《DF4B型內燃機車柴油機燃油系統(tǒng)故障與處理策略》8700字（論文）

前言由于發(fā)動機各部件的結構狀況不同，其性能也會發(fā)生不同程度的改變，如果能夠通過對其特性的改變，就能夠對有關零件的工作狀況進行正確的判斷，從而選擇合適的維修方法，既有利于其性能的恢復，又有利于延長其使用壽命，同時也有助于克服維修中的盲目性，防止無功維修和過多維修，從而提高工作的效率和經(jīng)濟效益。因此，本文研究柴油機的故障診斷具有重要的現(xiàn)實意義。故障診斷就是在特定的工作條件下，對故障的成因和特性進行分析，從而確定故障的位置和組成，并對故障的發(fā)展趨勢進行預測。近年來，由于計算機技術的迅速發(fā)展，許多大型企業(yè)都采用了故障診斷技術，但是至今為止，故障診斷技術的發(fā)展并不明顯。在技術力量、裝備等方面，發(fā)動機出現(xiàn)的一些疑難問題，尤其是發(fā)動機的性能問題，常常難以得到有效的解決，很多零件提前替換，浪費了大量的維護資源，增加了故障診斷的時間。近年來，電子系統(tǒng)的故障診斷技術在理論上有了長足的進步，但在實際工程中應用相對較少。為此，本論文研制了一套針對柴油機故障的故障診斷與記錄系統(tǒng)，以收集各類傳感器的信號，并對所獲得的數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷其目前的狀況；在發(fā)生故障時，對目前的參數(shù)進行記錄；通過對故障數(shù)據(jù)的讀出，分析了柴油機的工作狀況。1相關概念闡述1.1DF4B柴油機概述柴油機是柴油機車的主要動力來源，DF4B型準高速客運柴油機車也是如此。然而，由于發(fā)動機本身的性能不能適應列車的牽引性能，所以必須把發(fā)動機的曲軸與發(fā)動機的機械能、電、機能量進行轉化和傳輸。中國鐵路的電力驅動型內燃機車經(jīng)過了直流、交流兩級的發(fā)展，目前正處于交流驅動的發(fā)展階段。但是，從中國現(xiàn)有的鐵路數(shù)量、技術的成熟程度以及制造費用等方面考慮，中國的萬里鐵線將長期使用交直流柴油機車。以中國產(chǎn)的東風4型、東風8型、東風9型、東風11型等為代表，采用直流、交流方式。其基本原理是由柴油機直接帶動同步牽引發(fā)電機。圖1電傳動內燃機車結構示意圖發(fā)電機三相AC電源通過一臺硅整流箱整流器進行整流，再通過6臺并聯(lián)的DVT驅動，向機車輸送電能。由同步牽引發(fā)電機將其機械能轉化為電力，再由牽引電動機轉化為機械能，保證機車的最佳牽引性能。圖2是交流交直流電傳動內燃機車的工作原理。該發(fā)電機由一臺同步牽引發(fā)電機GS直接驅動，該發(fā)電機的三相交流電經(jīng)過ZL整流后，被六個并聯(lián)的直流牽引電動機M供電，從而實現(xiàn)了動力的轉移，也就是將柴油機的機械能轉化為電動機的機械能。東風11型機車的電氣驅動系統(tǒng)包括主電路，勵磁回路，控制電路，輔助電路，照明電路等。圖2交直流電傳動內燃機車原理圖1.2DF4B柴油機工作原理1.2.1進氣沖程（1）從上止點到下止點，活塞被曲軸帶動。（2）開啟進氣閥，關閉排氣閥。（3）活塞運動至下止點，使得活塞上面的容積增大，從而產(chǎn)生一種真空，在這種情況下，氣體和汽油的混合氣體會從吸入閥中流入腔室，這時，活塞繼續(xù)向下止點運動，直至活塞達到下止點，進氣閥關閉，進氣行程結束。1.2.2壓縮行程（1）在曲軸的驅動下，活塞由下止點運動到終點。（2）進氣閥和排氣閥均是關閉的。（3）當活塞上升時，將在空腔中的混合物壓縮，直至達到上止點，這時，汽缸內部的壓力在600-1500千帕之間，在600-800千帕之間，遠遠超過了汽油（263千帕）的點火溫度。