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故障檢修與技術(shù)維護(hù) |
康明斯柴油發(fā)電機(jī)PT燃油系統(tǒng)常見(jiàn)故障案例解析 |
摘要∶ PT（pressure time）燃油系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于康明斯發(fā)電機(jī)組N\K系列產(chǎn)品，PT燃油系統(tǒng)的復(fù)雜性和精密性對(duì)故障診斷提出了更高的要求。針對(duì)采集的PT燃油系統(tǒng)故障模式數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)間存在較強(qiáng)的非線性關(guān)系的特點(diǎn)，文中采用KPCA方法進(jìn)行原始特征參數(shù)的提取，并采用經(jīng)MPGA進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選的LSSVM模型進(jìn)行故障識(shí)別，充分發(fā)揮KPCA的非線性特征提取能力和LSSVM的小樣本泛化特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)PT燃油系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別，為燃油系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的建立提供新思路和新方法。
一、燃油系統(tǒng)的基本工作原理
當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，柴油被齒輪式輸油泵從柴油箱中吸出，經(jīng)柴油濾清器濾除燃油中的雜質(zhì)，再經(jīng)穩(wěn)壓器消除燃油壓力的脈動(dòng)后，送入柴油濾清器。經(jīng)過(guò)濾清的柴油分成兩路，一路進(jìn)入PTG兩極式調(diào)速器和節(jié)流閥，另一路進(jìn)入MVS（VS、SVS）全程式調(diào)速器。其壓力經(jīng)過(guò)調(diào)速器和節(jié)流閥調(diào)節(jié)后，經(jīng)斷油閥供給噴油器。在噴油器內(nèi)柴油經(jīng)計(jì)量、增壓然后被定時(shí)地噴入氣缸多余的柴油經(jīng)回油管流回柴油箱。噴油器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括噴油凸輪、擺臂、噴油器推桿和噴油器搖臂。噴油凸輪與配氣機(jī)構(gòu)凸輪共軸。電磁式斷油閥用來(lái)切斷燃油的供給，使柴油發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)。
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圖1 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)油路示意圖 |
圖2 康明斯PT燃油泵外觀 |
二、PT燃油系統(tǒng)常見(jiàn)故障及排除措施
1、水進(jìn)入PT燃油系統(tǒng)
（1）危害∶
當(dāng)水進(jìn)入燃油系統(tǒng)后，將會(huì)使PT泵中的調(diào)速器柱塞、噴油器柱塞等零件發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，特別是停機(jī)后再次啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，有可能使PT泵中的調(diào)速器柱塞傳動(dòng)銷(xiāo)驅(qū)動(dòng)舌和齒輪泵驅(qū)動(dòng)軸折斷。
（2）原因分析∶
水混入燃油可能是由于油中含有水或在添加燃油時(shí)帶入的，也可能是在機(jī)器每次工作后未及時(shí)加油引起的。當(dāng)燃油箱為充滿燃油時(shí)，由于液壓溫度下降，空氣中的水蒸氣便在油箱內(nèi)壁上冷凝，從而使冷凝水混入燃油中。
（3）排除措施∶
在每班作業(yè)完畢后應(yīng)將油箱加滿；另外，柴油桶在停放時(shí)一定要擰緊蓋子，以防雨水漏入。為了排除已進(jìn)入油中的水，在每班開(kāi)始作業(yè)之前要擰開(kāi)油箱下面的放油開(kāi)關(guān)以排除沉淀水，同時(shí)還可以打開(kāi)燃油濾清器下面的排污塞將積存的水排掉。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期停用后，PT燃油泵很容易因水蒸氣冷凝而銹蝕，如果不注意，當(dāng)重新啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，就會(huì)發(fā)生零件損壞的想象，為此應(yīng)使PT燃油泵中存有足夠的燃油，后動(dòng)前對(duì)PT 燃油泵進(jìn)行仔細(xì)檢查，在確認(rèn)零件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活時(shí)，再啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。
2、空氣進(jìn)入PT燃油系統(tǒng)
（1）危害∶
