船舶柴油机仿真故障模拟系统探析

王前程 李京奥 通讯作者 盛善智

烟台大学

摘要：船舶柴油机仿真故障模拟系统可以针对船舶柴油机故障进行分析，采用模块化的编程，使得程序简单清楚，在很大程度上优化程序。故障模拟是由系统的故障本质表现到系统的各种外在特征的过程，船舶柴油机故障诊断是由系统的各种外在特征表现到系统的故障本质的过程。故障模拟研究船舶柴油机发生故障时会产生哪些现象，在以后工作中根据故障的现象快速的判断出故障的类型。通过仿真故障模拟系统快速找到故障的原因，从而保障船舶运行的安全。

关键词：船舶柴油机；仿真故障；模拟系统；故障

0 引言

为了更好的应对船舶柴油机故障，通过对船舶柴油机的一些常见故障进行仿真模拟，从而保障船舶的安全运行以及所有船员的安全。故障的形成过程可以通过故障的设置来显示，这样一来，就能够通过船舶柴油机仿真故障模拟来开发和发现柴油机的主要性能参数变化规律，从而为柴油机故障诊断提供可靠依据。相比传统的故障诊断，更系统的描述故障特征。本文通过建立船舶柴油机的模型，模拟船舶在发生故障的状态下，柴油机系统的一些主要性能参数发生变化，从而为柴油机系统性地故障诊断提供必要的素材。

1 柴油机常见故障

1.1柴油机温度异常

1.1.1排气温度异常

喷油器存在故障、气缸的压缩不足、排气阀开启的时间过早或排气阀漏气；各缸喷油泵的齿条位置不一致、各缸的喷油时间相差大、各缸的喷油雾化程度相差大、各缸的喷油压力相差大、个别气阀存在漏气现象或者个别排气阀咬死、各缸的排气阀开启的时间相差大、各缸的气体压缩的程度相差大。

1.1.2冷却水温度异常

冷却水的夹层部分发生堵塞；活塞过于发热或者拉缸；冷却水压力降低或者冷却水发生中断；个别气缸的喷油量太大，使得燃烧不良；船舶柴油机长时间超负荷运转或负荷太低；冷却水温度调节阀、节温器、水温表损坏。

1.1.3 滑油温度异常

滑油泵出现故障，使得滑油的供应不足；滑油冷却不良，也会使得温度提高；船舶柴油机长时间高负荷运转；各个轴承间的配合间隙太小，增加摩擦的热量；循环滑油量太少；滑油的温度计失效。

1.1.4柴油机压力异常

（1）最大爆发压力异常分析

如果压缩压力正确的话，喷油的时间太早或者太晚会使得最大爆发压力变高或者变低。喷油器的喷孔磨损严重，会使得滞燃期这段时间内喷入到气缸里的油量变多，这样同样会使得最大爆发压力的变高。如果喷油雾化不良，会产生滴油的现象或者喷油的压力太低，导致船舶柴油机最大爆发压力降低。

（2）压缩压力异常分析

压缩压力的大小往往决定于船舶柴油机压缩比的大小以及进气空气的压力和燃烧室的密封状况。如果压缩比太小，进气空气的压力太低或者说是燃烧室密封不良等等都会使得压缩压力下降。

进气空气的压力的大小往往是由增压器以及扫气泵的工作状态和进气管道的密封情况所决定的。如果增压器和扫气泵出现故障或者是进气管道发生严重的泄漏，都会使得进气压力降低。

（3）滑油压力异常分析

滑油压力的调节阀的调压太高；压力表之后的管道发生阻塞或者是滤油器发生阻塞，从而大大的降低滑油通路的面积，使的滑油很难流过；各个轴承间的配合间隙太小或者太大，使得滑油的循环流动产生很大的障碍或者滑油的流量升高，滑油压力下降；滑油的粘度选择错误或者滑油的温度异常；油路有大量的空气或者说油路有泄露的地方。

2 船舶柴油机仿真软件的设计

2.1柴油机仿真软件的主要功能

“柴油机主机仿真系统”软件应该实现的功能如下：第一，能够实现船舶柴油机在每个工况下的动态过程以及稳态过程的实时动态仿真；第二，能够实现船舶柴油机启动的动态实时仿真；第三，能够计算并且显示船舶柴油机动态过程的一些主要性能参数及其动态曲线图，比如柴油机的转速和船舶的速度等等；第四，能够计算并且显示船舶柴油机增压系统的工作性能参数，比如压气机吸口压降、压气机所做的功、压气机效率、压气机压比和压气机进出口温度以及压气机气体流量等；第五，能够使用二、三维图象呈现船舶柴油机、增压器以及气缸的运动过程；第六，能够对船舶柴油机每个工况下的性能参数进行实时计算和显示，并且能够绘制出主机指示功率、有效功率和柴油机的主要工作参数的曲线；第七，能够实时计算并显示船舶柴油机各单缸的运行参数，比如单缸的喷油角和燃烧角等等；第八，船舶柴油机各个气缸能够独自地设置故障，而且能够随便的组合；第九，能够对船舶柴油机增压系统进行仿真，而且设置得各种故障可以随便的组合；第十，在标准工作状况下，各种故障下的参数曲线能够与船舶柴油机正常工况的参数曲线进行对比，以便看出故障状态图的特征并且分析各种故障的现象；第十一，船舶柴油机的各种参数图形既可以单独显示又可以全部同时显示并与标准工作状况比较等等；第十二，能够实现正车/倒车启动、调速和停车操作及转速设定。这个软件既可作为轮机模拟器来使用，也可以作为单项模拟器来开发使用。上面这些仿真软件实现的功能是目前构思的所有功能，这些还不全面，甚至有一些功能目前还不能实现，随着社会的发展，科技的进步，这些想法就会距离现实越来越近。

