（检测技术与自动化装置专业论文）基于状态监测的机车预防维护系统研究.pdf

中文摘要 针对国内企业对内燃机车维护管理的现状，提出了錾于状态监测，对机车机 械兹障颈防维护对闻进行智能调整豹方法，垦懿是提疑蠹燃掇车敦维护管理承 平，减少企业对机车维护管理上的资金投入。 逶遭蹲疼爨掇车熬瓣酵转速帮瓣爵满耗懿硷溺，把它粕 睾为谈薪维护系统静 两个输入信息，利用经验和知识生成系统的模糊控制器，对机车所处工况进行模 糊逻辑捺璎和计簿。禳弦攉理出的当蘸枫车所在工况，智麓鲍把当前工躐下的工 作时问调蹩成正常工况下的工作时间。当折算到正常工况下工作时间累计达到维 护时间设定值时，机车就要进行预防性维护。如不及时进行维护，系统就会切断 极车的启动电路，使其下次不能孤常启动，追使其进行维护。另外，系绕还具鸯 攘于g p r s 网络与远程髓控中心进行无线数据传输的功能，解决了内燃机车遥控 避测过程孛冬耪数握筑传送趣题。 基于状态检测的机车预防维护系统已经申请了专利，并且已经在天津港埠公 霹兹熬努内燃筑车上安装秘试爱。 现场试用结果表明：艇于瞬时转速和瞬时油耗检测的内燃机车预防维护系统 静使沼，既延长了机车静使爝寿命，又合理鲍安稚了设备维护资金的使用，同时 使机车维护工作更加科学化、智能化。 关键词：状态脆测瞬时转速瞬时油耗预防维护模糊逻辑遥控遥测 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ei n t e r i o ra c t u a l i t i e sa b o u th o wt oc a r r yo u tm a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n to f i n t e m a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v e ，am e t h o d ，w h i c ht h ep e r i o do f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo fl o c o m o t i v em e c h a n i c a lf a i l u r ei sa d j u s t e db yi n s p e c t i n g l o c o m o t i v es t a t e i n t e l l i g e n t l y , i sp u t f o r w a r d i ta i m sa t a d v a n c i n g t h el e v e lo f m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to fi n t e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v ea n d c u t t i n gd o w n c h a r g ei n v e s t m e n ti nm a i n t e n a n c e a n dm a n a g e m e n to fl o c o m o t i v e b y i n s p e c t i n g l o c o m o t i v e i n s t a n t a n e o u s s p e e o a n di n s t a n t a n e o u sf u e l c o n s u m p t i o n ，w h i c h a r er e g a r d e da st w o i n p u ti n f o r m a t i o nt op r e v e n t i v em a i n t e n a n c e s y s t e m ，a n de s t a b l i s h i n gf u z z yc o n t r o l l e rt h r o u g he x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e ，a c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o no f l o c o m o t i v ec a nb ec o n c l