船用柴油机故障诊断与预测研究

汪亚南

（郑州机电工程研究所，郑州 450000）

柴油机作为船舶主要的动力系统，如果柴油机发生故障，不仅会造成一定的经济损失，而且可能会危及到整个船舶运行的安全性和稳定性，所以加强对船用柴油机的故障维修和诊断具有重要意义。由于柴油机的结构较为复杂，故障特征和故障原因之间并不是固定的对应关系，有时同一个故障特征，可能对应多种故障原因，而同一种故障原因，又可能导致多种故障特征，由此增加了柴油机故障诊断和维修的难度。提升船用柴油机的故障诊断技术水平，可快速定位故障点，提高维修效率。柴油机较为常用的故障维修方式主要有修复性维修、计划性维修和视情维修，但是无论哪种维修方式都有各自的优缺点，在维修周期、维修效率、维修成本方面有一定的差异性。在人工智能和大数据等技术支持下，可以建立一种故障预警模型。以柴油机实时温度、各部位压力、转速等工作参数，热力学模型，运行时的机械噪声等作为基础信息，通过各种智能算法对船用柴油机的运行状态进行故障预测，当监测数据出现异常时，即可实时发出预警，有效降低故障的发生率，提高柴油机运行的可靠性和稳定性。

1 船用柴油机常见故障排除方法

在长期的船舶故障维修和诊断工作中，总结出了比较常见的故障现象、故障原因和故障排除经验，将这些要素进行总结分析，能够为故障诊断和维修提供重要的参考依据，有助于提升故障维修效率，缩短故障维修时间。然后与柴油机的运行日志信息进行对比，可进一步优化故障诊断和排除。同时以这些故障总结为依据，还可为故障诊断预测提供样本研究对象。下面主要以柴油机温度异常部分内容为例，展示柴油机常见故障分析经验，见表1。

表1 船用柴油机温度异常原因与排除措施汇总表

2 船用柴油机故障分析

船用柴油机的故障形式较多，且故障原因也较为复杂，为了与后续故障诊断预测衔接顺畅，下面以某型号柴油机温度异常为典型故障进行分析，主要从机油温度、出水温度、排气温度几个方面进行分析。

2.1 故障现象

通过故障现象不仅能够提前发现柴油机故障隐患，还能够为故障诊断提供参考依据。在柴油机运行过程中，各部件的高速运转会导致温度升高，在适合的温度下可以提升柴油机的热效率，减少污染物的排放，提高润滑效率，减少油耗。但是个别部位却会因为温度升高而对运行状态产生不利影响。以某型号柴油机温度异常的现象为例，船用柴油机的水温宜在80~90 ℃，通过对柴油机各部位温度监测可以发现，当出水温度超过90 ℃时，水管中偶尔会有蒸汽出现，当水温达到100 ℃时，蒸汽就会通过水箱加水口喷出，在冷却系统中会产生局部气障。当机油的温度超过90 ℃时，可能会出现机油压力下降，伴随呼吸器冒油冒气现象；排气温度超过400 ℃时，排气管会变红，且会伴随明火喷出[1]。以上为柴油机比较常见的故障现象，如果温度过高没有及时采取措施，不仅会影响到柴油机的运行效率，严重时可能损坏柴油机，影响到整个船舶的正常运行。

2.2 后果危害

柴油机的温度异常主要表现为温度过高，如果柴油机长期处于高温运行状态，会降低柴油机的运行效率，缩短使用寿命，增加运行成本，增加污染物的排放。在长期工作实践中，由于柴油机温度过高所产生的危害主要表现在如下几个方面：水温过高会导致零部件发生形变，然后增加零部件之间的摩擦力，进而导致活塞拉缸、抱缸，缸盖裂纹、气门磨损等问题。还会导致缸内空气量降低，影响到燃油的燃烧效率，导致柴油机功率下降以及增加缸套穴蚀；如果机油温度过高，会降低油压，增加轴承和缸套等零件的磨损，严重时可出现烧瓦、拉缸等故障；排气温度过高，会增加活塞、缸盖、气门和燃气涡轮等受热零部件的热负荷，在强度降低的情况下会加剧磨损，进而诱发裂纹等问题，造成一系列的故障[2]。总之，因为柴油机温度过高所引发的故障，一般都需要更换零部件，在增加维修成本的同时，还会影响到船舶的正常运行。

2.3 原因分析

2.3.1 机油温度异常

从柴油机的热量产生和热量传导角度出发，可对柴油机油温过高的原因进行分析。柴油机在正常工作状态下，燃油燃烧和摩擦是产生热量的主要源头，其中大部分的热量会转化为有用功，一部分会随着废气排放掉，还有一部分被冷却水和机油吸收。吸收热量后的机油会通过冷却器降温，将热量传给冷却水。从以上逻辑出发，机油温度过高的原因主要包括如下几个方面。机油底壳的油面不足，无法满足机油的循环换热需求，由此导致机油温度过高；轴承磨损严重，在摩擦过程中产生的热量散发到机油中，导致油温过高；柴油机超负荷运行，产生大量的热量，机油吸热过多导致油温过高；活塞环漏气，泄露的高温燃气会增加机油温度；还有冷却水泵流量小、机油冷却效果差等原因[3]。

