船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究

王 粲，楊子航

(長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710018)

0 引 言

在脈沖負(fù)載狀態(tài)下，為了保證船舶柴油發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量需求和安全穩(wěn)定運(yùn)行，柴油發(fā)電機(jī)組均存在過(guò)度配置的現(xiàn)象，造成了資源的大量浪費(fèi)。研究并分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，可有效確保船舶航行的安全性和穩(wěn)定性。

李園園在耐熱性、環(huán)境可靠性和耐久性等方面對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性展開(kāi)研究，該方法無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存在狀態(tài)檢測(cè)精度低的問(wèn)題。魏娟等分析了發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的散熱機(jī)制和內(nèi)部生熱機(jī)制，通過(guò)數(shù)值模擬方法獲取柴油發(fā)電機(jī)中存在的主轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的三維溫度場(chǎng)，以此為依據(jù)構(gòu)建極限狀態(tài)函數(shù)，分析柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，該方法的可靠性分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符，存在可靠性分析精度低的問(wèn)題。為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究方法。

1 柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其運(yùn)行可靠性指標(biāo)

1.1 柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定是通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)控制的，具體過(guò)程如下：

1 柴油發(fā)電機(jī)的阻力矩在負(fù)載增加的情況下不斷增大，此時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)有所減小，油門(mén)開(kāi)度在調(diào)速系統(tǒng)控制下逐漸增大，因此耗油量也有所增加，在此情況下柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，完成發(fā)電機(jī)的增油減速調(diào)節(jié)。

2 柴油發(fā)電機(jī)的阻力矩在負(fù)荷減小的情況下不斷減小，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)急速增高，在此條件下調(diào)速系統(tǒng)對(duì)油門(mén)開(kāi)度展開(kāi)控制，使其減小，進(jìn)而減少柴油發(fā)電機(jī)的耗油量，完成發(fā)電機(jī)的減油增速調(diào)節(jié)。

負(fù)載的突減或突增是目前大部分柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載變化研究方法的主要研究?jī)?nèi)容，針對(duì)連續(xù)脈沖負(fù)載的相關(guān)研究較少。在連續(xù)脈沖負(fù)載狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)的工作周期極短，因此對(duì)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性分析過(guò)程中，需要特別考慮連續(xù)脈沖負(fù)載狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)的工作周期。

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

PID控制方法是轉(zhuǎn)速器中用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速常用的方法，用()表示其傳遞函數(shù)，表達(dá)式如下：式中：K為 微分系數(shù)；K為 積分系數(shù)；K為比例系數(shù)。

2）油門(mén)執(zhí)行器

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸?shù)讲裼桶l(fā)電機(jī)的油門(mén)執(zhí)行器時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛烷T(mén)齒條的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的油量。油門(mén)信號(hào)輸入執(zhí)行器中獲得油門(mén)齒條在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的位移，油門(mén)執(zhí)行器按照一定的比例放大處理輸入的電信號(hào)，可見(jiàn)其視作慣性環(huán)節(jié)，油門(mén)執(zhí)行器在脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的傳遞函數(shù)如下：

式中：為 增益系數(shù)；為執(zhí)行器在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的時(shí)間常數(shù)。

3）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

汽缸受到油門(mén)的供油后，控制曲軸連桿機(jī)開(kāi)始做功。送油量為氣缸的輸入，其輸出為燃燒動(dòng)作產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)上述分析可知，氣缸在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的燃燒做功屬于慣性環(huán)節(jié)，其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)可以表示為：

式中：為 增益系數(shù)；為時(shí)間常數(shù)。

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)Fig. 1 Diesel engine and speed regulating system

發(fā)電機(jī)排出的廢氣輸入增壓器中，增壓器壓縮處理輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的整體輸出功率。增壓器在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)中的傳遞函數(shù)如下：

式中：為增益系數(shù)；為增壓器在柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的時(shí)間常數(shù)。

1.2 可靠性指標(biāo)

在船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上選取如下指標(biāo)對(duì)船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性展開(kāi)分析。

