占加林，朱華炳，高晨輝，楊 兵，周福靜

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009；3.安徽思普泰克智能制造科技有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

多年以來(lái)，經(jīng)濟(jì)一直靠高消耗和高污染來(lái)發(fā)展，導(dǎo)致資源越來(lái)越匱乏，環(huán)境越來(lái)越惡劣，這使得發(fā)展綠色制造產(chǎn)業(yè)迫在眉睫，廢舊的機(jī)電產(chǎn)品包含著可重新利用的資源，再制造綠色制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1]。但再制造的零部件剩余壽命不一，表面質(zhì)量差異性大，主動(dòng)再制造理論通過(guò)分析典型零部件性能退化的特征去尋找最佳再制造時(shí)機(jī)，可使再制造效率及效益達(dá)到最大化。由于主動(dòng)再制造具有時(shí)機(jī)最佳性、主動(dòng)抉擇性、關(guān)鍵件優(yōu)先性、可批量化等顯著特點(diǎn)使得其近幾十年發(fā)展迅速[2-3]。國(guó)外再制造領(lǐng)域的研究首先由美國(guó)學(xué)者lund Robert t.教授[4-5]提出，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展已日趨完善，涉及眾多工程領(lǐng)域。我國(guó)很多高校和研究所經(jīng)過(guò)幾十年的努力在再制造領(lǐng)域的研究也取得了很大進(jìn)展[6-8]。

由于國(guó)內(nèi)外關(guān)于設(shè)備壽命預(yù)測(cè)等重要問(wèn)題的研究較少，尤其是在產(chǎn)品服役狀態(tài)參數(shù)對(duì)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)方面。因此，本文以R175型柴油機(jī)曲軸為研究對(duì)象，提出了主動(dòng)再制造的在線監(jiān)測(cè)方法與時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，把耗油率的變化作為判斷特征，分析柴油機(jī)曲軸磨損—油耗的映射關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 柴油機(jī)服役狀態(tài)預(yù)測(cè)模型

我國(guó)鄧聚龍教授[9]首創(chuàng)了灰色系統(tǒng)理論，它把一般信息論、系統(tǒng)論、控制論的方法延伸到社會(huì)及其他抽象的系統(tǒng)中[10]?；疑A(yù)測(cè)是灰色理論的理論方法之一。本文采用灰色預(yù)測(cè)理論的經(jīng)典GM(1，N)模型對(duì)柴油機(jī)的服役周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)顯示的少量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)處理原始數(shù)列，構(gòu)造灰色模型，以此為依據(jù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，推測(cè)未來(lái)的數(shù)據(jù)[11]。

柴油機(jī)經(jīng)過(guò)磨合之后，其性能達(dá)到一個(gè)峰值，在工作過(guò)程中，產(chǎn)品性能將逐漸下降，如圖1。主動(dòng)再制造的柴油機(jī)要在產(chǎn)品退役之前進(jìn)行修復(fù)，使得產(chǎn)品性能得以提升，使其達(dá)到再次正常使用的性能標(biāo)準(zhǔn)甚至超越新品，從而進(jìn)入再生服役周期[12-13]。如圖2所示的正常工作期可用來(lái)研究主動(dòng)再制造柴油機(jī)的服役狀態(tài)模型。

本文選取的柴油機(jī)服役狀態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)是耗油率，假定柴油機(jī)在磨合之后的前200 h的狀態(tài)是已知的，其在50 h、100 h、150 h、200 h時(shí)候的耗油率分別是a1(0)，a2(0)，a3(0)，a4(0)。

建立GM(1，N)模型的原始數(shù)列：

A(0)={a1(0)，a2(0)，a3(0)，a4(0)}。

(1)

預(yù)測(cè)結(jié)果：

ak(1)=(a0(1)-β/α)e-αt+β/α，

(2)

(3)

(4)