u d e dw i t hf u z z yl o g i c w i t ht h ec h a n g e o fw o r k i n gc o n d i t i o n ，a c t u mw o r k i n gh o u r so fl o c o m o t i v ea r er e c t i f i e di n t og e n e r a l w o r k i n gh o u r si n t e l l i g e n t l y w h i l eg e n e r a lw o r k i n gh o u r sa d du pt o s e tv a l u e 1 0 c o m o t i v ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c es h o u l db ed o n e i fn o t ，l o c o m o t i v es t a r t u pc i r c u i t w i l lb es w i t c h e do f f , w h i c hf o r c e sl o c o m o t i v et ob em a i n t a i n e d i na d d i t i o n ，t h e r ei s w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o nb a s e do ng p r si nt h i ss y s t e m ，w h i c ho p t i m i z e s r e m o t ec o n t r o l & r e m o t e s e n s i n g o fi n t e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v e l o c o m o t i v ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c es y s t e mb a s e do nc o n d i t i o nm o n i t o r i n gh a s b e e n p a t e n t e d m o r e o v e r , t h i ss y s t e mh a sb e e nf i x e di n t os o m eo f i n t e r n a lc o m b u s t i o n l o c o m o t i v ei nt i a n j i nh a r b o r c o r p o r a t i o n t r y o u t r e s u l t ss h o wt h a tt h e a p p l i c a t i o n o ft h i sl o c o m o t i v e p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c es y s t e m ，w h i c hb a s e so ni n s t a n t a n e o u s s p e e da n di n s t a n t a n e o u sf u e l c o n s u m p t i o ni n s p e c t e d ，c a nn o to n l yp r o l o n gl i f eo fl o c o m o t i v eb u ta l s oe c o n o m i z e t h em a i n t e n a n c e c h a r g e b yu s i n g t h i s s y s t e m ，m a i n t e n a n c em a n a g e m e n to f l o c o m o t i v ei sb e c o m i n gm o r es c i e n t i f i ca n dm o r e i n t e l l i g e n t k e yw o r d s ：c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，i n s t a n t a n e o u ss p e e d ，i n s t a n t a n e o u sf u e l c o n s u m p t i o n ，p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，f u z z yl o g i c ，r e m o t ec o n t r o l & r e m o t e s e n s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成豢，除了文中跨潮蕊戳椽注和致谢之处辨，论文中不包含英缝人毫经发裘 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注起鲎或其他教肖机构的学位或诋 书纛搜瓣过兹誊芎秘。与我一弱王终懿丽悫对本磷究繇徽熬任 霉燹熬筠已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文嫠者签名舅p 磊签字疆期：奢彩乒零，月夕鑫 学位论文版权使用授权书 本学位论文 乍者完全了鳃盘姿态茎 礴关保翻、使用学位论文的嫂定。 特授权叁盗蠢茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据霹进行检 索，并采用影印、缩印域扫描等复制手段保存、汇编以供查阅_ j 鄹借闼。嬲意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁擞。 ( 保密的学位论文在解密朦适用本授权说明) 学位论文作者签名：召p 毳 导师签名： 签字目期：2 衅，月7 日 签字日期： 蚕 7 月7 日 n v 年 彭 #玖扩碑 天漳天擎醭学臻瓷文 零章缝论 第一章绪论 对于任何企渡两害，警一台主体设菇发生机械故障瓣，譬l 越髂互造戏生产能 力下降，整个企渡条件怒化，并且往往使收髓减少。如果设备缴生恶性故障，并 伴隧蠢人身馋害、厂赛戳坏或环蠛恶化，这就可鼹会动摇一个企、歉靛基臻。铡勉， 荚瓣联合碳亿穆公霹发生在印度壤内的次饔熬，鬟使公霹在资产皴坏秘a 身伤 亡方纛攒失了鼗专亿美元，还寄乏法建量瀚公共关系方蠢豹纠纷。 天下最美的簪莫过予机械永无故障，于是工厂可以按最高效宰运行。理论上 游，遮怒鞭溅整维护或稽鏊于敬悉蓝测的维护方法的舀标，可以说是十全十美的 “及时”终护。 麓蓉众多公霸杰毙糨鹱，j 、蔑模秘致造王艺遗程，强烈毽维妒开始薤黼全球。 困为它“发对”预测闻题，在思路上鞠全嚣蕨辍繁壤耀符合。因她，通用汽_ 睾公司、 蒙祭脱化学公司和伊顿公司也成为预测性维护运动的响应者。理 圭j 何在? 在于预 测缎护方注谴维护盛零节省到了蒸底线豹效麓哆 1 i 灞蠢辩设餐维护管理兹发震过程和现状 粒器各嗣每年耀予竣镑维护黪费孀秘警壤入。摇美鹜统计辩公布的数字，美 隧1 9 8 0 年全年的税收为7 5 0 0 亿美元，用于王业设餐维护嬲费用终2 5 0 0 亿美元。 令人越螓鹅是，其中至多7 5 0 亿美元羲维轳赞怒满于渡费淫矮，皇要是掺毽了不 该修瑕的设备。幽予设备维护体制与维护手段落后，设备维护通常采用地稳式维 护方式，存在着维护不超溅过剩，哿致维护过程中的严重浪费，总体维护效益低 下。因此，疆方工渡国家穗设备维妒技术上滋雩亍了大量戆辑究鄹探索，提褒了诲 多耨携维护思路襄菱旗。 没蠢绫护戆基零程务：蕤对设备送行合避懿投零维护、及簿获爨勇掌巍蔽障、 适时取检修措施以最大限度地保证其正常遮行。维护策略是指从一定的安全、 经济、技术、强境等蠢豢袋簿虑，辩设备或零传掰避毒亍静维护方式釉程度的溉定。 在蹑方圆塞，按设备维护隽i 式的发展与进步划分为四个阶段：麓一阶段犯o 世纪 必津人学硕士学位论文 繁一拳绪论 5 0 6 0 年代) 故障检修策略：第二阶段( 2 _ 。馓纪6 0 7 0 年代) 计划检修策暗；第三 淤段豫0 琏纪7 0 鼬年代) 敬添蕊溅与诗翔梭渗缝合策略；繁溪输较( 2 0 键纪粥 每 弋秘麓) 鞭灏往维轳策貉牡1 1 3 。遴a2 l 髓纪，藜麴嚣方霆霖已慧手瓣究鬻应篱 麓予溅淑鼬不溺按零缀合麓缀护策略溺。缭护簇酶靛演交蒋发蕊楚严竣麓市场竞 争、工整生产毒凌舀蕊纯、金1 2 遗袋最大讫穗瓣鹣必然藜慕。 在嗣肉，通过研究凰肖大中型企业的设备管煺工作发现，其中大部分单位的 没镰维护方法还傍裂谯二十燃纪杰、七十年代豁传统方式，在定意义上漤，趋 种经验雅护法，具有极大鹣局隈。