王金鑫， 王忠巍， 馬修真， 張馳

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

柴油機(jī)是船舶動力系統(tǒng)的核心設(shè)備，是保障船舶安全航行的關(guān)鍵。潤滑系統(tǒng)作為柴油機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其不良工作狀態(tài)，將直接導(dǎo)致柴油機(jī)各運動件間無法建立起有效潤滑油膜，對柴油機(jī)整機(jī)運行安全危害極大[1]。長期以來，因摩擦副潤滑不良而導(dǎo)致的柴油機(jī)停機(jī)事故在實際中時有發(fā)生[2-3]。嚴(yán)重時，甚至引發(fā)柴油機(jī)拉缸[4-5]、燒瓦[6]等重大運行事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。實施柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障診斷，及時發(fā)現(xiàn)潤滑系統(tǒng)的異常狀態(tài)，并準(zhǔn)確定位故障源，已成為保障船舶柴油機(jī)安全運行的迫切需求。

在柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障診斷研究上，國內(nèi)外研究者通過實車試驗、模型試驗及數(shù)值仿真的方法，開展了一些研究工作。Nahim[7]利用熱力、流動方程建立了船用柴油機(jī)滑油系統(tǒng)的物理模型，基于該模型分析了在換熱器結(jié)垢、滑油泄漏等故障下，潤滑系統(tǒng)多種熱力參數(shù)的變化特性。Rostek[8]采用實驗方法研究了滑油壓力對船用柴油機(jī)摩擦損失的影響，由此建立了柴油機(jī)滑油壓力與曲軸輸出扭矩的響應(yīng)關(guān)系，據(jù)此實現(xiàn)對滑油進(jìn)機(jī)壓力異常的診斷。種道稱[9]采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析、提取了滑油壓力、溫度以及曲軸轉(zhuǎn)速信號對滑油系統(tǒng)不同故障的反應(yīng)特性，通過建立混合模型實現(xiàn)對滑油系統(tǒng)故障的診斷。王歡歡[10]提出在柴油機(jī)不同部位布置多個聲發(fā)射傳感器，對比分析不同部位異常聲發(fā)射峰值響應(yīng)，實現(xiàn)柴油機(jī)機(jī)油壓力異常故障的早期診斷。

然而，上述研究只關(guān)注柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的一種或幾種故障形式，沒有考慮不同故障形式間的耦合性。柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)聯(lián)度極高，發(fā)生一種故障通常不穩(wěn)定地表現(xiàn)出多種異常征兆，而檢測到的異常征兆往往又是幾種故障共同作用的結(jié)果。例如，安全閥泄漏可能會導(dǎo)致滑油進(jìn)機(jī)壓力、過濾器前、過濾器后等多點壓力同時降低；而滑油進(jìn)機(jī)壓力過低則可能是油泵泄漏、安全閥泄漏、過濾器堵塞等故障的單獨或共同作用的結(jié)果。僅以單故障為研究對象建立的診斷規(guī)則，忽視了機(jī)械系統(tǒng)多故障間的關(guān)聯(lián)性，其結(jié)果不可避免的將導(dǎo)致對設(shè)備的漏診、誤診[11]。全面分析柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的所有故障特征，去除多故障間的關(guān)聯(lián)特征信息，降低潤滑系統(tǒng)多故障的耦合性，對有效實施柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障診斷，確保柴油機(jī)安全運行十分必要。

本文提出了一種柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障關(guān)聯(lián)性分析及解耦方法。根據(jù)潤滑系統(tǒng)泵、過濾器、閥等部件的動態(tài)特性，建立柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)功率鍵合圖模型，通過定義在模型上的前向推理，推導(dǎo)在柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)不同故障下，潤滑系統(tǒng)熱力參數(shù)的變化特性。然后引入集合劃分的思想，通過分析異常征兆對潤滑系統(tǒng)多故障的劃分效果，挖掘并去除多故障間的關(guān)聯(lián)特征信息，使多故障間的耦合度降為最低。最后，通過在GT-Power數(shù)據(jù)庫模型上開展仿真實驗，驗證了本文方法的有效性。

