中 北 大 学 信 息 商 务 学 院
毕业设计开题报告
学 生 姓 名： 学 院、系： 专 业： 设 计 题 目：
指导教师:
2012 年 月 日
学 号：
机械设计制造及其自动化 柴油机故障诊断技术研究与 监测系统设计
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 一 本课题研究的背景和目的意义 随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不断增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。人们对机械设备的稳定性、安全性、可靠性、可用性、可维修性、经济性等提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统也比以前更注重其效率和能耗，且环保要求也越来越高。因此，怎样在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题[1]。 柴油机广泛运用于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。目前，柴油机监控系统已经成为现代柴油机视情维修管理的一种主要手段，因此，对其状态进行监控和对其故障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于最佳运行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的[2]。 随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全。 柴油机作为动力机械，其运行状态的好坏，直接影响到成套设备的工作状态，对其进行状态监测和故障诊断，确保设备处于最佳运行状态，提高设备维修质量和效率是十分必要的。并且开展柴油发动机故障诊断技术的研究，能帮助我们发现故障，防止事故发生。具体表现在[4-5]： 1、提高经济效益和社会效益，这是市场经济条件下用户追求的根本目标。故障诊
断的目的就是更准确、更及时地发现故障，延长零部件的使用寿命。同时延长监测周期，提高检修的精度和速度，降低了维修费用，获得了最佳经济效益。另外，它还可以改善柴油机燃烧状态，降低油耗，节约成本。 2、监控系统可预防机械设备运行事故，保证柴油机始终在最佳状态运行和人身安全。利用诊断技术可提高柴油机的运转经济性、可靠性，防止突发性事故。同时通过监控系统可以实现自动调节或人力调节，保证柴油机在各种工况下均能以最佳状态运转。 3、为柴油机车的故障检修做准备，为合理制定柴油机车的检修周期提供依据（其监测数据可作为每台柴油机车的技术资料保存），从而制定机车的检修计划，使机车的检修工作更科学合理。 4、提高机车质量，降低检修费用和驾驶员的劳动强度，避免不必要的拆卸和维修。 5、利用柴油机监控系统的自动工作特点，可连续或定期地对柴油机各参数进行自动监测、处理、打印和报警。 6、推动设备故障诊断技术的发展。柴油机属于机械设备，有着机械设备故障诊断的共性。但和其它设备相比，既有旋转运动，又有往复运动，运动部件多，工作复杂。因此通过对柴油机故障诊断技术的研究，可以对故障诊断技术的发展起到极大的推动作用。 2.国内外的研究现状和发展趋势 随着科学技术的发展，柴油机车的故障诊断越来越受人们的高度重视，并在这一领域投入了大量的科研力量和研究经费。在现代柴油机故障诊断方面取得了一些方法和理论成果[6-8]。 1、国内外就现代柴油机的主要故障监测方法有： 1）基于振动信号的时域、频域提取分析法。它利用柴油机是一种高速的往复式动力机械，其缸盖振动信号是反映柴油机各部件之间关系的及其敏感的参数。它是由缸内气体爆发压力、进排气门落座冲击、进排气门开启气流冲击等多种激励力综合作用的结果，同时还受到机身整体振动等因素的影响。其表现形式既具有与工作循环有关的周期性特性，又具有非平稳时变及某些冲击特性。振动信号特征提取分析法是依据振动中包含有振源等信息，振动监测及故障诊断的出发点是在机械动力特性分析及谱分析基础上，研究柴油机运行过程中的故障原因与对应的状态。频域分析法有古典谱
