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        船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)故障仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2018-03-23 02:48:09
        機(jī)電設(shè)備 2018年1期
        關(guān)鍵詞:增壓器控件渦輪

        (上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306)

        0 引言

        如今,船舶的智能化正向更科學(xué)、更安全的方向發(fā)展[1]。近年來,對船舶管理人員能力的高度重視,使得計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在船舶智能化方向的優(yōu)勢越來越明顯。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)通過數(shù)學(xué)模型的建立、仿真模型的建立和調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果的分析等實(shí)現(xiàn)。

        通常,船舶柴油機(jī)故障仿真軟件具有以下優(yōu)點(diǎn):1)不僅可以實(shí)現(xiàn)輪機(jī)數(shù)據(jù)資料的監(jiān)測、處理和報(bào)警,而且減輕了船舶管理人員的負(fù)擔(dān)[2];2)由于輪機(jī)模擬器組成與實(shí)船相似,所以其可實(shí)時(shí)觀測進(jìn)排氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而檢查出船舶在運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的故障并診斷解除;3)實(shí)船由于各種原因和條件限制無法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)和試航,對于這類特殊的故障問題,可以進(jìn)行故障的提前設(shè)置,例如排氣溫度異常升高、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速異常等,通過計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行反復(fù)的模擬操作,其運(yùn)行后的結(jié)果可以利用計(jì)算機(jī)圖形模擬處理清晰地顯示出來;4)可實(shí)現(xiàn)趨勢預(yù)報(bào)警,預(yù)測故障,查找原因,提高機(jī)械設(shè)備的可靠性,延長設(shè)備的使用壽命;5)可降低船舶管理人員培訓(xùn)費(fèi)用。

        1 故障模擬的原理

        船舶柴油機(jī)的故障是具有拓展性和傳播性的,某一系統(tǒng)產(chǎn)生的故障會(huì)延伸至其他系統(tǒng),對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。故障模擬原理的基礎(chǔ)是計(jì)算數(shù)學(xué)模型,即改變模型本身或改變已知參數(shù),通過在原有模型的基礎(chǔ)上附加參數(shù),假定在正常運(yùn)行狀況下的參數(shù)為1,發(fā)生故障時(shí),取不等于1的參數(shù)值來改變原有的數(shù)學(xué)模型;或者,把某些故障以符合實(shí)際變化的函數(shù)來表示并附加到原有的數(shù)學(xué)模型中,構(gòu)成新的數(shù)學(xué)模型,如圖1所示。

        圖1 故障源與故障現(xiàn)象

        2 建立進(jìn)排氣系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫

        船舶柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)是與滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)同等重要的系統(tǒng),主要檢測對象的性能參數(shù)[4]。

        柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力過低,導(dǎo)致的故障狀態(tài)是進(jìn)氣量不足、燃燒不充分、燃油燃燒點(diǎn)滯后、活塞的膨脹行程變長、柴油機(jī)輸出功率明顯下降、排氣冒黑煙、排氣溫度升高、燃燒室內(nèi)部的積碳?xì)堅(jiān)^多、排氣閥件磨損、油量消耗增加;柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力過高,導(dǎo)致的故障狀態(tài)是進(jìn)氣量過多、燃燒不良、燃油燃燒點(diǎn)提前、活塞的膨脹行程變短、排氣冒白煙、排氣溫度降低;柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度過高,導(dǎo)致的故障狀態(tài)是燃油燃燒不充分、活塞的壓縮行程變長、燃油燃燒點(diǎn)滯后、柴油機(jī)輸出功率明顯下降、發(fā)生后燃現(xiàn)象、燃燒室部件燒損等;柴油機(jī)的排氣溫度過高,導(dǎo)致的故障狀態(tài)是排氣總管的熱負(fù)荷增加、渦輪增壓器的廢氣端沖擊增加,導(dǎo)致增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)壽命降低、燃燒不充分、雜質(zhì)過多、廢氣端出現(xiàn)臟污;柴油機(jī)的排氣壓力過高,導(dǎo)致的故障狀態(tài)是渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速過高、壓氣端機(jī)械負(fù)荷增大、廢氣端沖擊增大,從而造成增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)壽命降低,壓氣端的進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力明顯升高。

