故障檢修與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機PT燃油系統常見(jiàn)故障案例解析

 

摘要∶ PT（pressure time）燃油系統的柴油發(fā)動(dòng)機已廣泛應用于康明斯發(fā)電機組N\K系列產(chǎn)品，PT燃油系統的復雜性和精密性對故障診斷提出了更高的要求。針對采集的PT燃油系統故障模式數據少、數據間存在較強的非線(xiàn)性關(guān)系的特點(diǎn)，文中采用KPCA方法進(jìn)行原始特征參數的提取，并采用經(jīng)MPGA進(jìn)行參數優(yōu)選的LSSVM模型進(jìn)行故障識別，充分發(fā)揮KPCA的非線(xiàn)性特征提取能力和LSSVM的小樣本泛化特性，實(shí)現對發(fā)動(dòng)機PT燃油系統不同工作狀態(tài)的準確識別，為燃油系統的狀態(tài)監測和故障診斷系統的建立提供新思路和新方法。

 

一、燃油系統的基本工作原理

 

      PT燃油系統通過(guò)改變燃油泵的輸油壓力（pressure）和噴油器的進(jìn)油時(shí)間（time）來(lái)改變噴油量，因此，把它命名為“PT燃油系統"或“壓力-時(shí)間系統”。由液壓原理可知，液體流過(guò)孔道的流量與液體的壓力、流通的時(shí)間及通道的截面積成正比。PT燃油系統即根據這一原理來(lái)改變噴油量。該系統的噴油器進(jìn)油口處設有量孔，其尺寸經(jīng)過(guò)選定后不能改變。燃油流經(jīng)量孔的時(shí)間則主要與柴油柴油發(fā)電機的轉速有關(guān)，隨轉速升降而變化。因此，改變噴油量主要通過(guò)改變噴油器進(jìn)油壓力來(lái)達到。

      當柴油發(fā)電機工作時(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兩極式調速器和節流閥，另一路進(jìn)入MVS（VS、SVS）全程式調速器。其壓力經(jīng)過(guò)調速器和節流閥調節后，經(jīng)斷油閥供給噴油器。在噴油器內柴油經(jīng)計量、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。噴油器的驅動(dòng)機構包括噴油凸輪、擺臂、噴油器推桿和噴油器搖臂。噴油凸輪與配氣機構凸輪共軸。電磁式斷油閥用來(lái)切斷燃油的供給，使柴油發(fā)電機停轉。

 

圖1  柴油機燃油系統油路示意圖

圖2  康明斯PT燃油泵外觀(guān)

 

二、PT燃油系統常見(jiàn)故障及排除措施

 

1、水進(jìn)入PT燃油系統

（1）危害∶

      當水進(jìn)入燃油系統后，將會(huì )使PT泵中的調速器柱塞、噴油器柱塞等零件發(fā)生銹蝕現象，特別是停機后再次啟動(dòng)柴油發(fā)電機時(shí)，有可能使PT泵中的調速器柱塞傳動(dòng)銷(xiāo)驅動(dòng)舌和齒輪泵驅動(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，也可能是在機器每次工作后未及時(shí)加油引起的。當燃油箱為充滿(mǎn)燃油時(shí)，由于液壓溫度下降，空氣中的水蒸氣便在油箱內壁上冷凝，從而使冷凝水混入燃油中。

（3）排除措施∶

      在每班作業(yè)完畢后應將油箱加滿(mǎn)；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。應當指出，當發(fā)電機組長(cháng)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，當重新啟動(dòng)柴油發(fā)電機時(shí)，就會(huì )發(fā)生零件損壞的想象，為此應使PT燃油泵中存有足夠的燃油，后動(dòng)前對PT 燃油泵進(jìn)行仔細檢查，在確認零件轉動(dòng)靈活時(shí)，再啟動(dòng)柴油發(fā)電機。

2、空氣進(jìn)入PT燃油系統

（1）危害∶

      空氣進(jìn)入PT燃油系統后會(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)電機啟動(dòng)困難 功率下降 轉速不穩或突然熄火。

（2）原因分析∶

      PT燃油系統中有漏氣部位。

（3）排除措施∶

      認真仔細查找和排除PT燃油系統中的漏氣部位，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(mǎn)。燃油不足時(shí)加滿(mǎn)，然后再啟動(dòng)柴油發(fā)電機。在保養時(shí)，當從燃油濾清器放污塞排除水污物和較多量燃油后，也應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(guān)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)應使柴油發(fā)電機在怠速工況下運轉，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(guān)察到所滴油被吸入泵體或在堵住孔口時(shí)柴油發(fā)電機轉速不穩現象有所緩和，則說(shuō)明被檢查部位有漏氣現象。對每個(gè)密封部位逐一檢查，如果漏氣是因為墊片損壞或接頭松脫而引起的，應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、機械雜質(zhì)進(jìn)入PT燃油系統