2.2船舶柴油机仿真软件的主要界面

船舶柴油机仿真软件的主界面上主要有主机的转速表、功率表以及船速和油门刻度读数表等等，能够动态地表示出主机的转速、主机的功率以及船速和油门的读数；显示主机运转的二维图像的动画，可以用来表示主机的运转和停车；存在可以进行正车、倒车以及停车操作的按钮和可以进行转速设定的滚动条；通过操纵系统的硬件盘台或者操纵系统子项目的程序来完成操作，仿真软件的主界面上还存在进入表示动态曲线的按钮；存在进入表示主机参数以及示功图的按钮和结束按钮。在主界面上只需要轻轻地点击相应的按钮就可以进入到界面或者完成相对应的功能。

2.3柴油机仿真软件编程

船舶柴油机仿真软件是在VISualBasiC6.0环境下进行编程和调试的。这里采用模块化的编程，使得程序简单清楚明，在很大程度上优化程序。在程序运行的时候，尽可能减少窗体调用，及时清除窗体，从而降低系统资源。虽然各个仪表都采用控件，但是也应该尽量减少控件的使用，这样就可以减少甚至避免系统资源的浪费。在与服务器打交道的时候，应该尽量地优化程序读写服务器的数据库的次数。尤其是在写数据的时候，将想要写到数据库中的数据在进行绑定之后，再发出写到数据库中去，从而减少数据写到数据库中的时间。主程序框图参见图1：

图1 主程序框图

3船舶柴油机仿真故障模拟系统的的研究

3.1柴油机故障概述

船舶柴油机要投入使用，必须具有一定的设计性能以及符合一定的技术要求，能满足船舶在海上航行的使用需要。船舶柴油机使用中的设计性能和技术状况不断下降，逐步偏离其设计指标或应用要求。当偏离达到一定程度后，就不再能满足使用要求，具体表现就是发生故障。船舶动力装置故障是指船舶动力机械设备在使用功能上，降低或丧失它所应达到的工作性能的现象。通常，船舶柴油机故障的性质是不同的。但是，这些故障发生的原因是有关系的。在此以故障产生的性质为依据，可以将其分为渐进式和突发性。渐进式故障的特征是一个或多个给定值随着时间的推移逐渐的变化。此类故障通常可以有多种方法来防止他的发生：方法一是通过检查；方法二是进行技术保养；方法三是维修。突发性故障的特点是它的发生是瞬时的，造成这种故障的原因一般与外部负荷的随机性有关。

在判断船舶故障率时，可以从多个方面入手，就可靠性而言，超过百分之六十的故障发生在船舶柴油机动力装置上。百分之八十到百分之九十的故障发生在柴油机上。所以说了解和掌握柴油机发生故障前工作时间的分布情况是完成大部分工作任务的前提。船舶柴油机它有一个非常显著的特点，这个特点可以提前知道柴油机故障可能发生的分布规律，这就为检测柴油机的故障以及故障模拟带来很大的方便。

3.2故障模拟原理

柴油机仿真故障模拟的目的在于研究发生故障时会产生哪些现象。在以后的工作中根据故障的现象快速的判断出故障的类型，从而保障船舶运行的安全。柴油机仿真故障模拟的方法有多种，在这里只列举其中的两种。第一种方法的实现是通过设置在故障状态下的各种参数，这种方法简单粗暴，只是模仿，没有技术含量，没有理论依据，缺点很多，因此不准备对这种方法进行深入的研究。第二种方法就比较精确，它是借助于数学模型的计算，通过改变模型本身来实现，这种方法是比较进步而且非常见效。接下来举个例子来说明这种方法的原理，比如，在一般工况下把参数设置为0，而在故障状态下可以把参数设置为1，这样就可以进行故障工况下的模拟计算。这种方法有它的优点，其优点就是它有着严格的理论基础，故障本身具有拓展性，这是故障模拟的主要途径。

事实上，船舶柴油机仿真故障模拟就是船舶柴油机故障诊断的逆反过程。船舶柴油机故障诊断是由系统的各种外在特征表现到系统的故障本质的过程。而故障模拟则是由系统的故障本质表现到系统的各种外在特征的过程。仅仅只有一个故障源的就可以产生好几个故障现象，假设有多个故障源，产生的故障现象将更多，检测故障也将更困难。因此要完成故障模拟，首先需要做到的是明白故障机理；其次，需要建立数学模型。如果做到以上两点，就可以试验成功。

