基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究

1、大連海洋大學(xué)現(xiàn)代船舶控制理論基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究 研 究 領(lǐng) 域： 船舶與海洋工程（專碩） 姓 名： 鄧英杰 學(xué) 號(hào)： 2015085223012 基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究摘要：為探討船用柴油機(jī)排氣閥燒蝕形成因素的一般規(guī)律，隨機(jī)選取20艘大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司于2005到2015年間上塢修理的噸位在2萬(wàn)噸到8萬(wàn)噸不等，主機(jī)功率在5000kw到1萬(wàn)2000kw不等的散貨船。利用粗糙集理論提取影響主機(jī)排氣閥燒蝕的有效條件屬性，并利用遺傳算法對(duì)屬性約簡(jiǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)、排氣閥燒蝕、粗糙集、遺傳算法船用柴油機(jī)功率大、工作條件惡劣，無(wú)論是四沖程還是二沖程柴油

2、機(jī)，其排氣閥頭部都直接與高溫高壓的燃?xì)饨佑|，并受高溫燃?xì)獾臎_刷，承受著很高的熱負(fù)荷。在高增壓柴油機(jī)上，排氣閥打開瞬間的燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)9001000，氣流速度可達(dá)到800m/s。因此，排氣閥極易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，據(jù)日本船級(jí)社（NK）在2013年的一份調(diào)查報(bào)告顯示，排氣閥燒蝕故障占到所有氣閥常見故障總數(shù)的90以上。然而，在一般的排氣閥燒蝕故障診斷中，往往認(rèn)為是很多因素共同作用的結(jié)果，其中不乏冗余因素的存在。在海量的數(shù)據(jù)中，尋找出造成柴油機(jī)排氣閥燒蝕的關(guān)鍵性因素，對(duì)優(yōu)化柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，降低柴油機(jī)成本，提高排氣閥壽命和指導(dǎo)輪機(jī)人員的一般維護(hù)工作具有重要意義。對(duì)于排氣閥燒蝕的因素簡(jiǎn)化，我們可以利用粗糙集屬性約簡(jiǎn)

3、的方法，粗糙集理論具有在保證原分類能力不變的前提下，約簡(jiǎn)分類條件去除冗余信息的性質(zhì)。遺傳算法是模擬生物遺傳進(jìn)化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化方法，對(duì)于約簡(jiǎn)的過程，可以選取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)在不影響分類能力下的條件屬性最大的約簡(jiǎn)。1. 柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素分析柴油機(jī)本身是一個(gè)含有眾多非線性不確定因素的難易用一個(gè)確定數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜系統(tǒng)，造成其排氣閥燒蝕的原因可能是多種因素共同作用的結(jié)果。按照柴油機(jī)系統(tǒng)的組成和換氣系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)，我們可以把影響因素確立為以下幾個(gè)方面。（1） 燃油系統(tǒng)，現(xiàn)代共軌噴射柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)燃油的二次燃燒，提高了燃油的利用率并且降低了燃燒室部件的熱負(fù)荷，因此將是否共軌噴射作為一

4、個(gè)影響因素。（2） 冷卻系統(tǒng)，現(xiàn)代柴油機(jī)排氣閥普遍采用強(qiáng)制水冷式閥座，能夠加速排氣閥熱量的排除，降低熱負(fù)荷，將冷卻系統(tǒng)是否存在故障作為一個(gè)影響因素。（3） 安裝旋閥器，旋閥器能使閥盤均勻受熱，防止翹曲并防止積碳形成，將其設(shè)為一個(gè)影響因素。（4） 滑油系統(tǒng)，滑油系統(tǒng)潤(rùn)滑氣閥導(dǎo)管和閥桿之間的間隙，防止過度磨損造成排氣閥竄動(dòng)，高溫燃?xì)庑孤┰斐膳艢忾y燒蝕，將滑油系統(tǒng)是否存在故障作為一個(gè)影響因素。（5） 耐熱材料，閥盤和閥座采用鉻鎳材料能夠提高其耐熱性，防止高溫腐蝕出現(xiàn)，然而會(huì)提高柴油機(jī)的成本，將是否排氣閥部件是否采用耐熱合金作為一個(gè)影響因素。（6） 氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有機(jī)械式和液壓式兩種，液壓式能夠減

5、少落座沖擊且不用調(diào)整氣閥間隙，有利于減少泄漏燃?xì)獾臎_擊，作為一個(gè)影響因素。（7） 柴油機(jī)種類，四沖程柴油機(jī)較二沖程柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高噴油提前角大，其燃燒更劇烈，燃燒室熱負(fù)荷大，將四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)分為兩類。（8） 隔熱空氣槽，在柴油機(jī)閥座氣閥接觸線外緣有一道隔熱空氣槽，可以降低接觸線處的溫度，防止接觸線燒蝕漏氣，而一些較早型號(hào)的柴油機(jī)沒有采用此類設(shè)計(jì)，將其作為一個(gè)影響因素。（9） 增壓方式，柴油機(jī)配氣系統(tǒng)的增壓方式對(duì)柴油機(jī)排氣溫度和壓力及進(jìn)氣量的多少均有影響，進(jìn)而影響排氣閥件的熱負(fù)荷，排氣系統(tǒng)的增壓方式主要分為3類。（10） 氣閥機(jī)構(gòu)的維護(hù)，考慮到實(shí)際過程中難易對(duì)輪機(jī)人員維護(hù)工作進(jìn)行衡量，在