圖1 柴油機(jī)性能與時(shí)間的關(guān)系

圖2 主動(dòng)再制造的柴油機(jī)性能與時(shí)間的關(guān)系

由于柴油機(jī)整機(jī)的油耗可以用來(lái)表征柴油機(jī)整機(jī)的服役狀態(tài)，因此，預(yù)測(cè)的數(shù)列結(jié)果即為未來(lái)的柴油機(jī)繼續(xù)工作可能出現(xiàn)的油耗數(shù)據(jù)。

2 主動(dòng)再制造在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為了對(duì)柴油機(jī)的服役狀態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也為了獲取柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)了柴油機(jī)服役狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先基于R175型柴油機(jī)建立柴油機(jī)的工況模擬試驗(yàn)臺(tái)，使柴油機(jī)模擬真實(shí)工況進(jìn)行工作，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集柴油機(jī)工作期間的服役參數(shù)。

2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)中耗油率的監(jiān)測(cè)是通過(guò)天平式油耗儀實(shí)現(xiàn)的，曲軸的振動(dòng)信號(hào)是采用兩個(gè)垂直放置的渦流傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，采用3個(gè)分別貼在柴油機(jī)x、y、z3個(gè)方向的加速度計(jì)對(duì)柴油機(jī)的整機(jī)高頻振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。柴油機(jī)活塞缸內(nèi)的壓力是通過(guò)一個(gè)壓力傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的，該壓力傳感器被嵌在柴油機(jī)的缸頭上，柴油機(jī)的缸頭上打有通孔。柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI數(shù)據(jù)采集卡采集，由工控機(jī)對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算處理，并由液晶顯示器顯示。該柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

2.2 工況模擬試驗(yàn)臺(tái)

為了盡可能地模擬R175型柴油機(jī)的工作狀態(tài)，需要在柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)中針對(duì)柴油機(jī)添加可變負(fù)載，在添加負(fù)載的同時(shí)要輸出關(guān)鍵參數(shù)，為此選取了ZF20KB型磁粉測(cè)功機(jī)，將柴油機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)安裝在防震底座上，減少運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)影響。為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，如扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)，給磁粉測(cè)功機(jī)配了專用的控制器，如圖4所示。

后續(xù)進(jìn)一步完成了柴油機(jī)的主動(dòng)再制造在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架的搭建，其中包括柴油機(jī)的工況模擬試驗(yàn)臺(tái)、傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

3 柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型

柴油機(jī)的耗油率相較于其他參數(shù)能夠更直觀地體現(xiàn)出柴油機(jī)的工作狀態(tài)，且數(shù)據(jù)處理較為方便，故本試驗(yàn)采用油耗率作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。柴油機(jī)主動(dòng)再制造理想時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)是通過(guò)分析原始數(shù)列A(0)得到柴油機(jī)在服役區(qū)間的最佳再制造點(diǎn)。

3.1 耗油率測(cè)試試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

在R175型柴油機(jī)的工作磨合期之后，柴油機(jī)正常運(yùn)行200 h(見(jiàn)表1)，每50 h測(cè)一次油耗，得到10 g油消耗的時(shí)間，由測(cè)得的數(shù)據(jù)算出耗油率：

A={a0，a1，a2，a3，a4}。

(5)

表1 200 h內(nèi)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

在監(jiān)測(cè)油耗數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⒉裼蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在(2 500±3) r/min，扭矩為(15±0.1)N·m，經(jīng)過(guò)200 h的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)得其油耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)耗油率測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，常柴股份公司R175型柴油機(jī)的耗油率會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而略有增加，但由于試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)成本的限制，無(wú)法進(jìn)行全壽命周期的試驗(yàn)，只能得到其前200 h的數(shù)據(jù)，由于柴油機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到其壽命極限甚至與其主動(dòng)再制造時(shí)域上限也相差甚遠(yuǎn)，故需要對(duì)其服役狀態(tài)做出預(yù)測(cè)[14-15]。假設(shè)預(yù)測(cè)出的柴油機(jī)的耗油率值符合函數(shù)：

y=a×exp(b×x)。

(6)

運(yùn)用Matlab的cftool工具箱對(duì)該曲線進(jìn)行指數(shù)函數(shù)的擬合。該指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果如圖6。