圖3DF4B型內燃機車柴油機示意圖1.2.3工作行程（1）在壓縮過程中，火花塞會發(fā)出電火花，使汽缸中的易燃物質快速燃燒。該氣體在高溫和壓力下形成。由于氣壓的影響，活塞由上止點運動至下止點，并帶動曲軸向外轉動。工作行程在活塞運動至下止點時完成。（2）在操作期間，應關閉入口和出口。在工作期間，汽缸內的氣壓、溫度在初期迅速升高，瞬間壓力可達到3~5Mpa，瞬間溫度可達到2200~2800K。在工作行程的末尾，壓力大約在300千帕到500千帕之間，在大約1500千帕到1700千帕之間。1.2.4排氣行程（1）在工作行程的末尾，排氣門開啟，活塞從下止點運動到上止點，該上止點是用曲柄驅動的。（2）在剩余壓力下，排氣閥從排氣閥中被活塞排出至汽缸。當活塞運動至上止點，排氣門就會被關閉，排出行程也就完成了。在排出后，由于燃燒室體積的原因，汽缸中仍然殘留著少量的廢氣。這時，在大約105千帕到125千帕之間的壓力下，在900到1200千帕之間，在完成排氣行程之后，重新開啟進氣閥，進入下一次運行周期，讓引擎自動運行。2內燃機故障常見幾種診斷技術內燃機的故障診斷一直是國內外學者所關注的一個難題。故障診斷是一個復雜的系統(tǒng)問題，它涉及到許多學科的交叉知識，如數(shù)理統(tǒng)計、智能化管理等。內燃機結構復雜，各種故障間關系密切，數(shù)據(jù)特征、信號信息、故障現(xiàn)象等因素相互交織，用傳統(tǒng)的識別技術很難對其進行有效的診斷。內燃機故障的診斷主要包括信號采集、信號分析、故障識別和故障診斷四大環(huán)節(jié)。根據(jù)所收集到的數(shù)據(jù)，將其分為三種類型：振動特征、油譜特征和廢氣特征。智能診斷中，智能算法模型是以神經(jīng)網(wǎng)絡為代表的。2.1基于振動特征的故障診斷模型美國、日本、歐洲等國在70年代就對振動信號與發(fā)動機失效進行了深入的探討。R.H.Lyon教授（1980）采用試驗方法，對發(fā)動機故障與振動信號的相互關系進行了研究，得出了振動圖譜與故障的對應關系，并提出了用振動信息進行故障診斷的方法。美國船務公司于1985年開發(fā)了一套故障診斷專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)能提供故障與閥座碰撞、燃油噴射故障等故障與振動圖譜的聯(lián)系；卡特彼勒公司在試驗中得到了振動、噪聲、溫度和壓力信號之間的相互關系；VenkatesanR（1990）對美國康明斯公司（Cummins）進行了一次試驗，指出了振動技術在故障診斷中的應用前景；F.Gu和A.D.Ball等（1996）提出了一種新的模型法來分析發(fā)動機故障與振動信號的關系，其中以時頻和包絡線為主要手段，對故障特性與振動信號的相關性進行了研究。彭恒義（2004）根據(jù)振動信號的時域、頻域、非穩(wěn)態(tài)特性，利用傅立葉變換、Wigner-Ville分布、小波變換等時頻分析技術，得出了發(fā)動機的短時振動信號與失火故障的相關性。劉永斌、何清波（2012）根據(jù)發(fā)動機振動信號的特點，采用基于主分量分析和支持向量機相結合的方法，建立了發(fā)動機的故障診斷模型；蔡艷平等人（2012）提出了一種基于EMD-WVD（EMD-Wigner-VilleDistributions）振動頻譜的SVM信號分析方法。通過對小波包及各個頻段的振動能量的分析，得出了排氣管道的阻塞狀況，由此可以對引擎排氣管道的故障進行診斷。PuchalskiA和KomorskaI（2013）提出了一種利用抽象化的參數(shù)信號進行統(tǒng)計回歸的方法。