6、本文中排氣閥維護(hù)主要考慮機(jī)械式氣閥驅(qū)動(dòng)氣閥間隙的調(diào)整和閥盤研磨合理與否兩處作為維護(hù)工作是否到位的界定。2. 粗糙集理論粗糙集理論具有在不改變條件屬性分類能力的前提下對(duì)條件屬性進(jìn)行約簡(jiǎn)的能力。粗糙集理論將知識(shí)定義為對(duì)事物的分類能力，需要分類的事物的集合定義為論域U，R是U上的二元等價(jià)關(guān)系的集合，也叫知識(shí)庫(kù)，將定義為一個(gè)近似空間。設(shè)，則定義該知識(shí)庫(kù)中的不可區(qū)分關(guān)系為ind（R），滿足。對(duì)于R中任意1個(gè)二元關(guān)系，若有，則說(shuō)明是可以約簡(jiǎn)的條件屬性，如果每一R中的每一個(gè)r都是不可約簡(jiǎn)的，則稱R是獨(dú)立的。若，則稱Q是P的約簡(jiǎn)。近似空間可以寫成的形式，稱為決策表，C稱為條件屬性，D稱為決策屬性。決策屬性對(duì)應(yīng)

7、于條件屬性的正域定義為，即U關(guān)于D的商集在U關(guān)于C的商集上的下近似的集合。通常，我們定義決策屬性D對(duì)條件屬性C的依賴度為，并以此來(lái)衡量約簡(jiǎn)條件屬性對(duì)分類能力的影響。3. 遺傳算法對(duì)約簡(jiǎn)過程的優(yōu)化遺傳算法對(duì)于解決屬性約簡(jiǎn)這類的NP完全問題有良好的效果，所以在本文中采用遺傳算法優(yōu)化屬性約簡(jiǎn)的過程。遺傳算法是模擬自然界生物進(jìn)化從而尋找到全局最優(yōu)解的一種方法。首先，確定種群數(shù)量，并對(duì)每一個(gè)染色體進(jìn)行編碼（編碼可以采用二進(jìn)制數(shù)或者十進(jìn)制數(shù)），染色體的長(zhǎng)度要相同；然后，按照一定的交叉率pc在兩條染色體某處進(jìn)行交叉替換，按照一定的變異率pm對(duì)單條染色體某處進(jìn)行變異；最后，得出每個(gè)染色體的適應(yīng)度并按照輪盤賭策

8、略對(duì)父代進(jìn)行疊代，執(zhí)行N代后，適應(yīng)度將不再提高，以此作為最優(yōu)解。本文中采用matlab自帶的optimization工具箱中的gatool工具執(zhí)行遺傳算法。為了實(shí)現(xiàn)最大的且依賴度減小最小的約簡(jiǎn)，將加權(quán)重的決策屬性對(duì)于條件屬性的依賴度與約簡(jiǎn)度的和作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。4. 決策表建立 按照1中所述，將可能影響柴油機(jī)排氣閥燒蝕的10個(gè)因素作為條件屬性，將柴油機(jī)排氣閥燒蝕的實(shí)際情況作為決策屬性。條件屬性中，用0,1表示條件的滿足與否，唯有（3）可以劃分成0,1,2三類；決策屬性中，根據(jù)柴油機(jī)排氣閥的實(shí)際燒蝕情況，分為0,1,2三類，0表示排氣閥部件不存在或存在相當(dāng)輕微的燒蝕，1表示排氣閥存在燒蝕

9、留下的凹坑、麻點(diǎn)或接觸線氣密不佳，2表示排氣閥存在嚴(yán)重的燒蝕，存在嚴(yán)重的高溫燃?xì)庑孤┗蛘唛y盤翹曲。隨機(jī)選取20艘大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司于2005到2015年間上塢修理的噸位在2萬(wàn)噸到8萬(wàn)噸不等，主機(jī)功率在5000kw到1萬(wàn)2000kw不等的散貨船，在吊缸維修檢查過程中，根據(jù)其柴油機(jī)主機(jī)排氣閥燒蝕的實(shí)際情況以及該船主機(jī)技術(shù)說(shuō)明書收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)后，得出決策表如表1所示。表1 柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素決策表UCD（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10） 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 2 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 2 3 0 0 1 1 0 0 0

10、1 1 0 1 4 1 0 1 0 1 0 1 0 2 0 1 5 1 0 0 0 1 1 1 0 2 0 2 6 1 1 1 1 1 1 0 1 2 0 1 7 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 8 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 9 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 210 1 0 1 1 1 1 0 1 2 1 111 0 0 1 0 1 0 0 1 2 1 112 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 113 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 214 1 0 1 1 0 0 1 1 2 0 115 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 216 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 017 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 218 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 219 0 0 1 0 1 0 0 1 2 1 120 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 25.結(jié)果分析應(yīng)用matlab對(duì)決策表進(jìn)行遺傳算法疊代的屬性約簡(jiǎn)過程，結(jié)果如圖2所示。圖2 遺傳算法疊代圖最終結(jié)果顯示，約簡(jiǎn)結(jié)果rs=0 1 1 0 1 0 0 1 0 1，此時(shí)的適應(yīng)度達(dá)到最小值為-6，此時(shí)D對(duì)C的依賴度=1，說(shuō)明約簡(jiǎn)后的條件屬性和以前的分類能力一致。從約簡(jiǎn)結(jié)果rs=0 1 1 0 1 0 0 1 0