柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

費(fèi)景洲，王忠巍，石靈丹，于 濤，張 鵬

（1.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司712研究所，湖北 武漢 430064）

實(shí)驗(yàn)室資源優(yōu)化整合和教學(xué)科研相結(jié)合在優(yōu)質(zhì)資源共享、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)等方面具有重要作用［1－3］。教育部明確提出了高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要突出“實(shí)驗(yàn)室資源有效整合，教學(xué)科研緊密結(jié)合”［4］的要求。柴油機(jī)綜合性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)是高校熱能與動(dòng)力工程專業(yè)廣泛開設(shè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)等方面具有重要作用。近年來(lái)，隨著環(huán)境污染日趨嚴(yán)重和節(jié)能減排等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，包括高校在內(nèi)的眾多科研機(jī)構(gòu)圍繞柴油機(jī)故障診斷等方面開展大量研究工作，取得了諸多研究成果［5－10］。

我們根據(jù)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，將柴油機(jī)故障診斷科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)與本科生柴油機(jī)綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合起來(lái)，并把國(guó)家自然基金項(xiàng)目的部分科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，使之與本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，在滿足科研實(shí)驗(yàn)同時(shí)可以開展本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在資源整合、教學(xué)科研相結(jié)合方面進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案

柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在功能上劃分為科研和教學(xué)兩部分?？蒲袑?shí)驗(yàn)主要是圍繞柴油機(jī)故障診斷方向開展實(shí)驗(yàn)研究，需要的基本實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括柴油機(jī)、測(cè)功器、控制柜、傳感器、數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是圍繞柴油機(jī)性能參數(shù)測(cè)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開，實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)備同樣包括柴油機(jī)、測(cè)功器、控制柜、傳感器、數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互系統(tǒng)等?？蒲袑?shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大體上相同，二者可以資源共享。同時(shí)考慮到二者在面向的對(duì)象和承擔(dān)的任務(wù)等方面的差別，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能追求完全的資源共享，在某些方面還應(yīng)該有所區(qū)別。

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們采用“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備共享，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相分離”的設(shè)計(jì)思路?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要是指柴油機(jī)、測(cè)功器、控制柜、傳感器等設(shè)備，這些設(shè)備是完全共享的。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是分離的，科研實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)分別根據(jù)自身的任務(wù)需要設(shè)立了相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。這種統(tǒng)分結(jié)合的方法將2個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)間的相互影響降到最小，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)僅需做很小的調(diào)整，甚至不需要調(diào)整就可以開展不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于科研實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以能夠?qū)崿F(xiàn)科研實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)間的快速轉(zhuǎn)換。柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括柴油機(jī)、測(cè)功機(jī)、控制柜、傳感器等設(shè)備，屬于柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的共享資源，這些設(shè)備占整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總投資的90%以上。通過(guò)共享基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以同時(shí)滿足科研實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，既可以節(jié)省大量投資，也能提高設(shè)備利用率?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置實(shí)物如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置實(shí)物圖

2.1 柴油機(jī)

柴油機(jī)為上海柴油機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的SC5D122D型柴油機(jī)，配有廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，其主要技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 SC5D122D柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

2.2 測(cè)功器

測(cè)功器為柴油機(jī)提供負(fù)載，結(jié)合測(cè)控儀、驅(qū)動(dòng)儀、油耗儀等設(shè)備，可以進(jìn)行柴油機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和燃油量的測(cè)量。選用的設(shè)備是湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的GW160測(cè)功器，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 GW160測(cè)功機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)控儀、驅(qū)動(dòng)儀和油耗儀等設(shè)備都采用湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司的產(chǎn)品，具體型號(hào)分別為FC2010測(cè)控儀、FC2110驅(qū)動(dòng)儀和FC2210Z智能油耗儀。

2.3 傳感器

安裝傳感器的目的是在柴油機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)上獲得用于故障診斷的柴油機(jī)性能參數(shù)，主要包括燃油量、轉(zhuǎn)速、功率、進(jìn)排氣壓力、進(jìn)排氣溫度、滑油溫度、滑油壓力、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。燃油量、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)通過(guò)前述的測(cè)功器系統(tǒng)中的測(cè)控儀、驅(qū)動(dòng)儀和油耗儀等設(shè)備獲得；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量采用Kistler曲軸轉(zhuǎn)角編碼器2614A；進(jìn)排氣壓力等壓力參數(shù)測(cè)量主要采用BP801型壓力傳感器；進(jìn)排氣等溫度參數(shù)測(cè)量主要采用WRN－231型熱電偶和 WZP－231型熱電阻。