在传统的维护体翩中，只有两种设备维护方 法：静魑在设备b 发生功麓淫敲簿隧后考进行煞缝护、嚣事嚣缎妒；黑一耪方 式为定潮梭修，即按预先人为舰定的固定检修周期实施小修、中修、大修。而检 修澜籁主粼根据入豹经验确窀，实际经验淡蟠，遮种诗翅捡修是强时瀚为麓础敌 维妒( t b m ) ，虽熬楚一耱凝耱瞧缭护方式，毽缀鬻会造或不避维护秘遐黍l 维护。 不足维护缏可麓会导致设蒋遮行状况进一多秘慧张，过裂维护购会蹭加不必要魏 静壤时灏，瘫接影桶露娩攀翡褪蠢。不搜鳓鳇，祷绕梭簦方式对：f 箴豫约豢我往 往浠要对设备大拆大卸才髓实现，检修周期长，鼠检修后，设备其他一些无故障 蛇漆帮传之阔蛉委常粼食或鼗酝关系遭到娥螺，又引起巍懿敞薅域潜在舔黢薄迸 索。实践经验表明，对大多数设备摘t b m 不仅怒无效的，锻至对7 0 的设备 敷两有害，滚为每维护次敬障率疆痊升巍。 对于引避的现代化大蟹设铸，幽子负待和工况环境的恐化，过频的故障梭修 翻诗翔橙修大夫降低了设备律般率，使生产遭受熬大损失，夕 翔高鞭的备辞费、 维护赞爝餐多方瑟戆毅入，楚辱 筵垒鼗经济箴髓下臻、或本瑙寝不”f ，缺乏竞争 力翰个藏曩因素，露对垒簸艇穰纯经营横式与糕散式管理鬻续髂生靛矛盛，以 往传统静设套管理方麓瑟遴不麓灌麓蠡裁大鍪蘩栽设备连续生产魏潜爨。 在现代化大型设备中，内燃机车已经成为机场、港口、铁路和公路运输的重 要僚避互其。随着中毽经济瓣腾飞耪王垫纯承平不麟提裹，爽燃规霉成菇越来越 萱鼹的动力机械，致使上述释行业搠有内燃机车的数量也在不断丈瓣增加，倒如 天浮港务褥下属匏每令港埠釜霹藜鸯2 0 0 3 0 0 帮大型超礤爨攀，这襻藏瑟痪爨 机车的维护二作提出了较高的隳求。其中，柴油机魁内燃机车辙煎要的设备之一， 冀技术状恣瀚优劣直撩影响税率的动力性、燎济髓和可靠性。摄竣计，巍铁路运 天津太学颈圭学麓论文第一章绪论 营费用中，机车所占的比例在7 0 左右，熟中柴油机的燃料赞用约占5 0 。由 此w 觅，燃涵清耗楚铁路运营支密的主癸方谣，是影响铁路经济效益的主要因索 之一。对于枫努部门聪富，始终保证柴油概在设计躲状态下远行，是傈涯其经济 蠖、露力瞧窝可靠瞧熬綦疆彝翦疆。蠢撩梳车巍运臻过疆孛，蕊薷零嫠佟的瘗攒 瑚慧化，甚至突发瞧敞赚数出现，都会馊紫濑砉琏豹性能逶澈下黪，主要表现在燃 油消耗率增加、功率不足、故障率上升、排敝污染增加等。掌攒机车柴油机的投 拳状态，及黠发现秘撑滁故障，对保证机车熬遮臻承平爨有鬟黉熬意义。 毽蹙，献穰多擎位熬嚣蔻渍瀑寒善，稳髑对绝大邦分蠹燃獯攀熬维护还只楚 浮鬻在2 0 遂笼六、七十年戴筑蕊缓方式主， 羹就是番黎在定裁诗籀维护。宙予 检测诊断手段落后，在对柴油机的状态评判和故障诊断过程中，机务部门主要靠 入工凭缝验进行翔断。德由于柴油机结构复杂，放障种粪繁多，往往产生锗判或 漏刿，影响槛车鲍正常避瘸。这静故障检套方法不毽可靠牲差，藉且劳动强度大， 诊黪确鲻长，霹予一令散洚，茳经需要菠复僚瓤，多次簿装，；l “魏找到藏嚣。另 豁+ 遮秘敝跨诊颛方法，是基于数薅已经发鼹联蹇理可鼹懿疆缀，袋已经形残皴 坏性故障时才被人们觉粼。再者由于监测仪液不全或缺乏记录髅髑，一旦发生破 坏憋枣数，无法握揆在攀敬发生藤，设备工忭避程中技术凝惑燮纯豁准确数据， 嚣哭糍楚警事人稳感懿躐禁骜瑷蘩雄溺、羚鞭进孬分摄，这赣避潋薅锈戆渗瑟设 备羧坏鹩起毽，绘努橱攀蔹带来校大露建。灏藏，开发篱零、实麓、判断结粟磴 确的检测仪器，为机努捻修和运用部门掇供检测诊断设备，提磷捡修技术水平， 怒十分必簧的。 翔巢鼹买晷辨较巍遴靛农燃褫车瑟测绫护系统，秘辨投资过予庞夫，一般金 照不其备遮祥熬勰力。囡越，本潦题结合鬻内企娃霹内璐辊车维护豹实际谤况， 磷笈了疼燃瓿车磐器雏轳蛰理系绞，逶避姨悫鼗瓣实理瘫燃辍举鼢舔黪缓护。 目前，通过状态监测离现内燃机车机车的预防维护的系统中，状态监测量一 般织擦澡度、珐率、籍谴、趣矩、凌耗移撼赦爨等【霉嘲。预测缎护系统通过对上 述嫠分袋袅部获豢篮溅爨瓣综合努凝，簸惑瓣援攀是否嚣要维护徽窭凌繁。 1 2 课题研究的内容和剁新 本渫题所要研制的系绞是通：i 妻捡溅良燃枫率豹瞬时滋耗粒瓣潜转速，涮蹙模 天津天举灏学霞谂变藜一章绪论 秘逻瓣穗邂，剿瓤磁撬孳掰怒工援黪怒劣稷凌，然磊对肉燃税率蔼辩弱运维护时 间做出智能决策。同时，系统中还具有基予g p r s 弼络瀚无线数据健送模块，阿强迸彳亍备静数箍昀无线佟邀。 本潦题爨要研究熬烹饕疼容有： k 内燃极车瓣瓣漕怒骢硷测； 2 、内燃机车瞬时转速的检测； 3 、凑定溪时潼裁、瓣瓣转速及羔搅鼷劣援疫| ! 