1 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)鍵合圖模型

1.1 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見圖1，其包含泵、過濾器、冷卻器及各種閥件。柴油機(jī)工作時，油底殼中的滑油經(jīng)機(jī)帶泵泵吸，并進(jìn)入冷卻器中冷卻。機(jī)帶泵后通常設(shè)有安全閥，以防止管路壓力過高損壞部件。滑油冷卻器與調(diào)溫閥并聯(lián)。閥件內(nèi)安裝熱脹冷縮元件，其根據(jù)滑油溫度調(diào)節(jié)閥口開度，從而改變進(jìn)入冷卻器的滑油流量，以達(dá)到控制油溫的目的。冷卻后的滑油進(jìn)入過濾器，濾除油液中的磨粒等雜質(zhì)。旁通閥與過濾器并聯(lián)，該閥由過濾器前、后兩股液流控制。當(dāng)過濾器堵塞時，旁通閥在過濾器前后壓差的作用下打開，滑油不經(jīng)過濾器直接進(jìn)入主油道，避免柴油機(jī)發(fā)生干摩擦。主油道設(shè)有調(diào)壓閥，以調(diào)節(jié)滑油進(jìn)機(jī)壓力。大型船用柴油機(jī)還設(shè)有預(yù)潤滑油路。柴油機(jī)起動前，滑油由預(yù)潤滑泵泵送，對柴油機(jī)實施預(yù)潤滑，避免柴油機(jī)起動時發(fā)生摩擦磨損。

1.2 機(jī)帶泵

功率鍵合圖是一種系統(tǒng)動力學(xué)圖示建模方法，其利用基本鍵合圖元描述系統(tǒng)各部件的物理特性、功率鍵表示各部件間的功率傳遞關(guān)系，通過分析系統(tǒng)能量的存儲、釋放、傳遞、轉(zhuǎn)化過程，構(gòu)建描述整個系統(tǒng)工作特性的狀態(tài)方程。鍵合圖的基本原理見文獻(xiàn)[12]。

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)機(jī)帶泵通常為齒輪泵或轉(zhuǎn)子泵[13]，由曲軸通過齒輪或皮帶驅(qū)動，其能量傳遞方程為：

(1)

式中：ω1、T1分別表示曲軸的角速度、扭矩；ω2、T2分別表示機(jī)帶泵的角速度、扭矩；i表示傳動比。

機(jī)帶泵的泵油過程可描述為：

(2)

式中：Q為機(jī)帶泵輸油量，m3/s；p為機(jī)帶泵輸油壓力，Pa；ω為機(jī)帶泵驅(qū)動軸角速度，rad/s；T為機(jī)帶泵驅(qū)動軸扭矩，N·m；k為機(jī)帶泵轉(zhuǎn)子每弧度的排量，m3/rad。

由上述分析，建立機(jī)帶泵的鍵合圖模型見圖2。勢源Sf表示曲軸輸出轉(zhuǎn)矩，變換器TE表示曲軸與機(jī)帶泵之間、及機(jī)帶泵機(jī)械能與滑油液壓能之間的能量傳遞，Reffic表示皮帶或齒輪的傳遞損失，Ipump表示機(jī)帶泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，Rpleak表示機(jī)帶泵內(nèi)部的泄漏。本文中，鍵合圖元的因果關(guān)系(即因果劃)采用SCAP算法指定，具體方法見文獻(xiàn)[14]。

圖2 機(jī)帶泵的鍵合圖模型Fig.2 Bond graph model of oil pump

1.3 冷卻器及過濾器

柴油機(jī)上的滑油冷卻器，基本均采用“列管—筒體式”結(jié)構(gòu)[13]，其鍵合圖模型見圖3。由于冷卻器管組的直徑較小，故對滑油流動將產(chǎn)生較大的阻力。采用Rcooler表示冷卻器液阻，對長圓形直管，當(dāng)流體做層流流動時，其液阻為：

圖3 冷卻器的鍵合圖模型Fig.3 Bond graph model of oil cooler

(3)