2.4 其他測(cè)量?jī)x器

除了上述傳感器外，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上還安裝了用于測(cè)量柴油機(jī)煙度和噪聲等參數(shù)的儀器。

3 科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)

柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于開展柴油機(jī)故障診斷方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。柴油機(jī)故障診斷是指綜合分析柴油機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)或者實(shí)時(shí)測(cè)得的狀態(tài)參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、判定和診斷［11－12］。柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的故障診斷的實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行柴油機(jī)燃油系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等方面的故障診斷實(shí)驗(yàn)研究，平臺(tái)主要包括共享的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互系統(tǒng)。

3.1 科研實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及人機(jī)交互系統(tǒng)

科研實(shí)驗(yàn)的故障診斷實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互系統(tǒng)是根據(jù)故障診斷實(shí)驗(yàn)要求單獨(dú)設(shè)置的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量的柴油機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)主要包括燃油量、轉(zhuǎn)速、功率、進(jìn)排氣壓力、進(jìn)排氣溫度、渦輪進(jìn)排氣溫度、渦輪進(jìn)排氣壓力、進(jìn)排水溫度、進(jìn)排水壓力、滑油溫度、滑油壓力、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速等。為了確保獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)具有較高的精度，故障診斷實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用較高端的設(shè)備。如數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司生產(chǎn)的NI PXI－6251型多功能高速DAQ采集卡。該采集卡為PIX總線，測(cè)量類型包括正交編碼器、數(shù)字信號(hào)、電壓信號(hào)、頻率信號(hào)等；具有16路單端或8路雙端模擬輸入通道；模擬輸入采樣率為1.25MS／s；模擬輸入最大電壓為－10V和10V；有2個(gè)模擬輸出通道數(shù)，模擬輸出最大電壓為－10V和10V；有24個(gè)數(shù)字輸入通道；數(shù)字I／O最大時(shí)鐘速率為10MHz；有2個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器。該采集卡在高采樣頻率下具有相對(duì)較高的采樣精度。

科研實(shí)驗(yàn)的故障診斷實(shí)驗(yàn)研究的人機(jī)交互系統(tǒng)采用Lab VIEW軟件編制。人機(jī)界面主要包括柴油機(jī)性能參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、曲線及圖形顯示、程序調(diào)用和畫面切換等功能。故障診斷實(shí)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況可以參考文獻(xiàn)［13－14］。

3.2 科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

通過(guò)人為制造故障等手段，可以在故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)中設(shè)置單缸斷油、進(jìn)排氣系統(tǒng)堵塞和氣閥間隙過(guò)大等多項(xiàng)故障，可以進(jìn)行柴油機(jī)燃油系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)等方面的故障診斷實(shí)驗(yàn)研究［15］。利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可開展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等故障診斷技術(shù)的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷實(shí)驗(yàn)研究［14］。后續(xù)還可利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展柴油機(jī)活塞環(huán)漏氣、拉缸等故障機(jī)理和診斷技術(shù)的研究。

4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

4.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互系統(tǒng)

相比較于科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在參數(shù)采集數(shù)量和采集精度方面的要求要低一些。教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡采用造價(jià)相對(duì)較低的研華、阿爾泰等公司的產(chǎn)品。選用阿爾泰公司的PCI2006采集卡獲得高速信號(hào)，該采集卡為PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，具有32路單端或16路雙端模擬輸入通道；模擬輸入電壓為：±5V、±10A／D；分辨率為14bit（16384）；A／D采樣通過(guò)率為400kHz。低速信號(hào)采用研華公司的PCL－813B采集卡，該采集卡具有32路單端模擬輸入通道；模擬輸入電壓為：±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V；A／D分辨率為12bit；A／D采樣通過(guò)率為25kHz。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互系統(tǒng)是根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的。為了便于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的修改完善，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)劃分為程序初始化、柴油機(jī)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)選擇等幾個(gè)功能模塊。教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后開始程序初始化，之后可以進(jìn)行柴油機(jī)監(jiān)控及報(bào)警程序設(shè)置，主要是設(shè)置部分柴油機(jī)測(cè)量參數(shù)報(bào)警值的上下限。也可以對(duì)監(jiān)控及報(bào)警程序進(jìn)行缺省處理，在程序初始化后直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要包括參數(shù)測(cè)量通道和量程配置、數(shù)據(jù)采集設(shè)置、參數(shù)顯示方式設(shè)置和圖形界面設(shè)置等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)設(shè)置完成后即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇模塊。目前利用柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)了柴油機(jī)性能指標(biāo)測(cè)量分析、柴油機(jī)綜合示功圖分析、柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷等幾個(gè)本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4.2.1 柴油機(jī)性能指標(biāo)測(cè)量分析實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行柴油機(jī)有效指標(biāo)、性能指標(biāo)、機(jī)械效率等常規(guī)性能指標(biāo)的測(cè)量分析。柴油機(jī)性能指標(biāo)是標(biāo)示柴油機(jī)性能的主要參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解柴油機(jī)性能指標(biāo)的實(shí)際意義，了解和掌握柴油機(jī)性能指標(biāo)的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)主要步驟：首先根據(jù)性能指標(biāo)的理論計(jì)算公式選擇需要測(cè)量的參數(shù)；然后對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行配置，在輸入?yún)?shù)欄中輸入需要測(cè)量的相關(guān)參數(shù)；之后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”按鈕，采集程序開始記錄并顯示各個(gè)參數(shù)的變化過(guò)程。采集過(guò)程結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)操作界面會(huì)顯示各個(gè)性能指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果和變化曲線，也可以通過(guò)“打印”按鈕將需要的數(shù)據(jù)和圖表打印出來(lái)。