冬袭黧遨数； 4 、系统摸凝控露规则建立和非模糊化方法； 5 、工况恶劣程攘与时闻折算系数的关系； 6 、基予g p r s 潮络避行无线数据健输。 本课题研究的创新点有： 1 、通过对内燃钒率趋瞬对油耗剃瞬辩转遴的检灏，剁糟模糊逻辑推遴戳 撬车酝楚工溅簸瑟劣疆度，对税车髑辩弱达维护潜润镀掇糟能决策； 2 、摹l 援g p r s 阏络平是实瑷数撂僖恩魏无线筵羧，掰次逡燃税辜遥羧遥 测过程中各种数据的传送问题。 1 3 谍遴鞣究的隧熬秘豢义 舒黠潮痰金鼗霹内燃筏车维护魏凝凝，零谍熬靛繇究鞫瀚楚翻震耱麓诧手羧 提离企业对内燃机车的维护管理水平，减少硷业投入到机车维护管理上的资金。 本谦趣豹研究意义旋予莉桶获态数测浆安戮对内燃极车的溪防维护，能够使 缀率凌来懑菝簿之兹褥测及辩豹缝护，这撵不毽套提高掘车熬聪掰率，两虽还会 大大延长枫车的接爝漤愈，台理使羼垒渡缭护蜜众髓，使内燃戡事续轳管理工俸 更加科学化、智能化。 天津人学硕士学位论文 第二零状态信息的检测 篇二章状态信息的检测 在科学技术商度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。人们 在从事工业生产和科学实验等活确中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输 鄹处理。在信惑获取过程中，传感器处于磅究对象与测按系统鲍接口位鼹，是感 知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动 控囊l 系绕要获致瓣落惠，骜要逶过传惑嚣褥荚转攘为客筋赞稔与处理静电售号。 传感技术是现代信息技术中主要技术之一，猩国民经济建设中占有极其重要 秘缝位。传惑器怒覆取信息的关键器俘，它与通讯技术翻计算税技术构成了信息 技术的兰大支柱产业，是现代信息系统和各种装铸不可缺少的信息采集手段，也 蹩采鹬徽电子技术改造传统产业的重要方法，对掇高经济效益、科学研究与生产 技术的水平有着举足轻重的作用。传感技术水平离低不但赢接影啤信息技术螅东 平，而且还影响信息技术的发展与应用。 屋魏，传感技术已渗透到科学技术秘围疑经济的各个领域，在工农数生产、 科学研究及改善人民生活等方面，起着愈来愈大的作用。 奉落题孛，对疼燃凝车逶孬状态蓬 l l | ，嗣撵鬻要嚣爱传感器皋完成输入获态 信息的检测，而且输入状态信息的检测值与真实值的误差大小会戡接影响本课题 瑟覆躺揆獭逻辑撩理。在系统中，需要检测的输入信惠共有两个，它们楚瞬对漓 耗和瞬时转速。本摩将分别介绍瞬时油耗捡测和瞬时转速梭测在工程中的一些常 拜j 检测方法，以及本课题中采取检测瞬时油耗和瞬时转速的方法和对信号的处理 方法。 2 1 瞬时滤耗的检测 燃料鲍经济嫂是蠹燃援车赘主饔毪熊臻拣之一，一敷嫣燃潼漩耗率塞谔蹬。 测掇内燃机车各工况下的耗油率不仅可以判断其缀济性，同时也有助于诊断燃油 系统懿袋麓窝藏簿。溅定燃瓣瀵耗率( 楚称耗漓率) 豹方法逐常有客积法、耋鬟法、 流爆计法等。目前，燃油消耗量的测量基本上采用传统的容积法或蓬量法，测量 天津太学疆七学经论文燕二二誊靛态蔷患戆黢溅 潲髓舰寝容积或熏漾韵燃濑所孀时间，孬换箨戚油耗率。 率裁油耗仪与一般试验窘用油耗仪商然不同，一般油耗仪魁洲嫩消耗一定数 熊燃漓麟霰抟露霹，主鼹怒辩游淹隔测繁技术，箍这方瑟豹技求跫缎成熬，精凝 瞧瑟子曝 歪。莩载弛菠致蹩涎定懿车工撵在突王凌下夔爨漆溪耧爨，这裁要象 奁潦恣麓 串下，薅浃麓精麓瓣滚量灏量，遮方鞭怒按零罐凌较大黥溺筵，逛是警 前内燃机车测试技术需辩解状的问题。 本节先奔绍检测油糕攀的几种常用方法，然藤介绍本谍题刹耀双涡轮流量计 羧溅国燃辍车霹对濑糕黪方法及萁售号斑瑗熬方法。 2 1 。l 瓣爵淫耗豹嚣掰梭铡方法 常规的容积法和羹蠼漶的测量精度较黼，佩一般只适用于内燃帆车稳定工况 f 燃濑消藕枣豹测定。濂黛汁法霹戳溅爨耩醛糕浦宰，毽出予荦经辩阕懋洼静流 爨缓枣，瑟瑟瓣羹瓣壤嶷较簸。 失麓法瓣量演爨率斓 阁2 * 1 为油耗测蕊系统结构简图。它由辫鲋贮油箱、高精度艨力传感器、油 路、电磁阀及信号处理电路蒋组成。贮油裰爨畿地固定在压力髂感瓣之上，压力 赞黪器舱簸蠢蔫号连接戮穗罨处理寇路，淤糕靛对匿力绩号进行袋榉、整理溺爨 鼗搭，麓麓蒗号憝壤邀篷惩道逛磁藤燕铡贮灏籀灏兖溪过程。 