模糊逻辑诊断技术在柴油机故障诊断中的应用

单传国 学号：3082115226

(安徽工程大学机电学院 工业工程2082)

摘要：柴油机作为一种重要的动力机械，广泛应用于各行各业，在生产和生活中起着非常重要的作用。柴油机结构复杂，工作条件恶劣，故障模式和故障原因多样，对柴油机进行故障诊断可以有效提高柴油机运行效益。本文通过对柴油机的常见故障进行故障树分析，得出了柴油机常见的故障原因和影响分析，并结合模糊理论相关知识建立模糊故障树，解决了传统故障树中难以解决的相关故障，故障交叉等问题，研究表明这种方法实用、有效。对柴油机的故障排除和减少维修成本具有一定的参考价值。

关键词：故障诊断；故障树；柴油机

Research on qpplication of fuzzy logic technology into diesel engine diagnosis

chuanguo Shan Student ID：3082115226

(IE 2082 ,College of Mechanical& Electrical ,Anhui polytechnic University)

Abstract: Diesel engine as a major power machinery，widely used in various industries, plays a very important role in production and daily life.Diesel engine has complexstructure, poor working conditions,diverse fault modes and causes. The diagnosis of diesel engine fault can effectively improve its operating efficiency. In this paper,fault tree analysis of diesel engine common faults shows the common causes of the fault and impact analysis.By combining knowledge of fuzzy theory,this paper establishes fuzzy fault tree to solve the problems which traditional fault tree are difficult to resolve, Fault cross and so on. Research shows that this method is practical and effective. The troubleshooting of diesel engine and reduce maintenance cost to have the certain reference value. Key words: diagnosis; the fault tree; diesel engine;

随着现代科学技术的发展及自动化程度的提高，发动机故障诊断技术也正发生着重大的变化，但是依然有众多因素制约着发动机故障诊断技术的进一步发展。发动机结构复杂：包括有曲柄连杆机构，进、排气系统，润滑系统，冷却系统，启动系统等，而进一步向下划分，再分为子系统级，部件级，零件级。各个零、部件之间的故障难以完整、精确的进行定性和定量的故障分析。目前发动机的故障诊断方法很多，比较凌乱，还不存在一种较为通用性的方法。这也是制约发动机故障诊断技术发展的主要因素。为了科学、准确地对柴油机故障进行诊断,在对既往故障进行大量统计的基础上,引入模糊故障树分析,为汽车维修技术人员快速、准确地诊断故障提供了科学依据。

1、模糊逻辑诊断技术简介

故障树分析(Fault Tree Analysis，简称FTA)，是采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。

本文详细阐述了故障树分析法的基本原理、特点、步骤，重点分析了故障树中定性分析和定量分析的基本原理。利用故障树分析法中的下行法，寻找故障树的最小割集。通过对柴油机在运行过程中发出异响这一故障进行分析，求得顶事件的发生概率。

2、故障树分析法在柴油机异响中的应用

发动机在运转过程中产生的超过技术文件规定的不正常响声，称为发动机异响。发动机异响标志着发动机某一机构的工作状态已发生变化，往往反映着不同性质和不同程度的故障，异响仅是现象，故障是本质。发动机如在运行中出现异常响声，应注意诊断、检查、分析原因、正确判断以至排除，否则发动机带病工作可能导致更大的损伤。

Ⅰ、发动机异响分析：

㈠、异响类型：

发动机的常见异响主要有机械异响、燃烧异响和空气动力异响等。

㈡、异响原因：

⑴、机械异响主要是运动副配合间隙太大或配合面有损伤，运转中引起冲击和振动造成的。因磨损、松动或调整不当造成运动副配合间隙太大时，运转中要产生冲击和振动声波。如曲轴主轴承响、连杆轴承响、凸轮轴轴承响、活塞敲缸响、活塞销响及气门脚响等。

⑵、燃烧异响主要是发动机不正常燃烧造成的。如柴油机工作粗暴时，气缸内均会产生极高的压力波，这些压力波撞击燃烧室壁及活塞连杆组会发出强烈的类似敲击金属的异响。另外，进气管回火、排气管放炮或出现“突突”声，也属于燃烧异响。