4.2.2 柴油機(jī)綜合示功圖分析實(shí)驗(yàn)

柴油機(jī)綜合示功圖分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括柴油機(jī)示功圖、柴油機(jī)缸內(nèi)壓力變化曲線、高壓油管壓力波變化曲線和針閥升程變化曲線等測(cè)量?jī)?nèi)容。繪制柴油機(jī)綜合示功圖是研究?jī)?nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的重要方法，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以學(xué)習(xí)測(cè)量柴油機(jī)示功圖的基本方法，分析柴油機(jī)工作循環(huán)的不同階段缸內(nèi)壓力、高壓油管壓力和針閥升程變化過(guò)程，掌握柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)研究的基本方法。實(shí)驗(yàn)主要步驟：首先配置數(shù)據(jù)采集通道，設(shè)定通道總數(shù)和通道次序；然后設(shè)置柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣循環(huán)數(shù)、采樣間隔角等參數(shù)；點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”按鈕開始自動(dòng)測(cè)繪柴油機(jī)示功圖、柴油機(jī)缸內(nèi)壓力變化曲線、高壓油管壓力波變化曲線和針閥升程變化曲線等圖形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)和圖形都可以保存和打印。

4.2.3 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷

柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷實(shí)驗(yàn)是供學(xué)生選作的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)在前面2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。實(shí)驗(yàn)主要步驟：（1）采用小波分析方法，提取高壓油管壓力波變化特征值；（2）對(duì)提取出來(lái)的特性值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和歸一化處理，形成可供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷使用的樣本集；（3）選擇故障診斷使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層數(shù)目，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值學(xué)習(xí)速率、尋中心學(xué)習(xí)率、閾值學(xué)習(xí)速率等參數(shù)，選取目標(biāo)誤差，確定最大學(xué)習(xí)次數(shù)、動(dòng)量因子等參數(shù)；（4）開始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)觀測(cè)診斷過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)次數(shù)、診斷誤差等參數(shù)的變化情況；（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及診斷精度分析，圖表打印等。

5 結(jié)束語(yǔ)

整合柴油機(jī)故障診斷科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)與本科生柴油機(jī)綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，采用“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備共享，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相分離”的設(shè)計(jì)思路建立柴油機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)僅需做微小調(diào)整甚至不需要調(diào)整就可以開展不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間的快速轉(zhuǎn)換。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中共享的實(shí)驗(yàn)設(shè)備占整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備總投資的90%以上，實(shí)現(xiàn)了資源高度共享。在資源整合的基礎(chǔ)上，將柴油機(jī)方面的部分科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，使本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠在一定程度上體現(xiàn)學(xué)科研究的前沿內(nèi)容，有利于學(xué)生獲得先進(jìn)的科學(xué)知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)室資源整合、教學(xué)科研相融合的做法，對(duì)于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)資源共享和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)都大有好處，需要我們不斷地進(jìn)行探索與實(shí)踐。

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［1］侯震，張潔.挖掘整合實(shí)驗(yàn)室資源，開發(fā)綜合型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（3）：162－164.

［2］詹福建，許可，張東方，等.整合資源，優(yōu)化資源共享，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室全面開放［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（11）：343－345.

［3］馬宏圖.開放實(shí)驗(yàn)室促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（5）：135－137.

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