据库的建构目标，数据为技术提供信息的支持，技术为数据提供改进的方向指导，这样一来，可以大大节省信息和技术的无用功，最高效的优化数据处理模式，尤其是数据的存储和读取技术，廉洁高效，更能为故障技术的诊断提供典型的范例指导。

4.3坚持学习国外先进的理论研究

只进行本国内的船舶柴油机检测与故障诊断技术的发展，而不进行其他国家的学习是封闭的。在国外的检测系统中，COCOS-EDS监测系统是船舶航行情况检测的重要系统，它有数据领域的四个功能，分别能对数据的记录、检测、诊断和趋势分析进行工作，尤其是对涡轮的增压系统和空气冷却器的运行具有显著成效，其他方面还对燃油滤器进行状态的评估和检测，对于船舶的故障诊断提供合理可靠的安全保障。另一个系统是warlsiaMAPEX系统，此系统侧重的是柴油机系统的温度、油温以及燃烧值的统计计算，它的工作经过三个方面，首先在油温的操纵中，可以借助油温操纵系统进行船舶运行过程中的温度检测，着重表现的是主活塞运动的运行状态，并通过生成数据曲线对决策者进行数据的支撑；然后再进行温度差的扫描，确定温度的峰值和峰谷，确定运行的安全范围；最后进行液压值的确定，推断柴油机的燃烧值，将压力值进行数据加工，通过压力值的提升和降低检验柴油机的耐用性，进而避免机械做工的失效性。

4.4加强对典型故障的软件开发

实际的船舶运行情况固然千变万化，但是在故障的初步发生中，总会存在着共同之处，因此对典型故障的系统化总结就显得具有很强的必要性，目前已成形的针对典型故障诊断的软件有labview，这是由美国科学家研发的应用程序，不仅在船舶的航行应用中，在其他工业也被广泛应用，它是一个全面的采集软件，主要采用G语言来替代文本的表现形式，从而获得了更具形象化的表现手段。它通过对数据的采集和仪器的控制进行故障分析，在检测界面首先进行实时的显示和故障认定的报警，同时提供基础的解决方案，在问题结束后还会对此进行数据的储存和文件的管理。

5总结

经济的全球化要求国际交通的便捷发展，地球过半的海洋环境是发展航海的先决条件，因此建设船舶航行不可避免，船舶在其运行的航程中离不开强劲的动力能源，柴油机是目前航船动力的主要提供者，因而柴油机的规范使用和维护处理直接关系到航行的状况。因而保证船舶的运行，必不可少的要对柴油机进行硬件设施的完备检测，本文从柴油机监测与故障诊断技术现状入手展开论述，加以对发展趋势的展望，希望能够推动该技术的进一步应用和可持续发展。

参考文献：

[1]孙飞.船舶柴油机监测与故障诊断技术现状及发展趋势[J].科技风，2018（29）：145.

[2]王坚.船舶柴油机监测与故障诊断技术研究[J].内燃机与配件，2018（01）：152-153.

[3]高伟冲.船用柴油机典型故障分析与诊断技术研究[D].哈尔滨工程大学，2016.

作者:万云 单位:深圳华威近海船舶运输股份有限公司