        3 仿真功能與軟件設(shè)計(jì)

        3.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

        本文選取MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行研究,發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)排氣凸輪及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、空氣過濾器、海水空冷器、緊急切斷氣源閥、廢氣渦輪增壓器、增壓空氣預(yù)熱器、配氣機(jī)構(gòu)等部件組成,發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)如表1所示,廢氣渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

        表1 MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)部分參數(shù)

        表2 廢氣渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)

        采用Visual Studio作為開發(fā)工具,.NET 4.5作為程序的開發(fā)平臺(tái),選用 C#作為開發(fā)語言,Windows7為操作系統(tǒng)。采用CoreIDRAW對船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)中的部件進(jìn)行外觀設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和部件外形等原則,主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

        1)廢氣渦輪增壓器吸入燃燒空氣,空氣被壓縮后經(jīng)增壓空氣冷卻器和緊急空氣關(guān)閉閥送入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室,緊急空氣關(guān)閉閥裝在連接箱上,在緊急情況下,該閥可隔絕空氣進(jìn)入氣缸,實(shí)現(xiàn)緊急停車;

        2)仿真柴油機(jī)的進(jìn)氣過程,渦輪增壓機(jī)從進(jìn)氣過濾器處吸氣,進(jìn)氣被壓縮后,流入海水中冷器進(jìn)行冷卻,經(jīng)緊急切斷空氣閥后進(jìn)入進(jìn)氣總管,各缸的進(jìn)氣閥在配氣凸輪的驅(qū)動(dòng)下完成進(jìn)氣沖程;

        3)仿真柴油機(jī)的排氣過程,柴油機(jī)的排氣是通過彎管流入恒壓排氣室恒壓流道,恒壓排氣室內(nèi)的排氣通過排氣流量控制閥引入渦輪機(jī)做功,從渦輪機(jī)中流出最后廢氣匯入排氣總管經(jīng)排氣消音器排入大氣。

        3.2 故障注入

        可模擬的故障包括增壓器喘振、增壓空氣濾器臟污、增壓器噴嘴結(jié)碳、增壓空氣溫度過高、增壓空氣壓力過低、排氣溫度高、排溫偏差高、排煙顏色異常、進(jìn)排氣漏氣、進(jìn)排氣門咬死等。

        3.3 控件的設(shè)計(jì)

        1)Button控件:Button控件是由System.Windows.Form.Button類提供的,該控件最常用就是編寫處理按鈕的Click事件代碼,在該系統(tǒng)中,Button包括緊急空氣關(guān)閉閥按鈕和返回主菜單按鈕等;

        2)PictureBox控件:PictureBox控件是由System.Windows.Form.PictureBox類提供的,該控件作用為顯示圖片內(nèi)容,在該系統(tǒng)中,PictureBox控件包括主機(jī)圖形、增壓器圖形、電動(dòng)機(jī)圖形、冷卻器圖形、輔助鼓風(fēng)機(jī)圖形、空氣濾器圖形、緊急空氣關(guān)閉閥圖形和電磁閥圖形等;

        3)Label控件:Label控件是由 System.Windows.Form.Label類提供的,用來提供其他控件的描述文字,在該系統(tǒng)中,Label控件包括各種文字說明;

        4)oilTank控件:oilTank控件是柱狀顯示控件,在該系統(tǒng)中,oilTank控件可顯示主機(jī)排溫變化。

        3.4 FORM設(shè)計(jì)

        進(jìn)排氣系統(tǒng)界面包括兩個(gè) FORM,一個(gè)是進(jìn)氣系統(tǒng),一個(gè)是排氣系統(tǒng)。進(jìn)、排氣系統(tǒng)背景顏色均為DarkGray,窗體界面控件的尺寸均為1 680×1 050。