式中：μ為滑油動力粘度，Pa·s；l為管長，m；d為管道內(nèi)徑，m。

滑油流經(jīng)冷卻器時，由于管道至冷卻器容積發(fā)生變化，滑油的流量也不相同。采用容性元Ccooler表示冷卻器液容效應(yīng)：

(4)

式中：V為冷卻器容腔體積，m3；E為滑油體積彈性模量，Pa。

滑油過濾器的動態(tài)效應(yīng)，同樣可通過液阻、液容描述，其鍵合圖模型與冷卻器類似。

1.4 閥門組件

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)包含泵后安全閥、調(diào)溫閥、旁通閥、調(diào)壓閥3種閥件，其液阻可描述為：

(5)

式中：Cd為閥口流量系數(shù)；W為閥口周向長度；x為閥口開度。

由于閥件的無阻尼自然頻率遠(yuǎn)高于潤滑系統(tǒng)的頻率，故可忽略其液容、液感效應(yīng)。泵后安全閥的鍵合圖模型見圖4，調(diào)溫閥、旁通閥、調(diào)壓閥的模型可采用相同方法建立。

圖4 泵后安全閥的鍵合圖模型Fig.4 Bond graph model of relief valve after pump

1.5 機(jī)體油道

滑油經(jīng)冷卻、過濾后，進(jìn)入主油道，然后潤滑柴油機(jī)各摩擦副。機(jī)體油道的物理效應(yīng)，主要指液阻。本文采用集中參數(shù)法，將柴油機(jī)體內(nèi)各油道的液阻利用Rblock統(tǒng)一表示。柴油機(jī)體油道的鍵合圖模型見圖5。

圖5 機(jī)體油道的鍵合圖模型Fig.5 Bond graph model of oil gallery in engine block

利用0結(jié)點連接柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)中各并聯(lián)部件，利用1結(jié)點連接各串聯(lián)部件，得到柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)功率鍵合圖模型見圖6。Cpcavity表示機(jī)帶泵壓油腔液容，其數(shù)值可采用式(4)方法計算。Rthermo、Rmrelief分別表示調(diào)溫閥、調(diào)壓閥液阻，其值采用式(5)計算。Rleak表示潤滑系統(tǒng)的泄漏液阻，當(dāng)潤滑系統(tǒng)無泄漏時，其值可認(rèn)為是+∞。

圖6 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的鍵合圖模型Fig.6 Bond graph model of diesel engine lubrication system

2 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障耦合關(guān)系分析

采用時間因果圖[15]描述潤滑系統(tǒng)各狀態(tài)變量間、以及狀態(tài)變量與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的解析關(guān)系，建立柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的時間因果圖見圖7。(圖中，1、1/R表示兩參數(shù)正相關(guān)，-1表示兩參數(shù)負(fù)相關(guān)，=表示兩參數(shù)相等，dt表示兩參數(shù)間存在積分因果關(guān)系，父結(jié)點是子結(jié)點的時間導(dǎo)數(shù)，1/C為常數(shù)因子。)本文忽略曲軸至機(jī)帶泵的傳動故障。

圖7 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的時間因果Fig.7 Temporal causal graph of diesel engine lubrication system

時間因果圖實際上描述了柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的迭代求解關(guān)系。將柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障表示為狀態(tài)參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)的劣化(增大、減小)，由時間因果圖表征的因果知識，可得到該故障下，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)各項運行參數(shù)的響應(yīng)特性。以過濾器堵塞(旁通閥未開啟)為例，得到該故障下柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)各項運行參數(shù)的劣化趨勢見圖8。