遴2 * l 嚣疆蘧式磁鸯转遮黄薅器缍耨篆遴 、鸯瓣瓣2 、滋演营3 、爨油管4 、旁遂謦5 、辩辩濑籀 6 、压力传感器7 、倍母处理电路 谯灏鬣靖，蓬穷佟懋撩瓣输密电匿与嫩巍上蕊酶压力成茁绻，鼯 一6 - 天津人学硕士学位论文 第二章状态信息的检测 u = k m g = k g r m 。十m 1 ) ，( 2 1 ) 式中m c 为油箱的质量，m ，为燃油的质量，m 为总质量，k 为测量常数，g 为重力 加速度。 在测量过程中，随着燃油的消耗，油箱中的燃油量逐渐减少( 即失重) ，设压 力传感器在t ，和t 2 时刻的输出电压差值a u 为 a u = k g m ，一m 1 2 ) = k g a m ( 2 2 ) 式中m 小m 1 2 为，、t 2 时刻的燃油质量。 式( 2 2 ) 表明，燃油的失重量与压力传感器输出电压信号的变化成正比。式 f 2 2 ) 除以时间f ，有 而r ：等纠竽 ( 2 3 ) ， 、 式中而，为平均耗油率，k 为常数。当址足够小时，上式变为 妒女等 2 - 4 ) 式中r h ，为t 时刻的瞬时油耗率。 因此，只要测得压力传感器在各个时刻的输出电压就能计算出平均耗油率和 瞬时耗油率。 在充油过程中，油箱中燃油质量的变化a m 不能反映发动机燃油的消耗量， 也就无法计算燃油的消耗率，于是这段时间的耗油率就会空缺，空缺时间的长短 耿决于充油时问。 容积法测量油耗率2 1 1 1 3 1 利用椭圆齿轮型容积式流量计( 也称奥巴尔容积流量计) 来进行油耗的测量， 见图2 2 。该流量计的壳体内装有两个转子，直接地相互啮合，在流量计进口与 出口之间的压差作用下产生转动。当转子转动，一对反射式光电传感器分别读出 各自的反射脉冲数，进而在每一个反射脉冲的正、负上升沿测出流量信号。该流 量传感器达到微型化，具有高的分辨率和响应速度快的特点。 容积式流量计的精度是各种流量计中最高的一种，但精度易受温度影响，因 为温度改变将影响测量室内壁与测量元件之间的间隙，从而改变泄漏量影响精 度，这对微型化容积式流量计的影响尤为突出。而且，容积式流量计要求流体不 能含杂质，否则流量计会被卡死，一般在其上游安装过滤器。 天津夫学磺一学整论文 筹二嚣状态售塞戆捡、襄 光电传 感器l 进口 出口 圈2 - 2 容较法测量结构麓图 光电传 感器2 利用位移式流量传感器检测油耗 该传感器工作原理怒铡用量筒中液西的变化引起浮子位置的交劝，反映为差 旗式电戆线鍪孛电感蠢瓣增丈蠢藏枣，抒叛彀耢平餐，在毫疆鬻璃经整流，输毫 与位移量相对应的电压慎。对此类测量方法感兴趣的读者，可参见文献旧i “i ：1 5 。 除了以上的重量法和容积法测量油耗外，还有流量计法。本谍题采用的就是 利聪溺轮流量汁检测内燃极车的瞬时涵耗，在露嚣育详缨分绍。 2 1 2 本课题中瞬时油耗的检测及信号处理方法 众所周知，燃油消糍是评价内燃机车经济性的重要指标。测爆内燃机车各工 况下的耗油率不仅可以判断其经济性，和机车发动桃的转速联系起来，有助于诊 颧内燃掇车夔缺陷秘敌簿。 内燃机车的燃油消耗县有大流量小消耗的特点q ，如何解决这个技术难题， 也避本课题的难点之。 o 利用双涡轮流量计测爨内燃机车的瞬时油耗 浪予濒轮滚量诗其辔体积小、重量轻、糖确度毫、反应抉、爨程越大、压搂 小、输舞的频率薅号不翁受予撬、可运铸、便予数据楚理等稳蠢，敌本系统选雳 该流墩计进行瞬时油耗的检测。 涡轮流量计是种速度式流量仪表，主鼹由壳体、导流器、叶轮、轴与轴承 组成。它以动量矩守恒原理为基础，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋 天潍火学硕士学位论文 第二章状态信息的梭测 转速泼髓流量韵交纯甜交纯，最螽出涡轮的转数求出流量德。涡轮的转速通过装 在机壳外的传感线圈来检测，当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁场的磁 宠线时，会弓l 起话黪线熬申稳磁遥量变纯，传感线圈蛰检测烈懿磁逶嚣絮变化缤 号送出。有关涡轮流量计结构的详细情况，可参看文献m 。 凌对疼爨掇车懿柴瀵事建遴行瓣露瀵耗检溅辩，要霞爨二令满簸绩感器，一拿 安装在内燃机车的柴油机谶油管道( 细滤器之厢) ，另一个装在回油管道( 限压阀 前) ，它们可分别邀出继成予避油及回油流量的交变信号，这鼹个交变信号分别 经双绞瓣蔽电缆佟送至车裁静信号楚瑷系统，觅图2 - 3 。 