        3.5 仿真功能設(shè)計(jì)說明

        進(jìn)排氣系統(tǒng)是在主機(jī)開啟后(包括壓縮空氣系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等),顯示主機(jī)排溫?cái)?shù)據(jù)和增壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù),并將平均排溫和各缸排溫做比較顯示在排氣系統(tǒng)界面。仿真功能的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

        圖2 仿真功能的數(shù)據(jù)傳輸流程

        3.6 信息交互接口設(shè)計(jì)

        信息交互與仿真是使得仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)具有相似特性的關(guān)鍵之處。進(jìn)排氣系統(tǒng)與主機(jī)模型系統(tǒng)、缸內(nèi)燃燒系統(tǒng)和機(jī)旁操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸使得整個(gè)仿真系統(tǒng)的邏輯與實(shí)際系統(tǒng)基本相同,因此在故障發(fā)生時(shí),相關(guān)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生對應(yīng)的故障。在故障診斷系統(tǒng)中,只需設(shè)置相關(guān)故障,改變相關(guān)系統(tǒng)正常運(yùn)行參數(shù),就可以直接通過各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到各個(gè)系統(tǒng)之間的故障連鎖。同時(shí)將故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至故障診斷系統(tǒng)界面,描述故障的可能原因,為進(jìn)一步排除故障做好準(zhǔn)備。進(jìn)排氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互示意圖如圖3所示。

        故障診斷系統(tǒng)與進(jìn)排氣系統(tǒng)的信息交互主要是故障診斷系統(tǒng)給進(jìn)排氣系統(tǒng)的故障信號,進(jìn)排氣系統(tǒng)將改變對應(yīng)變量的取值范圍,使得相應(yīng)的變量能夠超出正常運(yùn)行取值范圍,同時(shí)再將這些超出范圍的數(shù)據(jù)傳輸給故障診斷系統(tǒng)。進(jìn)排氣系統(tǒng)在超出其正常值的范圍下運(yùn)行,會(huì)產(chǎn)生不正常數(shù)據(jù)信號,異常信號傳輸?shù)焦收显\斷系統(tǒng),其他變量或邏輯也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變,從而仿真出故障時(shí)候的現(xiàn)象。

        圖3 進(jìn)排氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互

        進(jìn)排氣系統(tǒng)中的排氣系統(tǒng)和主機(jī)模型有信息交互。在冷卻水系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)或缸內(nèi)燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),上述系統(tǒng)會(huì)向主機(jī)模型傳輸信息,主機(jī)模型接收到故障信息會(huì)產(chǎn)生一系列的反饋,導(dǎo)致柴油機(jī)排氣溫度發(fā)生波動(dòng),體現(xiàn)在排氣溫度的數(shù)據(jù)傳輸上,再反饋到主機(jī)模型。由于主機(jī)模型有對排氣溫度的數(shù)據(jù)獲取,在超過規(guī)定溫度后,主機(jī)模型將自動(dòng)降速運(yùn)行。如無法排除故障,主機(jī)最終將停車。

        4 結(jié)論

        總結(jié)分析了船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu),并通過C#語言完成了對MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以仿真軟件擺脫了對于實(shí)物的依賴,該故障仿真軟件的結(jié)果同實(shí)船的實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合,對于船舶管理人員的培訓(xùn)具有實(shí)用價(jià)值,滿足了船員培訓(xùn)的需求,應(yīng)用前景十分廣闊。

        [1] 翁澤民, 黃加亮, 黃少竹.船舶柴油機(jī)故障診斷仿真系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真, 2000, 17(6): 48-50.

        [2] 黃加亮, 蔡振雄, 張均東.船舶柴油機(jī)智能故障診斷仿真方法的研究[J].航海技術(shù), 2001(3): 37-39.

        [3] 徐恒達(dá).船舶柴油機(jī)故障分析診斷系統(tǒng)[D].遼寧大連: 大連理工大學(xué), 2015.

        [4] 申小明.船舶柴油機(jī)渦輪增壓器配合及計(jì)算機(jī)仿真研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué), 2008.

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