圖8 過濾器堵塞故障行為分析Fig.8 Failure behavior analysis of filter blocking

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)時間因果圖中的環(huán)路，表示了各項運行參數(shù)間的負(fù)反饋。例如，過濾器堵塞將使得Q′8增加，對圖7中的環(huán)路Q8→p8→p11→Q11→Q8，當(dāng)過濾器堵塞時，有Q′8↑→p″8↑→p″11↑→Q″11↑→Q″8↓，其物理含義是：過濾器堵塞使得通過過濾器的滑油量減少，而機(jī)帶泵為流量泵，泵出口流量恒定，故泵后管路進(jìn)口處的滑油流量、壓力增加(Q′8↑、p″8↑)，泵后壓力的升高又使得安全閥開度變大，閥的泄漏量相應(yīng)增加(p″11↑、Q″11↑)，安全閥的開啟使得一部分滑油經(jīng)該閥流回油底殼，故泵后管路進(jìn)口流量的增加量減小(Q″8↓)，Q8的變化最終趨于穩(wěn)定。

實際工程中，常選取泵后滑油壓力、過濾器前滑油壓力、過濾器后滑油壓力、過濾器前后壓差、及滑油進(jìn)機(jī)壓力5個變量作為柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)。由時間因果圖，得到柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)在不同故障下，各項參數(shù)的劣化趨勢見表1。圖9利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲庇^描述了柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障間的耦合關(guān)系，其中實線表示發(fā)生故障時，將導(dǎo)致該運行參數(shù)增大，反之，虛線表示該故障將導(dǎo)致運行參數(shù)值減小。

表1 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障-異常征兆因果關(guān)系Table 1 Fault-symptom causal relationship of engine lubrication system

圖9 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障耦合關(guān)系Fig.9 The coupling relationships of multiple faults of engine lubrication system

3 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障特征的降維與解耦

本文將集合論的思想引入柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障解耦研究中，通過挖掘并去除冗余故障特征，解耦多故障間的關(guān)聯(lián)性。

(6)

式中：α*(ui,uj)為區(qū)分矩陣的元素；c(u)、d(u)為論域元素u在條件屬性c∈C和決策屬性d∈D下的取值。

在得到區(qū)分矩陣后，計算區(qū)分函數(shù)f(S)：

f(S)=∧{∨c|c∈α*(ui,uj),α*(ui,uj)≠?}

(7)

得到去除多故障耦合關(guān)聯(lián)特征信息后的異常征兆集合。

對表1所示的柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障診斷知識系統(tǒng)，由式(6)可得到其區(qū)分矩陣M*(S)為：

(8)

區(qū)分矩陣M*(S)表示了能夠識別柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)任意2種故障的異常征兆。例如，區(qū)分矩陣M*(S)的第1行第5列元素{p8,p20,p24}表示：泵泄漏f1和過濾器堵塞f5可以通過泵后滑油壓力p8、過濾器前滑油壓力p20或過濾器前后壓差p24區(qū)分。由于泵泄漏和過濾器堵塞均會引起過濾器后滑油壓力p27和滑油進(jìn)機(jī)壓力p28降低，故這2個運行參數(shù)無法用于區(qū)分泵泄漏和過濾器堵塞故障。區(qū)分矩陣M*(S)元素為空，表示該2種無法區(qū)分。

由式(7)，計算柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障診斷知識系統(tǒng)的區(qū)分函數(shù)f(S)[18]：

f(S)=p8p27p24+p8p28p24+p20p27p24+p20p28p24

由區(qū)分函數(shù)f(S)知，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障與{p8,p27,p24}或{p8,p28,p24}或{p20,p27,p24}或{p20,p28,p24}間的因果關(guān)系，是區(qū)分表1中柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的7種故障的必要依據(jù)，而柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障與{p20,p28}或{p20,p27}或{p8,p28}或{p8,p27}(分別與上述4種結(jié)果對應(yīng))間存在耦合的因果關(guān)系，應(yīng)當(dāng)予以去除。以{p8,p27,p24}為例，解耦后的柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障耦合關(guān)系見圖10。

與圖9比較可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本文方法后，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障與異常征兆的關(guān)系數(shù)(有向邊)由35個減少為21個，所需觀測的運行參數(shù)(子節(jié)點)由5個減少為3個，有效降低了柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障間的耦合性。