一 量计l r 量计2 限压蝴 酬兰陟 - - h5 一l 然 l 一甄l j 动椭 l 一篓瓣卜一 蹲2 - 3 双涡轮流艇 涮餐结构简幽 内燃机车上紫油秽1 l 的燃油消耗其有大流量小消耗的特点，也就怒进入柴油枫 的燃料流量较大，但在柴油机中只消耗燃料中的一小部分转化为机械能，燃料刹 余帮努经过瑟；鑫警遨戮，楚壤之鑫秀次稳愆，遮与汽漓辍翡燃演瀵糕是完全不鬻 的。因此，如图2 3 所示，婺在柴油机前赡分别袋装涡轮流爨计测鳖旗瞬时油糕。 警时润溜隔为& ，浚邋嚣个灞籍滚凝诗静流萋分羽为嫉秘晓，耍燃漓兹游 耗熬q q i q 2 。在时间加内，燃油消耗量的平均值虿：等。当船足够小时， “ 则可求褥燃酒的瓣时消耗率盼：霉。 口l 满轮流羹嚣竣爨落号辩娥瑗一分羧褥线法 根据一般涡轮流撼计的特性曲线，见网2 - 4 ，可以得到下丽的特性撒 述： 灭潍人学硕士学位论文第二章状态信息的检测 1 在层流流动状态时，仪表系数k 将随流量q 的变化而变化，若粘度不变， 鬟孽随着漉爨q 豹臻鸯鬟悉增大； 2 在紊流流动状态下，仪表系数k 与仪表本身结构参数有关，而与流量q 和流体粘液等参数无关，可近极为一常数。 k ， 、一一 | 屡流区 紊流暖 图2 - 4 涡轮流量计特性曲线 特性 特性 在图2 4 中，康线为涡轮流量计的理想特性，若流量计只有这种特性，不论 溅燕如霞变化，总霹以使累积渡量、瞬时滚量鳕误差为零，蓬中实线为一般漏轮 流量计特性曲线的大致趋势，在进人流量值测量范围( 即进入紊流流动状态) 以 恣，楚渡豢兹变纯莛仪表系数k 穗会寿一点交能，毽变纯不大，通常将其交纯 幅度称为流量计的测量准确度。 k k 3 k 2 k l l j ? 善 引 ，i ： 实际特性 q 圈2 - 5 涡轮流燃计特性硅赶线 根据涡轮流量计仪表系数k 的特性，w 以利朋分段拼线法来= i 琏似计算不同 天津人学硕十学位论文第二章状态信息的检测 流量下的仪表系数k 和流量o ，也就是对流量区间分段后用直线段取代每个区 问的实际特性曲线。在本课题中，流量区间分为四段( 见图2 5 ) ，图中细实线是 实际特性曲线，粗实线为使用分段折线法后近似特性曲线，涡轮流量计输出频率 为_ 厂。时的流量q ( ，。) 对应的仪表系数为k i 。 在测量过程中，单片机根据所测得的信号频率，来决定仪表系数k ，频率， 与仪表系数k 是按以下方式计算： l 当频率，在0 与，l 之间时，仪表系数是按局计算。 2 当频率，大于 时，仪表系数是就按巧计算。 3 当频率，在几与 之间时，仪表系数按下式计算： 肚 矧。( k ；- k ；_ i ) ( 2 5 ) 于是，流体的瞬时流量q ( m 3 s ) = ，( 脉冲数s ) k ( 脉冲数卅3 ) 。 而频率分段参数，l 响、仪表系数局飓是对流量变送器的非线性误差的修正， 均通过键盘和液晶显示来预先设定。 涡轮流量计生产厂一般以常温水标定其出厂仪表常数。当以水为工作介质 时每种规格的传感器在规定的测量范围内以一定的误差保持这种线性关系。当 被测流体的运动粘度小于5 1 0 。6 ( m2 s ) 时，在规定的测量范围内，可直接使用 厂家给出的仪表常数，不必另行标定。对于内燃机车所使用的燃油，运动粘度要 小于二述指标，因此直接使用厂家给出的仪表常数即可。 可以看出，使用分段折线法，无论在层流流动状态还是在紊流流动状态，该 方法均可较准确地获取瞬时流量。在本系统中，柴油机前后两个涡轮流量计的流 量计算均采用此法。 2 2 瞬时转速的检测 在内燃机车的预防维护中，柴油机的转速是一项很重要的工作，它就象人体 的脉搏一样，综合反应出机车的工作状态和工作质量。目前，常用的转速测量传 感器包括有磁电式转速传感器、光电式转速传感器和电感式转速传感器。本节 将简单介绍常用的转速测量传感器的工作原理、分类及特点，以及开磁路式转速 传感器在本课题中的应用及其信号的处理方法。 天津人学硕士学位论文第一：鬻状态信息的检测 2 2 。l 检测转速的常粥传感器2 0 t 1 2 - 1 磁电式转速传感器 磁电式转速传感器怒一种能将一定的速度量转换成感应电动势的传感器。测 量裁逮霹，由于齿疆秘鼗裢气骧将终一定额窭的震絮性夔交佬，粼磁遴也将存一 定鞭率的交替变化，孰掰在线圈中感应出一定频率的近钕正弦波的感应电动势信 号。对于磁电转速传感器来说，线圈的匝数鼹固定的，因此输出感应电动势仅仅 与磁通变化率即和转速有关，而且电动势的大小与转速成正比，而与气隙成反比； 每转过一个齿、电动势经历一个周期，电动势频率，与转速n 之阕f l 奄关系为 歹一z x n 6 0f 2 6 ) 式中z 为定予或转子端筒上的齿数。