表2 200 h內(nèi)柴油機(jī)油耗測(cè)試結(jié)果

圖6 指數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果

該曲線擬合的誤差平方和：

SSE=8.613×exp(-8)。

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差：

RMSN=1.7×exp(-5)。

(8)

得到該R175型柴油機(jī)的服役時(shí)間t和耗油率A之間的預(yù)測(cè)模型為

A=0.218 4×exp(0.000 145 4×t)。

(9)

服役時(shí)間：

t=6 788.58ln(A/0.218 4)。

(10)

假設(shè)柴油機(jī)的再制造耗油率為AIP，那么柴油機(jī)的理想再制造時(shí)間點(diǎn)為

TIP=6 788.58ln(AIP/0.218 4)

(11)

4 柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗研究

前文對(duì)柴油機(jī)的油耗做了分析，提出通過(guò)柴油機(jī)的耗油率預(yù)測(cè)柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的方法，本節(jié)要進(jìn)行柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗映射關(guān)系的試驗(yàn)，由關(guān)鍵參數(shù)與柴油機(jī)耗油率之間的映射關(guān)系，可驗(yàn)證基于柴油機(jī)耗油率的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)方法的可行性。

4.1 曲軸磨損量試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

在R175型柴油機(jī)的工作過(guò)程中，曲軸最容易磨損的地方是連桿軸頸部位。本試驗(yàn)在柴油機(jī)的在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置5組試驗(yàn)，試驗(yàn)中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 400 r/min，磁粉測(cè)功機(jī)提供的扭矩為9 N·m，柴油機(jī)的功率約為2 261 W。每組試驗(yàn)之間的變量是曲軸的直徑，每根曲軸的連桿軸頸的直徑遞減0.09 mm，每組試驗(yàn)中柴油機(jī)的其他參數(shù)保持不變。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

通過(guò)對(duì)R175型柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，得到5組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)的曲軸磨損—油耗進(jìn)行二次函數(shù)擬合，在這個(gè)樣本中，x為曲軸的磨損量，y為柴油機(jī)的耗油率，采用Matlab對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)的擬合。

對(duì)兩組數(shù)據(jù)處理后擬合：

y=-0.211 6x2+0.445 1x+0.332 0，

(12)

得到其擬合結(jié)果如圖7。

圖7 二元線性回歸擬合結(jié)果

該樣本的誤差：

ye=(0.028 6，0.314 3，0.771 4，0.714 3，0.228 6)。

(13)

該樣本的方差：

D(x)=E{[x-E(x)]2}=0.251 42。

(14)

通過(guò)擬合柴油機(jī)關(guān)鍵參數(shù)得到樣本誤差與方差，確定了柴油機(jī)曲軸磨損—油耗的映射關(guān)系，為研究柴油機(jī)的油耗和曲軸磨損之間的關(guān)系提供數(shù)據(jù)，并為研究柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的抉擇提供依據(jù)。

5 結(jié)論

主動(dòng)再制造雖很好地解決了再制造中諸多的不確定性問(wèn)題，但其時(shí)機(jī)難以把握，本文以柴油機(jī)曲軸為例，針對(duì)產(chǎn)品主動(dòng)再制造的服役狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究：

1)針對(duì)柴油機(jī)的主動(dòng)再制造，提出了基于灰色預(yù)測(cè)理論的柴油機(jī)的服役狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，在搭建的柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)新方法開(kāi)展試驗(yàn)，且試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

2)通過(guò)耗油率測(cè)試試驗(yàn)，建立柴油機(jī)的服役時(shí)間t和耗油率A之間的預(yù)測(cè)模型，確定了柴油機(jī)曲軸的理想再制造時(shí)間點(diǎn)，印證了柴油機(jī)主動(dòng)再制造的時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型。

3)通過(guò)柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的離散程度較小，映射關(guān)系直接，相關(guān)性較強(qiáng)。通過(guò)柴油機(jī)的油耗能夠直接對(duì)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與理論吻合。