在此基礎上，利用遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡進行故障診斷，并將其應用到專家診斷系統(tǒng)中。為了提高故障診斷的準確率，牟偉杰、石林鎖、蔡艷平等人提出了基于局部非負矩陣分解的EMD-WVD時頻圖像矩陣分解，以求出相應的特征參數(shù)，從而實現(xiàn)對發(fā)動機故障的識別。岳應娟，孫鋼，蔡艷平(2017)，為了解決VMD分解時分層選擇的問題，提出了一種基于中間頻率篩選的VMD分解層數(shù)改進算法(KVMD)，利用雙向主分量分析法對產(chǎn)生的KVMD-MHD振動譜圖像進行了雙向主分量分析，并利用最近鄰分類器（KNNC）進行分類。張世雄、蔡艷平、石林鎖（2018）通過離散廣義S變換對發(fā)動機的振動信號進行了轉換與分離，并通過雙向主分量分析獲得了主要的信息，建立了發(fā)動機的故障診斷模型。圖4基于振動特征的故障診斷模型流程圖綜上所述，由于振動信號的分析與處理技術的發(fā)展，使得基于振動信號特性的內燃機故障診斷模式得到了進一步的發(fā)展，但其關鍵問題是振動信號噪聲大，易受外界環(huán)境的干擾，在實際運用中暴露出許多缺陷。內燃機運行狀態(tài)多變、不穩(wěn)定，振動信號十分復雜，而且很難提取出有效的信號，與實際應用尚有很大差距。2.2基于油譜特征的故障診斷技術油液分析是通過對油品狀態(tài)及磨損狀況的分析，獲得其特性，從而對發(fā)動機的工作狀況進行分析。根據(jù)發(fā)動機的油特性，判斷發(fā)動機故障類型、故障部位的技術。20世紀60年代，許多學者采用油液監(jiān)控顆粒數(shù)目來評估潤滑油的污染狀況，但至今尚未應用到故障診斷中，美國，加拿大，日本和歐洲等國對其進行了大量的研究；70年代，隨著鐵譜技術的發(fā)展，可以對機油中的顆粒濃度、形狀、形貌和組成進行綜合的分析，從而使內燃機的故障診斷技術得到了快速的發(fā)展。從上世紀80年代開始，傅立葉變換紅外光譜技術的問世，使石油光譜技術進入了一個新的階段。九十年代開始，采用氣相色譜、質譜法對潤滑油成分及變化進行了研究。隨著摩擦學技術的不斷發(fā)展，對油液質量的監(jiān)控和分析技術也越來越受到關注。國內學者從20世紀70年代后期起，在機械冶金領域取得了豐碩的成果。油譜是當前發(fā)動機故障診斷中最重要的信息源。利用油譜分析方法可以對其進行物理化學、抗磨性能等進行分析。圖5基于油譜特征的故障診斷技術流程圖近年來，石油頻譜特性分析領域出現(xiàn)了許多新的分析模型和方法，其中包括ANN、免疫原理、模糊數(shù)學、支持向量機、小波分析、時間序列分析、灰色系統(tǒng)理論、人工智能、專家系統(tǒng)等。目前，在新的理論領域中，不斷涌現(xiàn)出許多新的理論，尤其是在磨損過程中，準確地識別出每一種磨損狀態(tài)的臨界轉換點，對技術和經(jīng)濟效益都有著重大的影響。但是，由于油液分析儀器價格昂貴，且無法實現(xiàn)實時診斷，制約了其廣泛應用。2.3基于熱力性能參數(shù)的內燃機故障診斷方法通過測量發(fā)動機的溫度、壓力、轉速等物理參數(shù)，對發(fā)動機的工作狀況進行判定。發(fā)動機的散熱性能主要有汽缸壓示功圖、排氣溫度、轉速、潤滑油溫、冷卻水進出口溫度和排氣參數(shù)。在發(fā)動機的工作中，一些熱工參數(shù)是必需測量的，如冷卻水溫度、排氣溫度等。熱力參數(shù)的改變能夠反映內燃機運行狀況的不同，因此，通過對內燃的熱力參數(shù)進行監(jiān)測和分析，可以對內燃機的運行故障進行診斷。