通常是在船舶柴油机正常工作的条件下来建立船舶柴油机工作过程数学模型。虽然在建模的时候没有考虑到故障状态下的模型问题，但是建立的船舶柴油机工作过程模型同样适用于非正常工况下的模拟，原因很简单，船舶柴油机工作过程模型是通过组成柴油机工作过程的所有环节的本质联系及工作原理来实现对柴油机工作过程模拟，并因此而体现柴油机工作过程的几乎所有的外在特性。把每种故障分为三个档次进行模拟，这三个档次分别为轻微、中等和严重。虽然使用的方法存在差异，但是原理基本是相同的。建模是在标准工况下进行故障模拟的，至于其他的情况可以采取类似的方法。

3.3故障模拟实例

3.3.1燃烧持续期延长故障

在上个世纪70年代，燃油开始涨价，运输成本增加，船东就开始选择质量低价格低的高残值燃渣燃油。但是高残值燃渣燃油的成分比较复杂，污染比较大，危害也表较大。除此之外，喷油嘴喷出的喷雾中燃油液滴的成分，会随着化学反应而发生改变，这些化学反应有分馏作用、热分解和聚合等。质量低价格低的这些高残值然渣燃油缺点是密度大、粘度高、发火性能差，除上述缺点外，再有就是如果燃油净化不完全、加热不充分，或者说燃油喷射系统发生故障，很容易导致燃烧性能变差，燃烧持续期变长等故障。

这里在100%的负荷工况下通过设置燃烧起始角和燃烧持续角来模拟柴油机燃烧持续期延长故障。从下表可以看出，将其设置为轻微、中等和严重三个等级。

表1燃烧持续期延长故障参数表

从表中的数据可以很清楚的看到，燃烧持续期延长的话，柴油机的有效功率、有效燃油消耗率、爆发压力和平均有效压力以及气缸后排气温度的变化依次是降低、升高、降低、降低、升高。其中变化较为明显的是缸内爆发压力，变化11.1%。燃烧持续期增长的原因是这些质量低价格低燃油，雾化质量差，蒸发速度慢，导致柴油机发火滞后，所以滞燃期增加。船舶柴油机滞燃期增加的话，燃烧会变得缓慢，这样就会导致缸内最高燃烧压力降低，燃烧持续期延长。

总之，从上面的分析可知道，如果燃烧持续期发生改变的话，气缸内爆发压力的变化最为明显。

3.3.2喷油器喷孔磨损故障

喷油器的喷孔在使用一段时间后，其直径会增大，这样会破坏燃油雾化以及油束与燃烧室的匹配，造成这种现象的原因是燃油的冲刷及腐蚀作用。当喷油器的喷孔孔径增加十分之一时，这个喷油器就不能再用，而应该换一个新的。模拟喷油器喷孔磨损故障是通过设置喷油器孔径大小来进行的。喷油器喷孔直径标准值为零点九毫米，从下表可以看出，设置四组数据，它们分别为故障状态下喷孔直径为0.954毫米(轻微)，0.99毫米(中等)和1.08毫米(严重)以及正常值0.9毫米。

从表2可以清楚的看到，如果喷油器喷孔直径的变大的话，会产生的现象有：燃油雾化质量变差、油气混合质量变差和喷油持续期变短。出现这种现象的后果是后燃严重。燃烧性能一旦恶化，船舶柴油机有效燃油消耗率就会增加，气缸平均指示压力、最高爆发压力、气缸排气温度和整机功率就会降低。

总之，爆发压力降低是喷油器喷孔磨损后最为明显的特征。

表2喷油孔磨损故障模拟参数表

4 结语

通过借助于计算机仿真软件，选择现如今最先进的的船舶柴油机机型，根据机型来建立模型，对一些常见的故障进行模拟。熟悉和了解船舶柴油机的一些常见故障，查阅资料确定故障发生的原因。帮助和设计一个船舶柴油机的仿真软件。在负荷百分之百工况下，用建立好的船舶柴油机模型，对柴油机的故障进行仿真模拟。模拟船舶在发生故障的状态下，柴油机系统的一些主要性能参数发生变化，从而进行柴油机系统性地故障诊断，判断机器故障的原因，及时解决故障保障船舶运行的安全和船员生命安全。在未来，船舶柴油机仿真故障模拟系统不断地进行更新探索，优化算法，才能更好的解决船舶柴油机出现的故障问题，使船舶运行更加安全可靠。

参考文献：

[1] 《船舶动力装置仿真技术》[M]. 哈尔滨工程大学出版社

[2] 《柴油机智能化故障诊断技术》[M]. 国防工业出版社

[3] 《船舶柴油机结构》[M]. 国防工业出版社

[4] 《柴油机快速诊断与维修要点》[M]. 化学工业出版

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