估计法和现代谱估计法。古典谱法基于 FFT 快速算法，包括周期图法、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传递函数、谱趋势分析等。现代谱法包括最大嫡谱估计、ARMA时序分析以及最小方差法等。古典法的优点是可以用 FFT 快速计算，物理意义明确；缺点是谱分辨率偏低，需要的数据量大，加窗后会产生泄露，方差性能不好。现代谱分析法具有较高的分辨率，对数据量的要求较少，但是容易产生波形失真信噪比低。 2）应用铁谱和光谱技术监测柴油机磨损状况。它是利用在机械故障诊断中，监测润滑油中铁的含量就可以间接判定金属部件的磨损。柴油机运动件含有多种材料的摩擦副，而每一对摩擦副又会出现各种不同的磨损状态。产生于不同摩擦副在不同的磨损状态下的磨粒，是以不溶的颗粒形式存在于润滑油中的。光谱可以准确地测定润滑油中磨损元素的含量，但不能了解其存在的形状，而且其监测灵敏度又受到磨粒本身粒度的影响，因此无法判断磨损的类型。铁谱可以直观地了解磨粒的形状、大小和成份。在利用铁谱及光谱技术获得数据基础上，应用多元统计分析的动态聚类分析法、模糊聚类分析法、灰色关联分析法[9-10]等对柴油机磨损情况和润滑油质量进行分析，取得了一些有益的结论。但铁谱及光谱分析法无法确定有问题所在缸位，且不易实现实时监测；油液分析的结果只是定性地描述，存在一定的随机性。 2、国内外就现代柴油机的主要故障诊断方法有： 1）油液分析诊断法。它是通过测取柴油机润滑油中磨损金属微粒的形态、尺寸、数量、成分和种类分布，从而进行特征分析，能够确定关键摩擦副的磨损形态，通过对油品性能和主要污染物水平的动态分析，能够及时掌握油品效能的变化，预测可能发生的系统故障。20 世纪 60 年代中期，产生了油液监测的颗粒计数法，70 年代中期就很快运用到设备的故障诊断技术中。在油液监测和故障诊断方面，美国、加拿大、日本及欧洲一些国家已经较早地在实际中应用，例如日本的油质分析仪。我国于 80 年代开始这方面的研究，现在已经进入实用研究阶段[11]。 2）基于灰色系统理论故障诊断方法。灰色系统理论以其新颖的思路和广泛的适用性在理论及工程界引起广泛关注并迅速在许多领域获得广泛应用[12]。灰色理论用于柴油机故障诊断的原理是把柴油机系统看成是一个复杂的灰色系统，利用存在的已知信息去推知含有故障模式的不可知信息的特性、状态和发展趋势，并对未来的发展作预测和决策，其过程即是一个灰色过程的白化过程。灰色理论在故障诊断中的应用包括
灰色系统建模、关联度分析、灰色模型预测等。利用灰色系统可以实现故障的预测，其准确率高，计算量小、易于微机实现[13]。 3）基于神经网络的故障诊断法。BP 神经网络由于具有较强的非线性映射能力而被广泛应用于故障诊断领域。它通过对故障实例的训练和学习，用分布在神经网络中的连接权值来表达所学习的故障诊断知识，具有对故障的联想记忆、模式匹配和相似归纳的能力，可以实现故障和征兆间的复杂的非线性映射关系。但是基本 BP 算法存在着局部极值和收敛速度慢等缺点。在神经网络中引入模拟退火法和遗传算法，可以有效地解决局部极值，提高算法的收敛速度[14-15]。 4）瞬时转速波动诊断法。柴油机曲轴的瞬时转速波动信号能反映机器的工作状态，通过对瞬时转速波动信号的分析可以得到机器运行状态和相关故障的丰富信息。正常工况下，各缸的动力性能基本一致，柴油机运转平稳，各缸瞬时转速波动虽有差异，但总在一个不大的范围内，并呈现某种规律性；但当某个气缸工作不正常时，动力的一致性遭到破坏，柴油机运转平稳性变差，转速波动信号会产生严重变形。瞬时转速波动诊断法就是根据这些信息来判断柴油机气缸内工作过程的好坏。 5）基于专家系统的智能化诊断方法。在诊断推理方面，专家系统智能化诊断方法主要表现在对推理逻辑和推理模型的研究上。在人工智能领域，存在着许多推理逻辑，较著名的有模态逻辑与动态逻辑、3-值逻辑、直觉主义逻辑的类型理论、时态理论、面向非单调推理的语义理论及不精确推理等[11]。模糊逻辑作为一种降低系统复杂性的方法近期在专家系统的推理逻辑中得到了广泛应用，较成熟的有 Zadeh 的近似推理方法、Dempster 和 Shafer 针对贝叶斯概率理论中先验概率难以获取而提出的证据理论等，国内的许多专家系统也对模糊逻辑进行了发展；对推理模型的研究则表现在如何对推理的知识进行划分及控制，从而使推理过程更为有效[16]。如 Davis 基于结构与功能的推理模型，Gallanti 和Fink 提出的集成诊断模型，Peng 的层次因果模型等。