圖6基于熱力性能參數(shù)的內燃機故障診斷方法流程圖美國、德國、日本等國家的工程技術人員，長期以來一直以熱力學參數(shù)來判定發(fā)動機的工作狀況，其主要參數(shù)有功率、轉速、汽缸壓力、水溫等。目前市面上已有幾種故障診斷設備，比如CDK799--200型發(fā)動機檢測器，雖然在現(xiàn)有的基礎上進行了比較成熟的故障診斷，但在實際使用中，卻不能單獨依靠專業(yè)人士的理論知識，必須要有豐富的經(jīng)驗。而根據(jù)熱力學參數(shù)進行的故障診斷，則需要進行大量的實驗，以確定內燃機的運行狀況和熱力學參數(shù)的相關性，盡管其準確率非常高，但是許多參數(shù)的獲取卻是非常困難的，因此必須進行大量的實驗，以求出較為精確的比較標準。2.4基于尾氣特征的故障診斷技術通過理論分析和實驗驗證，證明了尾氣檢測和分析是一種行之有效的故障診斷方法。廢氣組成與發(fā)動機的工作狀態(tài)有著密切的關系，它可以對發(fā)動機的燃燒狀況、點火能量、機械狀況等進行研究。內燃機在發(fā)生故障時，廢氣的數(shù)據(jù)會與正常的數(shù)值偏差，最重要的是，內燃機的燃燒是一個獨立的缸內環(huán)境，廢氣的全部信息都是來自缸內的燃燒，通過檢測發(fā)動機不同工況下尾氣中不同氣體成分的含量呈現(xiàn)不同的特征，根據(jù)不同的特征可判斷發(fā)動機故障所在的部位。而內燃機廢氣數(shù)據(jù)獲取方便、成本低，除吸入成分改變外，外部環(huán)境對發(fā)動機的影響不大，廢氣數(shù)據(jù)所含的信息比較獨立，因此在其它方法中更具優(yōu)越性；同時，廢氣數(shù)據(jù)也是內燃發(fā)動機的綠色特性，它在保護大氣環(huán)境方面起著舉足輕重的作用，因此，與其它信息特性相比，監(jiān)測的必要性更加迫切，分析其特性具有先進性和市場價值。曹紅兵和陳漢生2007年通過試驗發(fā)現(xiàn)，廢氣組成與發(fā)動機工作狀態(tài)之間存在著密切的關聯(lián)，并根據(jù)試驗得出了發(fā)動機各個部件的技術狀態(tài)和尾氣成分之間的關系，并對其進行了分析。提出了一種利用廢氣分析方法對發(fā)動機進行故障定位的方法。2007年，門艷忠、王福林利用神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)，對汽車尾氣中CO、HC、CO2、O2進行了故障推斷和診斷。徐亞丹和王俊（2008）參考國內外有關文獻，重點對廢氣中HC、CO、CO2、O2四種氣體成分進行了分析，將HC、CO、CO2、O2作為輸入變量，以發(fā)動機失效類型作為輸出變量，建立了內燃機故障診斷模型。圖7基于尾氣特征的故障診斷技術流程圖BayarsurenB等（2008)，對TOYOTA發(fā)動機的傳感器進行了分析，分析了廢氣CO、HC與其失效的相關性；李增芳等（2010）根據(jù)柴油機排氣參數(shù)與故障之間的復雜非線性關系，采用PCA方法與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合，建立了一套用于發(fā)動機故障診斷與分析的數(shù)學模型；QinB（2010）將最小二乘SVM用于汽車發(fā)動機的故障診斷，給出了排氣和失火故障的相關試驗數(shù)據(jù)，并對其進行了分析。