船舶柴油机瞬时转速和热力参数监测诊断技术研究

【摘要】： 船舶柴油机是船舶的动力之源，是保障船舶安全航行的关键。目前，船舶柴油机正朝着大功率、高强载和智能化方向发展，其中其运行状态的监测诊断系统属于智能化柴油机的三大核心技术之一，因此开展船舶柴油机运行状态监测诊断技术的研究具有重要的意义。柴油机作为一种复杂的往复动力机械，故障的表现形式多，要实现其综合监测诊断是一项非常复杂的工程，技术难度大。论文作者根据船舶柴油机的结构特点，围绕单缸失火和功率不足等故障，采用理论计算和试验分析相结合的方法，进行了基于瞬时转速法和以示功图为主的热力参数法的船舶柴油机监测诊断技术研究，取得了如下主要研究成果： (1)通过分析基于简化模型的柴油机瞬时转速仿真计算方法的特点和不足，提出了一种基于柔性体模型的柴油机瞬时转速仿真计算方法，即通过建立柴油机及动力装置的轴系当量模型，将包括气缸压力在内的激励力按谐次作用在轴系的质点(惯量)上，求出质点(惯量)的扭角响应再计算其瞬时转速。仿真计算和试验验证对比表明：基于柔性体模型的柴油机瞬时转速计算结果与实际更吻合。考虑不同阻尼大小的仿真计算表明：基于柔性体模型的柴油机瞬时转速计算精度主要与轴系当量系统的刚度和惯量有关。 (2)进行了基于柔性体模型的柴油机瞬时转速故障仿真计算，揭示了柴油机单缸功率不足的瞬时转速波动规律，提出了采用最大瞬时转速波动率作功峰值的无量纲参数诊断柴油机单缸功率不足故障，并定位到故障缸的瞬时转速诊断新方法，并在船舶柴油机上得到应用。 (3)以6L16／24型船舶柴油机为研究对象，利用AVL Boost软件建立了一维数值模型，试验验证了模型的正确性。在此基础上进行了8种引起柴油机功率不足故障的仿真计算，从理论上分析了不同故障对柴油机缸内气体压力的影响，提取了反映气缸做功能力不足故障的6个示功图性能参数，发现了不同故障对示功图性能参数的影响不同，同一故障不同故障程度对示功图性能参数变化影响基本相同的规律。 (4)在虚拟仪器平台下成功研制了具有自主知识产权的船舶柴油机数字化监测诊断系统。该系统采用多参数多方法实现了船舶柴油机缸内工作状态、功率输出、增压器性能、燃油系统和进排气等系统的数字化监测，所有参数通过数据库进行管理。特别是在该系统中开发的柴油机瞬时转速和示功图测量分析软件模块，实现了柴油机瞬时转速和气缸压力示功图的测量分析和性能参数计算。 (5)利用船舶柴油机数字化监测诊断系统平台，进行了船舶柴油机瞬时转速和示功图法监测诊断的故障模拟试验研究，研究结果表明：瞬时转速法和示功图法可有效诊断柴油机单缸功率不足的故障，并可定位到故障缸。 (6)利用故障仿真计算所确定的单缸功率不足故障与示功图性能参数间的相互关系，应用模糊逻辑推理原理，建立了柴油机模糊诊断系统，可实现船舶柴油机单缸功率不足故障的自动识别，为瞬时转速法和示功图法的工程应用提供了技术支撑。