空氣進(jìn)入PT燃油系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生PT燃油泵工作失常、各缸噴油不均勻和噴油器噴油不正常等情況，從而使柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)困難 功率下降 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或突然熄火。
（2）原因分析∶
PT燃油系統(tǒng)中有漏氣部位。
（3）排除措施∶
認(rèn)真仔細(xì)查找和排除PT燃油系統(tǒng)中的漏氣部位，具體如下：
① 檢查浮子油箱與燃油濾清器之間有無(wú)漏入空氣。為此可先取下燃油濾清器蓋，檢查燃油是否充滿。燃油不足時(shí)加滿，然后再啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。在保養(yǎng)時(shí)，當(dāng)從燃油濾清器放污塞排除水污物和較多量燃油后，也應(yīng)按上述方法向燃油濾清器中添加燃油。
② 檢查燃油濾清器與PT燃油泵之間有無(wú)漏氣，觀察油管有無(wú)泄露，管子接頭有無(wú)松脫等。
③ 檢查PT燃油泵各密封部位有無(wú)漏氣。檢查時(shí)應(yīng)使柴油發(fā)電機(jī)在怠速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，然后依次在可能漏氣的部位滴油或用手堵住有關(guān)孔口，此時(shí)，如觀察到所滴油被吸入泵體或在堵住孔口時(shí)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象有所緩和，則說(shuō)明被檢查部位有漏氣現(xiàn)象。對(duì)每個(gè)密封部位逐一檢查，如果漏氣是因?yàn)閴|片損壞或接頭松脫而引起的，應(yīng)更換墊片或擰緊接頭，如果漏氣是由于密封件失效，則必須更換密封件。
3、機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入PT燃油系統(tǒng)
（1）危害∶
機(jī)械雜質(zhì)混入燃油會(huì)引起嚴(yán)重的不良后果，使零件使用壽命縮短，雜質(zhì)進(jìn)入間隙還會(huì)使運(yùn)動(dòng)的零件發(fā)生阻滯（如調(diào)速器的柱塞與套筒），從而影響PT燃油泵的正常工作。
（2）原因分析∶
添加燃油時(shí)帶入機(jī)械雜質(zhì)。
（3）排除措施∶
為防止機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入燃油，在對(duì)燃油箱添加燃油時(shí)應(yīng)使用清潔的油桶。定期對(duì)燃油濾清器濾芯進(jìn)行清洗或更換，尤其重要的是按規(guī)定清洗PT燃油泵中的濾網(wǎng)，磁性式濾清器的上下濾網(wǎng)。
三、PT燃油系統(tǒng)故障神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法
目前對(duì)于燃油系統(tǒng)的故障診斷主要集中在基于模型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于證據(jù)理論等方法上。但大量研究表明，基于模型的故障診斷方法對(duì)模型的精確性提出了很高的要求，而且隨著目前現(xiàn)代設(shè)備的復(fù)雜化和非線性化，想建立較為精確的數(shù)學(xué)模型變得越來(lái)越難?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法雖然應(yīng)用較為廣泛，但在網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過(guò)程中存在訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、模型效果過(guò)于依賴(lài)樣本的數(shù)量和質(zhì)量等問(wèn)題。最小二乘支持向量機(jī)（least squares support vector machine，LSSVM）是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)支持向量機(jī)的改進(jìn)算法，在模型的構(gòu)建和求解過(guò)程中具有運(yùn)算速度快、抗噪能力強(qiáng)、對(duì)樣本的數(shù)量要求不高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中有著廣泛的應(yīng)用。
1 KPCA-LSSVM故障診斷模型
（1）最小二乘支持向量機(jī)
LSSVM是SVM的改進(jìn)算法，它建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的基礎(chǔ)上，其核心思想是采用最小二乘線性系統(tǒng)作為損失函數(shù)，替代標(biāo)準(zhǔn)SVM中的二次規(guī)劃方法，這樣就把原來(lái)的求解二次規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解線性方程組問(wèn)題，簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜性，收斂速度快。LSSVM識(shí)別模型已經(jīng)成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
（2）核主元分析