高陽（2011）分析了在正常工況和異常工況下的檢測結果，經(jīng)過預處理后，將其作為AIS的自體或非自體集合，刺激抗體集合，獲得有目標的、成熟的抗體；李國璋（2012）利用非線性映射技術，將測量到的廢氣樣品由輸入空間映射到高維特征空間，并利用核法（KM）與尾氣信息（ED）相結合的方法對發(fā)動機進行故障診斷；李秋玲、賈敏智（2014）研究了基于廢氣組成的SVM的汽車發(fā)動機故障診斷技術；畢曉君等研究人員基于PSO-RVM技術，研究了一種用于汽車發(fā)動機著火故障的智能診斷技術；JinH（2015）提出了一種基于計算機的故障診斷方法，并將其用于故障分析和分類診斷；YYing、YCao、SLi、JLi、J.Guo（2015）分別采用灰關聯(lián)方法進行故障成分的辨識與分離，進一步深入地減小了故障因子矩陣的維數(shù)，并將故障成分量化為氣路分析。李鵬華，劉晶晶，馮輝宗，運用遺傳算法的全局搜索能力對BP網(wǎng)絡進行了初值和閾值的優(yōu)化，并應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行了故障診斷。表1基于尾氣排放特征的故障診斷技術作者年份尾氣排放指標診斷模型BayarsurenB等2008CO、HC定性模型李增芳等2010HC、CO、CO2、O2、NOx主成分分析（PCA）和神經(jīng)網(wǎng)絡QinB2010HC、CO、CO2、O2最小二乘支持向量機高陽2011HC、NOx、CO2AIS李國璋2012HC、CO、CO2、O2、NOx核方法（KM）畢曉君等2014O2、CO2、HC、COPSO-RVMTinH2015HC、CO、CO2、O2、NOxRVM模型李鵬華等2018COH、THC、COL、NOx、HC和CO2遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡對以上文獻進行了總結，從研究文獻的發(fā)展過程中，可以清楚地看到，在汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)的信息來源上，振動信號、尾氣信號等是汽車發(fā)動機的重要組成部分，而振動信號的故障診斷技術卻相對滯后，這主要是因為它還在實驗，很難在汽車中得到應用。從表1可以看出，所收集到的廢氣信息中，有五種氣體是HC、CO、CO2、O2、NO。由于發(fā)動機本身的復雜性，發(fā)動機的尾氣與故障之間往往存在著強烈的非線性關系，采用傳統(tǒng)的方法很難保證其準確性。就當下來看，以智能算法為基礎的發(fā)動機故障診斷技術已成為當前汽車排氣系統(tǒng)與故障類型之間的主要聯(lián)系，而內燃機的智能化診斷則是當今國內外學術界的一個主要方向。上述三種監(jiān)控方法存在差異：不同的診斷方法和監(jiān)控技術也能反映出不同的內燃機運行狀況。但是，上述三種方法都有其不足之處：性能參數(shù)監(jiān)控通常要求發(fā)動機停用，造成不必要的經(jīng)濟損失，無法實現(xiàn)實時檢測；雖然磨損殘余物的檢測是一種較為有效的手段，但是這一過程一般都是在實驗室進行，且周期較長，難以實現(xiàn)實時監(jiān)控；雖然振動監(jiān)測已經(jīng)有了一些成果，但是由于受到的環(huán)境影響，導致監(jiān)測效果不佳，不利于實時監(jiān)測。3DF4B型內燃機車柴油機燃油系統(tǒng)常見故障3.1主機油泵供油量不足主機油泵供油不足，一般與主機油泵出口壓差有關。油泵前端管道有泄漏，這種故障是因為在工作過程中，主機油泵吸入空氣，引起供油不足，尤其是在吸油管閥門處密封不良或有裂縫時，容易引起發(fā)動機運轉時的抽氣，從而引起油壓的波動；第三，主油泵吸入口過濾器被阻塞，這種故障是因為過濾器中有雜質，可以通過檢測泵的出口壓力來判斷。