2.3.2 水温异常

水温异常主要表现为出水温度过高或者进出水的温度过大，一般是由于柴油机超负荷运行导致产生的热量过多，而冷却系统无法满足冷却要求，导致水温过高。从热传导和散热2 个方面考虑，水温过高的原因主要有如下几个方面。由于冷却水管路产生气障、管路漏水、管路阻塞等原因造成冷却水水量不足，冷却水带走的热量减小，由此增加柴油机的水温；在比热和总传导热量一定的情况下，冷却水流量减少还会造成柴油机进出水温度过大；因为耦合器故障等原因造成风扇转速降低，风扇的风量无法满足散热需求，导致水温过高[4]；散热器和高温水泵故障，或者散热器因为污堵等原因影响热传导，都会降低散热量，致使柴油机水温过高；还有其他原因导致冷却水流量小，散热效果不佳等，都是导致水温过高的原因。

2.3.3 排温异常

柴油机排气温度是指在燃烧室燃烧后排出的废气温度，正常状态下，经过雾化后的燃油与足量的含氧空气在燃烧室中混合，达到完全燃烧的状态，排气温度都会处于正常范围。所以柴油机排气温度过高主要是燃油的雾化效果不好，进入燃烧室的空气不足等原因。如果柴油机的扫气效果不好，空气在进气系统中受到阻力，燃烧室在空气量不足的情况下，无法实现完全燃烧，由此导致排温升高；排气系统的管路出现漏气、阻力大等问题，都会减少进入气缸的空气量；喷油器雾化效果不佳，燃烧室燃烧不充分，导致排温升高[5]；还有其他原因造成进入气缸的空气量减少，油气混合质量不高，最终导致排温升高。

2.4 排除措施

在诊断出柴油机的故障原因后，可有针对性地进行故障排除，故障排除效率会大大提升，故障维修效率也会显著提升。

2.4.1 油温过高排除措施

查看机油底壳油量，如果油量不足，加足机油，同时排空管路中的空气，消除气障，保证机油循环换热需求；如果是冷却系统出现问题，可对相应部位进行清洗和修理，更换损坏的零部件；如果是润滑系统故障，可维修或者更换机油泵；如果是超负荷运行，应该降载运行；主要是根据故障特征和原因，采取相应的故障排除和维修措施。

2.4.2 水温过高排除措施

如果是冷却系统故障，可对冷却管路进行排查，查看是漏水、堵塞还是其他原因，然后进行维修。对于泵量达不到要求的，要更换水泵；如果是因为风扇的转速不够影响到散热效果的，要清理散热器表面的脏污，有零部件松动或者损坏的，要进行维修或者更换，以达到散热需求；检查供油角和运行负荷，然后调整供油提前角或者降载运行。

2.4.3 排温过高排除措施

对进排气系统进行检查，查看系统是否存在异常，对发现的问题及时修理；对空滤器、压气机叶轮、排气消声器进行检查，如果表面有脏污，要及时清洗；检查气门间隙及各部件间是否有漏气现象，更换垫片等零部件；检查喷油器，保证雾化效果；检查冷却系统，确保中冷水在规定范围内；对故障现象和故障原因对应的其他部位进行检查，然后进行相应的维修。

3 基于事件的设备运行状态预测

船用柴油机传统的故障维修方法大多是在故障发生后进行维修，或者在设备没有故障时定期维修，这种维修方式会增加维修成本，占用设备使用时间。在人工智能和大数据技术的支持下，可以建立一种故障预测模型，柴油机在运行过程中会产生大量的记录，以设备运行日志信息为基础，对各种事件之间的内在联系概率进行计算，然后对设备可能发生的故障进行预测，可有效降低故障的发生概率[6]。

3.1 事件日志信息样例采集

在事件库构建的基础上，利用事件向量模型计算一个序列事件的概率模型，如果已知序列事件发生概率模型的参数，给定一个序列事件，即可计算出序列事件的发生概率。再通过模型参数计算等过程，即可构建故障预测模型。下面以某船用柴油机的运行日志为例进行模型训练与测试，样例采集见表2。

表2 事件日志样例

3.2 测试结果分析

经过模型测试，从图1 可以看出总样本的数量越多，模型的准确率就越高。在样本研究中，事件数都定为4，然后以前3 个事件作为前期事件，最后一个事件作为等测事件。故障的发生是一个由量变到质变的过程，所以一个事件的预测也是需要以多个事件作为依据。通过模型测试，已经得出事件预测的可行性。

图1 模型训练准确率

图2 展示了调速器弹簧变形、喷油泵弹簧变形和调速器飞铁衬套磨损3 个事件的发生概率，从数据中可以看出，调速器弹簧变形和调速器飞铁衬套磨损的峰值较高，预示发生这种故障的可能性较大，而调速器弹簧变形的出现故障的概率较小。经过实际验证，图2 的预测结果比较符合实际情况。

图2 预测事件发生概率

利用故障预测模型来预测柴油机发生故障的概率，可提前消除故障隐患，有效降低故障发生率，为船舶稳定高效运行创造重要基础。

4 结束语

柴油机作为船舶的重要组成部分，其运行的可靠性和稳定性关系到整个船舶的性能和运行效率。传统的柴油机设备维修方式越来越不能适应现代高效生产的要求，利用现代信息技术对柴油机运行状态下的各项工作参数进行统计拟合，利用传感器对柴油机运行过程中各部件的状态信息进行收集，然后通过建立的故障预测系统对收集到的信息与各参数的设计阈值进行对比，如果超出阈值范围则会发出报警信号。这种故障预测方式可提前发现柴油机潜在的故障隐患，尽量降低柴油机的故障发生率。将故障诊断预测与常见故障特征及排除措施表结合应用，可进一步提高柴油机故障维修效率。随着科技水平的提升，对于船用柴油机的故障诊断预测技术会不断提升，为船舶的高效运行保驾护航。