⑶、空气动力异响主要是在发动机进气口、排气口和运转中的风扇处，因气流振动而造成的。

㈢、异响的影响因素和诊断条件：

⑴、转速：一般情况下，转速越高机械异响越强烈。但高转速时各种响声混杂一起，听诊某些异响反而不易辨清。如听诊气门响和活塞敲缸响时，在怠速下或低速下就能听得非常明显；当主轴承响、连杆轴承响和活塞销响较为严重时，在怠速和低速下也能听到。总之，诊断异响应在响声最明显的转速下进行，并尽量在低转速下进行。

⑵、温度：有些异响与发动机温度有关，在机械异响诊断中，对于热膨胀系数大的副配合要特别注意发动机的热状况，最典型的例子是铝合金活塞敲缸。在发动机冷起动时，该响声非常明显，一旦发动机温度升高，响声即消失或减弱，所以诊断该响声时应使发动机在低温下进行。对于热膨胀系数小的副配合所产生的异响，如曲轴主轴承响、连杆轴承响及气门响等，发动机温度的变化对异响的影响不大，因而对诊断温度无特殊要求。发动机温度也是燃烧异响的影响因素之一。

⑶、负荷：发动机许多异响与其负荷有关。如曲轴主轴承响、连杆轴承响、活塞敲缸响及气缸漏气响等均随负荷增大而增强，也有些异响与负荷无关，如气门响及凸轮轴轴承响等。

⑷、润滑条件：不论什么机械异响，当润滑条件不佳时，异响一般都显得严重。

Ⅱ、曲柄连杆机构异响分析

曲柄连杆机构异响故障表现较为复杂，受着诸多因素的影响，判断其异响的技术性较强，除应注意响声的不同外，还要注意特定条件下的特殊响声反映、响声的出现时机、响声的变化规律等。现对发动机中曲柄连杆机构常见的异响故障进行诊断与排除。

曲柄连杆机构常见的异响有：曲轴主轴承响、连杆轴承响、活塞敲缸响、活塞销响声等。曲柄连杆机构异响故障的主要现象和原因如下：

☞、活塞敲缸；故障原因：①活塞变形 ②活塞裙部磨损 ③气缸失圆 ④活塞与衬套配合过紧⑤连杆轴承与轴颈配合过紧导致紧缸 ⑥连杆弯曲 ⑦连杆扭曲变形 ⑧气缸壁和活塞润滑不良。

☞、活塞销异响；故障原因：①活塞销与连杆衬套磨损过度而松旷 ②活塞销与活塞销座孔配合松旷 ③活塞销两端面与销环的碰击。

☞、连杆轴瓦响；故障原因：①连杆轴颈与轴瓦间隙过大 ②连杆轴瓦合金烧蚀或脱落 ③连杆轴瓦盖的固定螺栓松动或折弯 ④连杆轴瓦与轴颈磨损过度，使径向间隙过大 ⑤机油压力过低、机油变质，缺少机油。

☞、曲轴瓦响；故障原因：①轴承与轴颈配合松旷 ②曲轴瓦合金层烧蚀或剥落 ③曲轴弯曲 ④轴瓦盖螺栓松动 ⑤油道阻塞，机油压力过低，轴颈与轴瓦间润滑油供给不足或过稀而摩擦生热，磨损超出范围 ⑥长时间超负荷运行，使轴承过度疲劳，油膜遭破坏，造成合金层烧毁或脱落。

◆ 、柴油机曲柄连杆机构异响的故障树分析

根据以上分析，得出柴油机曲柄连杆机构异响故障树如下

曲柄连杆机构异响故障树

◆ 曲柄连杆机构异响故障树定性定量分析

故障树定性分析中，用最小割集表示故障模式。一个最小割即代表一种故障模式。对于曲柄连杆机构异响分析中，按照以下顺序进行逻辑关系的表达和分析。

G1 = G2 + G3 + G4 + G5

G2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5 + X6 + X7 G3= X8+X9+X10

G4=X11+X12+X13+X14+X15+X16 G5=X17+X18+X19+X20+X21+X22

可以看出，最小割集分别为：

{ X1}，{ X2}，{ X3}，{ X4}，{ X5}，{ X6 }，{ X7}，{ X8}，{ X9}，{ X10}，{ X11}，{ X12}，{ X13}，{ X14}，{ X15}，{ X16}，{ X17}，{ X18}，{ X19}，{ X20}，{ X21}，{ X22}。即任何一个基本事件的发生都会导致顶事件的发生。这是由于曲柄连杆机构主要是机械系统，没有冗余，因此很少有并列的可能出现。

