[发明专利]废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法及其系统

摘要

一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，包括：实时采集柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率ηK以及涡轮机效率η；将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间；可靠性预测。本发明可以在船舶废气涡轮增压器现有的技术条件下，不增加或增加很小的成本实现对涡轮增压器的故障诊断及可靠性预测，管理人员可以通过故障诊断及可靠性预测的结果有针对性的对涡轮增压器进行保养，减少涡轮增压器故障的产生，降低设备故障带来的各种损失。

主权项

1.一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，包括：A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率ηK以及涡轮机效率ηT：空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力Poil、滑油出涡轮增压器温度Toil以及柴油机功率P,t为采样时间；B、将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：当(空气进空滤器压力‑空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力‑空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率ηK≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器；当(空气进空滤器压力‑空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力‑空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器；当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1‑空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值‑空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1‑空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值‑空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率ηK≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1‑空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值‑空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1‑空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值‑空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率ηK≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1‑空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值‑空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1‑空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值‑空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率ηK≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1‑空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值‑空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1‑空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值‑空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率ηK≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3‑废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值‑废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率ηT≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3‑废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值‑废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率ηT≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3‑废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值‑废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率ηT≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3‑废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值‑废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率ηT≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；当(废气进涡轮增压器温度T3‑废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值‑废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3‑废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值‑废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3‑废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值‑废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3‑废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值‑废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率ηT≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3‑废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值‑废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3‑废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值‑废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率ηT≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力Poil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度Toil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率ηK≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率ηT≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力Poil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度Toil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率ηK≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率ηT≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力Poil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度Toil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率ηK≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率ηK≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力Poil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度Toil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率ηK≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率ηT≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；C、可靠性预测：获取所述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据；通过所述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：假设故障信息分布符合Weibull分布，则其分布函数为：概率密度函数为：可靠度函数为：α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：两边取对数后得到：对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组；根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。其中，x的取值为：对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。