4 驗證

柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障，極易引起柴油機(jī)整機(jī)異常磨損，故在實機(jī)上開展故障模擬實驗成本巨大。為驗證柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障耦合關(guān)系分析及解耦研究的有效性，本文在GT-Power數(shù)據(jù)庫模型上開展仿真實驗，該模型見圖11。為模擬柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)調(diào)壓閥故障，本文在主油道前增加了進(jìn)機(jī)前調(diào)壓閥，并設(shè)置其開啟壓力為0.5 MPa。

圖11 某柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)GT-Power模型Fig.11 GT-Power model of a diesel engine lubrication system

由該柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)GT-Power模型，得到柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)正常/故障狀態(tài)下，泵后滑油壓力、過濾器前滑油壓力、過濾器后滑油壓力、過濾器前后壓差及滑油進(jìn)機(jī)壓力見表2。

表2顯示了在故障狀態(tài)下，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)各項參數(shù)劣化趨勢。例如，當(dāng)滑油過濾器堵塞f5時，泵后滑油壓力p8、過濾器前滑油壓力p20及過濾器前后壓差p24均高于正常值，而過濾器后滑油壓力p27、滑油進(jìn)機(jī)壓力p28均比正常值低。由表2可知，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)發(fā)生故障時，泵后滑油壓力、過濾器前滑油壓力、過濾器后滑油壓力、過濾器前后壓差、及滑油進(jìn)機(jī)壓力值均出現(xiàn)不同程度的異常變化，且其劣化趨勢與本文基于鍵合圖模型的分析結(jié)果一致。本文第3節(jié)的多故障解耦結(jié)果顯示，由{p8,p27,p24}或{p8,p28,p24}或{p20,p27,p24}或{p20,p28,p24}的異常變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障的診斷。由表2可知，泵后滑油壓力p8、過濾器后滑油壓力p27(或滑油進(jìn)機(jī)壓力p28)、過濾器前后壓差p24在柴油機(jī)發(fā)生{f3,f5,f6,f7}4種故障下，分別呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，而在{f1,f2,f4}3種故障下，其表現(xiàn)出了相同的異常變化趨勢。因此，運行參數(shù)集{p8,p27,p24}或{p8,p28,p24}或{p20,p27,p24}或{p20,p28,p24}的任意一個，均可實現(xiàn)對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng){f3,f5,f6,f7}4種故障分離與辨識。這一結(jié)果與應(yīng)用運行參數(shù)全集{p8,p20,p27,p28,p24}，對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障的識別結(jié)果相同，由此說明第3節(jié)的多故障解耦方法，在去除故障與異常征兆間冗余因果關(guān)系、降低多故障耦合度的同時，保持了對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障的分類能力不變，驗證了本文對柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障解耦研究的有效性。該解耦結(jié)果不僅可以獲得柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)最簡故障診斷規(guī)則，避免耦合故障特征對準(zhǔn)確識別故障類型的類型，也可以指導(dǎo)建設(shè)柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)解耦結(jié)果，通過監(jiān)測運行參數(shù)集{p8,p27,p24}、{p8,p28,p24}、{p20,p27,p24}、{p20,p28,p24}的變化趨勢，可以實現(xiàn)柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的全故障診斷，而不用監(jiān)測潤滑系統(tǒng)的全部運行參數(shù)。該結(jié)果既可以指導(dǎo)在設(shè)計階段預(yù)設(shè)測量孔，也可以指導(dǎo)完善不完備或冗余的測量系統(tǒng)以達(dá)到最大故障診斷率。

表2 某柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)GT-Power模型仿真數(shù)據(jù)Table 2 Data of GT-Power model of a engine lubrication system MPa

5 結(jié)論

1)本文提出了一種柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障關(guān)聯(lián)性分析及解耦方法。應(yīng)用本文方法后，柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)7種故障與異常征兆的關(guān)系數(shù)由35個減少為21個，所需觀測的運行參數(shù)由5個減少為3個，有效降低了多故障在異常征兆上的耦合性。

2)利用某柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)經(jīng)典GT-Power模型對本文方法的有效性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，本文方法在解耦柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)多故障的耦合關(guān)系的同時，保持對多故障分類能力不變。