◆ 曲柄连杆机构异响的定量分析

通过对系统的故障数据的搜集，可以得出故障树中底事件发生的概率，进而准确得出顶事件的概率。某型号

车用发动机运行一段时间后，对于曲柄连杆机构异响故障发生的原始数据进行分析并结合相关资料，得到故障树中底事件的发生概率，具体计算如下：

令底事件发生概率分别为：P1,P2,„„,P22 P1=P2=P4=P7=P15=P20=1.4×10-4 P3=P6=P9=P11=P17=0.7×10-4 P5=P16=P19=1.0×10-4 P8=P13=P22=1.2×10-4

P10=P12=P14=P18=P21=1.1×10-4

则得出顶事件（曲柄连杆机构异响）的概率为P(T)=0.0024 其中，由于各最小割集都是一阶，其结构重要度都分别相等。

曲柄连杆机构由活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲柄和飞轮等零件组成。这些零件的运动方式各不相同，但都是负载大的高速运动部件，在柴油机运行中常会出现各种故障，分析如下：

曲柄连杆机构的零、部件故障模式 顶部磨损 顶部破碎 活 塞 头部磨损 环区烧损 裙部磨损 活塞变形 气环 油环 活 塞 销 连杆小头 杆身 连杆衬套 磨损 磨损 磨损 销座磨损 磨损 弯曲 磨损 裂纹 烧蚀 裂纹 裂纹 裂纹 弯曲 轴颈磨损 轴颈弯曲 曲柄臂断裂 裂纹 松动 顶部撞损 活塞项部积炭太多 头部烧损 环区积炭 裙部划伤 烧损 烧损 弯曲 销座开裂 裂纹 裂纹 拉伤 松动 拉伤 断裂 断裂 断裂 轴颈烧损 轴颈失圆 曲轴弯曲 破裂 脱落 顶部烧熔 环岸烧损 裙部断裂 断裂 断裂 销断裂 销座断裂 断裂 断裂 变形 脱落 磨损 轴颈裂纹 裂纹 顶部烧穿 环岸断裂 裙部烧损 卡死 烧损 活塞销卡 环脱落 扭曲 断裂 烧损 轴颈断裂 断裂 活 塞 组 上表针对柴油机各子系统（部件）进行详尽的故障模式、故障原因和影响分析。并针对柴油机最常见的故障--起动困难进行了详细的故障树分析，采用人工建树的方法，充分的表达了各故障之间的因果关系。故障树的建立过程即是故障诊断的过程。

连 连杆螺栓 连杆轴承衬瓦 连杆瓦盖 连杆螺母 开口销 杆组 曲轴飞轮组曲 轴 飞轮 飞轮螺栓 结束语：柴油机是各种大型机械和交通工具的常见动力设备，它的安全运行是减小故障损失的有力保障，对柴油机的运行状态分析和采取的维修，可以提高柴油机的运行效益，此文对柴油机的各主要零部件进行了全面的分析，在此基础上得出了柴油机各子系统、零部件的常见的故障模式运用模糊理论，对经典故障树分析法进行扩展，提出了用模糊故障树方法分析模糊概率及不确定问题的故障，全面的故障分析，预测和提出维修策略，给柴油机提高整体可靠性和柴油机维修提供了帮助。

参考文献

杨耀双、刘碧云，设备管理 机械工业出版社2008年

华道生，柴油机维修方法与故障排除事例 中国电力出版社，2006年. 韦公远，发动机的常见异响特点和诊断方法 内燃机，2002

孙洲阳，陈景锋，黄加亮,故障树分析法在柴油机故障诊断中的应用范周田，模糊矩阵理论与应用 科学出版社，2006

中国修船，2000