主元分析（pricipal components analysis，PCA）是一種最為常用的特征提取方法，但從本質(zhì)上講它是一種線性映射算法，在處理非線性問(wèn)題時(shí)，往往不能取得好的效果。KPCA是借助核方法將輸入空間映射到一個(gè)高維Hilbert空間，然后在高維空間使用PCA法提取主成分。
（3）LSSVM參數(shù)優(yōu)選
對(duì)于LSSVM的參數(shù)優(yōu)選問(wèn)題，目前通常采用參數(shù)窮盡搜索方法，示例如圖3所示。該方法即對(duì)LSSVM的核函數(shù)參數(shù)σ及正則化參數(shù)γ在一定范圍內(nèi)取值，對(duì)于取定的σ和γ，把訓(xùn)練集作為原始數(shù)據(jù)集，利用交叉驗(yàn)證的方法得到在此組σ和γ的訓(xùn)練集經(jīng)驗(yàn)分類(lèi)準(zhǔn)確率。雖然該方法能夠找到在交叉驗(yàn)證模式意義下的最高分類(lèi)準(zhǔn)確率，但在更大范圍內(nèi)尋找最佳的參數(shù)σ和γ會(huì)很費(fèi)時(shí)。鑒于MPGA的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文采用該方法進(jìn)行LSSVM參數(shù)的尋優(yōu)。
由于KPCA和LSSVM的結(jié)合能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高故障診斷的實(shí)時(shí)性和有效性，本文建立了KPCA-LSSVM的故障診斷模型，算法原理如圖1所示。
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圖3 LSSVM參數(shù)優(yōu)選展示 |
圖4 柴油機(jī)故障KPCA-LSSVM算法流程圖 |
2、故障影響因素分析
PT泵出油口的壓力參數(shù)是一個(gè)非常敏感的參量，無(wú)論是PT泵進(jìn)油口發(fā)生堵塞，還是PT噴油器油路發(fā)生泄漏，均可以在泵出油口的壓力參數(shù)上得到體現(xiàn)。因此本文采集5種故障狀態(tài)下的PT泵出油口壓力參數(shù)作為訓(xùn)練樣本，其中將PT燃油系統(tǒng)正常工作狀態(tài)作為一種特殊的故障狀態(tài)。利用KPCA-LSSVM建立多因素與相應(yīng)結(jié)果之間的非線性關(guān)系來(lái)構(gòu)建故障多分類(lèi)模型，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自行研制的JCPS01型PT泵試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。
實(shí)驗(yàn)中用真空閥的打開(kāi)和關(guān)閉模擬PT泵進(jìn)油濾清器泄漏和油路堵塞2種工作狀態(tài)，用主流量閥的打開(kāi)和關(guān)閉模擬噴油器油路泄漏和油路堵塞2種工作狀態(tài)。當(dāng)PT泵轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，主壓力達(dá)到0.72 MPa時(shí)視為PT泵的正常工作狀態(tài)。分別測(cè)量正常情況（故障模式1）、PT泵進(jìn)油油路堵塞（故障模式2）、濾清器泄漏（故障模式3）、噴油器油路堵塞（故障模式4）、噴油器油路泄漏（故障模式5）情況下PT泵出油口的壓力信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中，每種工作狀態(tài)下的油壓數(shù)據(jù)采集了30組，共計(jì)150組數(shù)據(jù)，在進(jìn)行后續(xù)的工作狀態(tài)識(shí)別時(shí)，每種工作狀態(tài)數(shù)據(jù)隨機(jī)選擇20組作為訓(xùn)練樣本，剩余10組作為測(cè)試樣本。各種狀態(tài)的信號(hào)經(jīng)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪處理后，得到的一組去噪信號(hào)如圖6所示。
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圖5 PT燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作原理 |
圖6 燃油系統(tǒng)故障狀態(tài)的去噪油壓信號(hào)曲線 |
總結(jié)：
PT燃油系統(tǒng)使用中的故障，大多數(shù)是由水空氣及機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入PT燃油系統(tǒng)引起的，故障的分析排除應(yīng)先從這幾方面入手，同時(shí)在柴油發(fā)電機(jī)日常的工作中，應(yīng)做好PT燃油系統(tǒng)的調(diào)整保養(yǎng)。只有這樣，才能減少PT燃油系統(tǒng)故障。因此，康明斯公司在本文中介紹了PT燃油系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合工作實(shí)踐中接觸到的幾類(lèi)常見(jiàn)故障，對(duì)燃油系統(tǒng)故障的危害及其原因進(jìn)行了分析，并詳細(xì)介紹了故障排除方法，可為柴油發(fā)電機(jī)組的燃油系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)提供有益的參考和借鑒。
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