1）強(qiáng)迫停運(yùn)率

式中：F為發(fā)電機(jī)強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間；S為發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

2）啟動(dòng)率

式中，C為啟動(dòng)成功次數(shù)。

3）可用系數(shù)

式中：P為統(tǒng)計(jì)期間小時(shí)；A為可用小時(shí)。

4）平均無(wú)故障可用小時(shí)

式中，N為強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)。

5）不可用系數(shù)

式中：P為計(jì)劃停運(yùn)小時(shí)；M為維護(hù)停運(yùn)小時(shí)。

6）平均計(jì)劃停運(yùn)延續(xù)時(shí)間

式中，N代表的是計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)。

7）計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)

2 柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究

根據(jù)上述可靠性指標(biāo)建立船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)特征矩陣為：

式中：c=(,,···,c)為特征矢量；c 為在第個(gè)時(shí)刻第個(gè)可靠性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的幅值；為狀態(tài)矩陣中存在的特征數(shù)量，即可靠性指標(biāo)的數(shù)量；為特征矢量的數(shù)量。

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究方法通過(guò)核主成分分析方法獲取的子空間。矩陣根據(jù)非線(xiàn)性映射 γ(·)轉(zhuǎn) 變到高維特征空間中，上述過(guò)程可通過(guò)下式描述：

船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征矩陣在特征空間中的協(xié)方差矩陣可通過(guò)下式計(jì)算得到：

用表 示特征矢量，用μ表示特征值，兩者之間的關(guān)系為 μ=。 特征矢量在特征空間中可利用線(xiàn)性映射 γ ()描述：

式中： β=(β,β,···,β)代表的是權(quán)重矢量。結(jié)合上式計(jì)算結(jié)果獲得核主成分特征值：

式中，為高斯核函數(shù)。

在上式的基礎(chǔ)上獲得正交基矢量 ξ=/||||，選取特征值較大的正交基矢量建立狀態(tài)子空間：

式中，為子空間對(duì)應(yīng)的維度。

通過(guò)上述過(guò)程，建立待評(píng)估的發(fā)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)子空間和正常狀態(tài)子空間：

式中： γ()， γ ()均為船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征矩陣；χ，η分別為上述矩陣對(duì)應(yīng)的權(quán)重矢量，=1,2,···,，=1,2,···,。

令=min(,) ， 奇異值分解內(nèi)積矩陣，獲得個(gè)船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)特征值 λ,λ,···,λ，特征值對(duì)應(yīng)的反余弦值即為子空間基矢量之間的主夾角為：

2個(gè)子空間之間的相似性隨著主夾角?的 減小而增大，利用主夾角分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性為：

可靠性在區(qū)間[0,1]內(nèi)取值，可靠性的值越大表明船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性越高。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究方法的有效性，需要對(duì)其展開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

檢測(cè)船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)是對(duì)其可靠性研究的關(guān)鍵。采用本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

可知，所提方法可精準(zhǔn)的檢測(cè)船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、頻率、A相交流電壓和直流側(cè)電壓，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果存在偏差。因?yàn)樗岱椒ń⒘舜懊}沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)模型，利用該模型獲取船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果的精度，為其運(yùn)行可靠性分析提供可靠依據(jù)。

圖2 不同方法的發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果Fig. 2 Generator state detection results of different methods

采用本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法檢測(cè)上述柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，測(cè)試可靠性分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的可靠性分析結(jié)果Tab. 1 Reliability analysis results of different methods

可知，隨著使用年限的增加，船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的可靠性逐漸降低，本文方法的可靠性分析結(jié)果與實(shí)際值相符，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的可靠性分析結(jié)果與實(shí)際值之間存在誤差。通過(guò)上述測(cè)試可知，所提方法可精準(zhǔn)的分析船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出船舶脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性研究方法，該方法根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型選取可靠性指標(biāo)，以此實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性分析。經(jīng)試驗(yàn)證明，本文方法可準(zhǔn)確分析發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性，為船舶運(yùn)行提供安全保障。