圖8柴油機主機油泵示實物圖3.2機油通道阻塞內燃機車柴油機機油通道由于管路前、后壓力差過大而造成的阻塞，主要有以下幾個方面：一是污垢阻塞，柴油機在運轉中會產(chǎn)生不可溶性物質，如果不溶質太多，則會導致機油流經(jīng)過濾器時的壓力降低，這種故障可以根據(jù)過濾器前后油壓的對比來判斷；第二，油管堵塞，因為油壓繼電器和油管的直徑都很小，一旦有雜質進入，很容易堵塞，而且在安裝過濾器時，油壓繼電器的接口會堵塞，這種情況經(jīng)常會導致儀器顯示正常，而柴油機則會停止工作。圖9柴油機機油通道示意圖3.3機油系統(tǒng)泄油量大造成機油系統(tǒng)漏油的原因有四個：第一，主油泵安全閥或者旁通減壓閥發(fā)生了故障。第二種是截止閥門不正確打開，或者是發(fā)動機油泵逆止閥出現(xiàn)了問題，這種情況可以通過觀察前后的壓差來判定；第三，增壓安全閥有問題，這種故障可以根據(jù)各個增壓器的油壓來判斷；第四，由于發(fā)動機運動軸承的磨損造成了較大的空隙，此現(xiàn)象可以通過觀察油泵的出口和終端的壓差來判斷。3.4噴油泵或噴油器發(fā)生故障發(fā)動機噴油泵和噴油器出現(xiàn)故障的原因有二：一是噴油泵的輥子或軸套有問題，造成噴油泵的供油不能正常工作；第二，噴油器的狀況很差，比如彈簧斷裂，或者螺栓松動，都會造成燃料的燃燒，或者發(fā)動機的動力不足，從而降低發(fā)動機的動力。圖10柴油機噴油泵實物圖4DF4B型內燃機車柴油機燃油系統(tǒng)常見故障的處理措施4.1對主機油泵進行檢修對主油泵進行維修時，應先查看軸承狀況，確認無裂紋、剝離、過熱變色、鉚釘斷裂、松動等問題。另外，還要對泵的傳動軸進行潤滑，保證發(fā)動機的軸承能夠得到很好的潤滑和冷卻，防止發(fā)動機過熱而損壞。4.2將噴油器的回油管改線到柴油機機體外燃油回油管破裂和連接失效都會引起機油的稀釋，為了防止這種情況發(fā)生，可以將噴油器置于凸輪軸箱的外側，將污油管固定在柴油機的外側，然后再連接回油管，保證污油通過柴油機的兩端，最終進入到污油罐中，這樣就不會因為機油管道堵塞而發(fā)生故障。4.3將油壓繼電器改為延時電路由于發(fā)動機油量大、臟物堵塞、繼電器管線堵塞等原因，造成發(fā)動機油力不足，因此在檢修時必須進行線路改造，以減少故障發(fā)生的幾率。4.4針對噴油泵或噴油器故障的處理方法如果噴油泵的頂部接頭出現(xiàn)了燃油、齒條出現(xiàn)了裂縫、柱塞堵塞等問題，肉眼無法看到，但是可以聽到金屬撞擊的聲音，用手觸摸高壓油管，會感覺到它的脈動很微弱，甚至沒有任何的規(guī)律，如果維修人員用手去推，如果噴油泵的齒條沒有出現(xiàn)規(guī)律的爆發(fā)聲，這些都可以認為是噴油泵或者是噴油器出了問題，要想解決這個問題，就必須要將這個問題給解決掉，然后再進行維修。如果出現(xiàn)了較大的問題，必須更換噴油泵，并保證其襯墊的厚度與柴油機的正常工作相適應。噴油器中的調壓簧或者是螺栓松動，都要仔細的檢查一下，尤其是調整彈簧有沒有裂縫，兩側有沒有偏磨變形，如果有嚴重的話要馬上更換。對于調壓螺栓的松動，可以在噴油器根據(jù)發(fā)動機的操作要求進行調節(jié)后，將螺釘是密封墊損壞后，會有大量的燃油從回油管中溢出，此時應及時更換噴油器或密封墊。5結語分析和診斷DF4B型內燃機柴油機的主要故障。在論文中，首先介紹了發(fā)動機的功能及各部分，并對DF4B發(fā)動機的工作原理進行了簡單的分析。通過對內燃機柴油機的分析，可以發(fā)現(xiàn)多種故障診斷方法。要根據(jù)不同的情況，采用不同的診斷手段，才能取得較好的療效。本文對發(fā)動機的常見故障進行了深入的研究，找出了故障的原因，進行了故障診斷與分析，并給出了解決辦法。經(jīng)過實際的總結，運用更多的診斷根據(jù)部件的功能，以及在診斷時用簡易的設備進行診斷，隨著科技的進步，將來內燃機的故障診斷將有可