模糊理论在柴油机故障诊断中的应用

■ 吴明 郑圆圆

吴 明：南京铁道职业技术学院苏州校区，讲师，江苏苏州，215137

郑圆圆：南京铁道职业技术学院苏州校区，讲师，江苏苏州，215137

随着我国经济社会的快速发展，柴油机作为主要动力机械在工业、农业、能源和交通运输等领域都得到了广泛应用。目前，我国柴油机年销售量超过140万台，已成为普遍使用的一种动力装置。随着世界范围内能源结构的调整和环保意识的增强，柴油机逐渐成为主流，大型柴油机是集机械、测量、计算机等多种技术于一体，机构复杂、价格昂贵，如不能及时正确地对所出现故障进行诊断与维修，会给造成很大的经济损失。

由于柴油机较为复杂，故其故障征兆及原因也较复杂，现有方式多依靠维修人员的工作经验进行逐一排查，需要花费大量时间，很不方便。采用模糊方法，结合经验分析，对柴油机的故障进行诊断，大大提高维修效率，将停产导致的经济损失降到最低。

1 柴油机常见故障原因及分析

柴油机是典型的多系统、多层次的复杂系统。柴油机大致可分为曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、启动装置六大部分。柴油机燃油供给系统作为柴油机的心脏，其工作质量和参数直接影响柴油机的经济性和可靠性。因此以柴油机燃油系统作为柴油机故障的子系统进行分析[1]。

柴油机燃油系统常见故障现象有柴油机转速不稳（一般称为“游车”）、柴油机超速不能停（一般称“飞车”）、柴油机排气冒黑烟、柴油机启动困难和柴油机功率不足等。

（1）柴油机转速不稳。故障原因：燃油方面故障，如柴油标号不对或质量低劣；喷油泵方面故障，如联轴器故障、供油时间过早或过晚、柱塞偶件故障、各缸喷射质量或喷射压力不均匀、各缸供油量或供油间隔不一、各缸出油阀偶件或针阀偶件状况不一；燃油管路故障，如油路中进水或空气；喷油器故障，如堵塞、漏油；高压油管故障，如漏油；调速器故障，如怠速调太低、飞球组件不灵活或间隙太大。

（2）柴油机“飞车”。故障原因：喷油泵故障，如柱塞偶件磨损或回位弹簧折断、供油拉杆与飞球组件脱开、供油拉杆犯卡；调速器故障，如飞球组件不灵活或间隙过大、机油粘稠或机油太多。

（3）柴油机排气冒黑烟。故障原因：燃油管路故障，如管路中有水或空气；燃油故障，如柴油标号不对或质量低劣；喷油泵故障，如供油时间过早或过晚、各缸供油不等或校正加浓供油量大、联轴器可调部分松动、出油阀偶件故障；喷油器故障，如堵塞、漏油、喷雾不良。

（4）柴油机起动困难。故障原因：油箱组件故障，如油箱无油、油箱开关未打开、油箱堵塞、油箱安装位置低；燃油管路故障，如油路有水或空气、油管堵塞、油管破裂、管接头漏油；燃油滤清器故障，如堵塞、不密封、低压油路限压溢流阀弹簧折断或不密封；输油泵故障，如进油滤网堵塞、输油泵工作不良；喷油器故障，如喷雾不良、针阀卡住或磨损、弹簧折断、喷孔堵塞；燃油故障，如号数不对或质量低劣；喷油泵故障，如联轴器可调部分松动、供油时间过早或过晚、出油阀偶件关闭不严或弹簧折断、柱塞偶件磨损或回位弹簧折断；高压油管故障，如破裂、管接头松动。

（5）柴油机功率不足。故障原因：油箱组件故障，如油箱盖通气孔堵塞；燃油管路故障，如油管破裂、油管堵塞、油管接头漏油、油路有水或空气；燃油滤清器故障，如堵塞、不密封、低压油路限压溢流阀弹簧折断或不密封；输油泵故障，如进油滤网堵塞、输油泵工作不良；喷油器故障，如喷雾不良、针阀卡住或磨损、弹簧折断、喷孔堵塞；燃油故障，如柴油标号不对、质量低劣；喷油泵故障，如联轴器可调部分松动、供油时间过早或过晚、出油阀偶件关闭不严或弹簧折断、柱塞偶件磨损或回位弹簧折断、凸轮轴磨损；高压油管故障，如破裂、管接头松动；调速器故障，如供油拉杆调节拨叉松动、供油拉杆犯卡、调速弹簧折断、调速器运动件犯卡、调速器调整不当。

将上述故障按其出现征兆的剧烈程度划分为几个层次且附上一定的隶属度（见表1）。

2 模糊诊断方法

柴油机是一种结构、形式都较为复杂的设备，一旦出现故障，就会出现模糊不清的信息，特别是当多个故障同时出现时，采用传统的逐一排查方式会大大影响工作效率。模糊理论非常适合含有模糊现象和不确定信息的系统诊断[2]。借助模糊数学中的隶属函数描述和处理，利用模糊方法诊断故障。通过确定相互间的模糊关系，利用隶属函数，实现故障诊断，确定最可能发生的故障及原因。

模糊故障诊断的基本方法：先建立征兆与故障类型的因果关系矩阵R，再建立故障与征兆的模糊关系方程，这是一种基于模糊关系及合成算法的诊断方法[3]。通过某些征兆的可能性求出各种故障原因的隶属度。假设诊断对象可能表现的征兆有n种，分别记为x1，x2，…，xn，每种征兆可能出现的故障原因有m种，分别记为y1，y2，…，ym。

构成故障征兆的模糊向量为X=（x1，x2，…，xn），xi=（i=1，2，…，n）为对象具有症状xi的隶属度。

表1 故障征兆剧烈程度划分

故障原因模糊向量为Y=（y1，y2，…，ym），yj=（j=1，2，…，m）为对象具有故障yi的隶属度。故障原因与征兆之间的模糊方程为Y=X·R。R为模糊关系矩阵，也称为模糊诊断矩阵：

式中：矩阵元素rij表示第i 种征兆、第j 种征兆原因的隶属度。

其完整模糊方程为：

一个故障征兆可能对应着一个或多个故障原因，而一个故障原因又可能呈现出一个或多个故障征兆。由于这种错综复杂的关系，可采用模糊理论的方式进行分析统计，基本原理见图1。

3 实例举证

以德国道依茨BF12L413FC柴油机为例。该柴油机运行过程中出现柴油机转速不稳、柴油机功率偏低、柴油机时而冒黑烟、 排气温度忽高忽低等征兆。

根据出现的故障征兆剧烈程度，构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这几种情况：调速器运动件犯卡y1、燃油滤清器故障y2、燃油管路故障y3、供油拉杆犯卡y4、输油泵故障y5、喷油器故障y6等。

通过实验统计和经验总结，得出各故障征兆不同原因的隶属度，并构建模糊关系矩阵R。

根据模糊方程得到：

根据最大隶属度规则，y1是该柴油机发生故障的最主要原因，即调速器运动件犯卡。

4 结论

通过建立模糊诊断故障数学模型，对柴油机呈现的一些故障及其多个故障原因的不确定性进行诊断，能以较快速度准确地找到故障原因。该诊断方式很好的考虑到故障中多个不精确、模糊的事件，并结合专业人士的多年工作经验，因此切合实际，是一种有效解决问题的方法。

[1]吴国经．柴油机故障诊断与维修[M]．北京：电子工业出版社，2005

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

[3]杨纶标，高英仪．模糊数学原理及应用[M]．广东：华南理工大学出版社，2002