（1）危害∶

      機械雜質(zhì)混入燃油會(huì )引起嚴重的不良后果，使零件使用壽命縮短，雜質(zhì)進(jìn)入間隙還會(huì )使運動(dòng)的零件發(fā)生阻滯（如調速器的柱塞與套筒），從而影響PT燃油泵的正常工作。

（2）原因分析∶

      添加燃油時(shí)帶入機械雜質(zhì)。

（3）排除措施∶

      為防止機械雜質(zhì)進(jìn)入燃油，在對燃油箱添加燃油時(shí)應使用清潔的油桶。定期對燃油濾清器濾芯進(jìn)行清洗或更換，尤其重要的是按規定清洗PT燃油泵中的濾網(wǎng)，磁性式濾清器的上下濾網(wǎng)。

三、PT燃油系統故障神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )診斷法

 

      目前對于燃油系統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模型的精確性提出了很高的要求，而且隨著(zhù)目前現代設備的復雜化和非線(xiàn)性化，想建立較為精確的數學(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用較為廣泛，但在網(wǎng)絡(luò )模型的訓練過(guò)程中存在訓練時(shí)間長(cháng)、模型效果過(guò)于依賴(lài)樣本的數量和質(zhì)量等問(wèn)題。最小二乘支持向量機（least squares support vector machine，LSSVM）是對標準支持向量機的改進(jìn)算法，在模型的構建和求解過(guò)程中具有運算速度快、抗噪能力強、對樣本的數量要求不高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中有著(zhù)廣泛的應用。

1　KPCA-LSSVM故障診斷模型

（1）最小二乘支持向量機

      LSSVM是SVM的改進(jìn)算法，它建立在統計學(xué)習理論和結構風(fēng)險最小化的基礎上，其核心思想是采用最小二乘線(xiàn)性系統作為損失函數，替代標準SVM中的二次規劃方法，這樣就把原來(lái)的求解二次規劃問(wèn)題轉換為求解線(xiàn)性方程組問(wèn)題，簡(jiǎn)化了計算復雜性，收斂速度快。LSSVM識別模型已經(jīng)成功應用于各種領(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(xiàn)性映射算法，在處理非線(xiàn)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參數優(yōu)選

      對于LSSVM的參數優(yōu)選問(wèn)題，目前通常采用參數窮盡搜索方法，示例如圖3所示。該方法即對LSSVM的核函數參數σ及正則化參數γ在一定范圍內取值，對于取定的σ和γ，把訓練集作為原始數據集，利用交叉驗證的方法得到在此組σ和γ的訓練集經(jīng)驗分類(lèi)準確率。雖然該方法能夠找到在交叉驗證模式意義下的最高分類(lèi)準確率，但在更大范圍內尋找最佳的參數σ和γ會(huì )很費時(shí)。鑒于MPGA的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文采用該方法進(jìn)行LSSVM參數的尋優(yōu)。

      由于KPCA和LSSVM的結合能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，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。

 

圖3  LSSVM參數優(yōu)選展示

圖4  柴油機故障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上得到體現。因此本文采集5種故障狀態(tài)下的PT泵出油口壓力參數作為訓練樣本，其中將PT燃油系統正常工作狀態(tài)作為一種特殊的故障狀態(tài)。利用KPCA-LSSVM建立多因素與相應結果之間的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)構建故障多分類(lèi)模型，實(shí)驗設備采用自行研制的JCPS01型PT泵試驗臺，實(shí)驗原理如圖5所示。

      實(shí)驗中用真空閥的打開(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PT泵轉速為1 800 r/min，主壓力達到0.72 MPa時(shí)視為PT泵的正常工作狀態(tài)。分別測量正常情況（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。在實(shí)驗中，每種工作狀態(tài)下的油壓數據采集了30組，共計150組數據，在進(jìn)行后續的工作狀態(tài)識別時(shí)，每種工作狀態(tài)數據隨機選擇20組作為訓練樣本，剩余10組作為測試樣本。各種狀態(tài)的信號經(jīng)數學(xué)形態(tài)學(xué)去噪處理后，得到的一組去噪信號如圖6所示。

 

圖5  PT燃油系統試驗臺工作原理

圖6  燃油系統故障狀態(tài)的去噪油壓信號曲線(xiàn)

 

總結：

      PT燃油系統使用中的故障，大多數是由水空氣及機械雜質(zhì)進(jìn)入PT燃油系統引起的，故障的分析排除應先從這幾方面入手，同時(shí)在柴油發(fā)電機日常的工作中，應做好PT燃油系統的調整保養。只有這樣，才能減少PT燃油系統故障。因此，康明斯公司在本文中介紹了PT燃油系統的工作原理，結合工作實(shí)踐中接觸到的幾類(lèi)常見(jiàn)故障，對燃油系統故障的危害及其原因進(jìn)行了分析，并詳細介紹了故障排除方法，可為柴油發(fā)電機組的燃油系統的維護保養提供有益的參考和借鑒。

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