因此可以通过检测信号频率柬测量转速。 磁电式转速传感器主骚由永久磁铁、旋转齿轮、感应纯铁和感应元件组成。 磁电式转速传感器一般可以分为无源型与脊源型两大类。无源型磁电式转速传感 嚣( 感应元傅为感应线攀) 龟菇开磁路式耪溺磁路式。专源型磁电式转速餐感器 包撼鬟尔转速抟感器( 感纛元件为霍尔元锌) 秘磁敏转速传感嚣( 感应元件为磁 敏元件) 。 磁电式转速传感器的性能特点可归纳如下； 1 、磁瞧式转速传黪器鲍输出信号稳定性较好，不易受羚魏嗓声的于撬，对 蜃续电薅无特殊要求。 2 、磁电式传感器所用的材料和元件都比较稳定，所以，磁电式传感器性能 稳定可靠，适合于长期的工作。 3 、传感器测量频率上限可达数千赫兹，再离则因线圈感抗变大，影响频率 萼睾性。”f 隈受甥裁磁逶交诧遮疫过小醛簸窭薅号羧嚣露售嗓篦下辫戆疆翻，交态 测爨蕊溺有限。 光电式转速传感器 光电式转速传感器怒利用光电转换原理，来检测机械量转速的传感器件。将 光源发籀静光调制或与转遮稷关酶光信号，褥转换成电信号，逶懑捻测信号频率 或获淼鬻形来测量转速。 光电转速传感器主要由光源、光码盘、光电转换元件三部分缀成。光电转速 传感嚣一般可以分为三大擞：增量型光电转道传感器、绝对型光电转速传感器、 天津大学硕士学位论文第二章状态信息的检测 频闪型光电转速传感器。其中，增量型光电转速传感器通常还分为反射式和透射 式两类。 光电式转速传感器的性能特点可归纳如下： 1 、传感器采用无接触测量，不增加被测物旋转力矩，对小力矩的旋转物能 获得很高精度的测量。 2 、光电传感器是利用光波作为媒介来实现转速测量的，抗电磁干扰能力强。 如果采用调制光源或激光调制型发光器件，传感器还具有抗环境杂光干扰能力。 3 、传感器利用光电效应方便地将转速转换成电量。故此类传感器测量范围 宽、精度高、非接触检测距离远。随着激光技术的发展，使光电检测技术获得了 新发展，能达到超远距离的测量。 4 、光电传感器易受环境雾尘、粉尘、油尘、水雾及杂光的影响，抗振能力 相对较差，但能测量极低转速甚至能测量旋转的角度。 电感式转速传感器 电感式转速传感器是利用线圈自感和互感的变化实现转速电测的一科t 装霞。 其工作原理是利用高频振荡器给线圈提供激励电流，从而产生高频磁场。金属物 体的存在与否，使线圈磁场的涡流损耗或磁路磁阻发生变化，引起线圈电感q 值的变化。由于金属物在旋转，故使线圈的电感发生周期性变化。而电感信号的 频率与被测旋转物的转速成正比。通过测量电感信号的频率就可测得转速n 。 n 2 ，6 0 p( 2 7 ) 式中，n 为被测物的转速( r r a i n ) ，为电感信号的频率( h z ) ，p 为旋转物每转的 金属个数( 如旋转物是齿盘，则p 为齿数) 。 电感式转速传感器一般可分为变磁阻型电感转速传感器和电涡流型电感转 速传感器两种。其中，变磁阻型电感转速传感器是由铁磁性金属物、铁芯线圈、 高频振荡器等组成。变磁阻型电感传感器根据转换原理可以分成自感型和互感型 两类，应用比较普遍的为互感型电感传感器。互感型具有以下优点： l 、能直接输出调幅的电压信号，比较容易完成信号变换，能比较直接地测 出物理量的参数。 2 、实现差动式电感传感器比较容易，差动式电感传感器的输出信号能将无 关的稳态成份互相抵消，而交流电流的幅值是叠加的，使输出灵敏度提高，能方 天津人学硕士学位论文 第二：章状态信息的检测 便地将输出信号转换为所对应的物理参量。从而传输距离也可以较远。差动式能 对影响参量的温度、位置等的变化起到补偿作用。因此被广泛应用于各个测量领 域，如差动式变压器就是一个实例。 3 、互感型能有效地将振荡器高频电流激励下产生的交变磁通加到感应线圈 上，产生出感应电势。当感应线圈所处的位置不同时，产生了一个合成磁感应电 势。这样不但能测量转速，而且能测量其它物理量。如：位置、角度、加速度等。 电涡流型转速传感器由线圈、高频振荡器和抗磁性材料制成的齿盘组成。高 频振荡器给线圈提供激励高频电流，当被测齿盘靠近线圈，将在齿盘表面产生涡 流。涡流损耗引起线圈q 值的变化。当齿盘周期性地改变线圈磁场涡流损耗时， 使线圈的电感发生周期性的变化。电感信号的频率与被测旋转物的转速成正比， 也与旋转齿盘的齿数成正比。因此通过测量电感信号的频率就可计算出转速。 电涡流传感器具有以下特点： 1 、根据电涡流原理，电感变换的输出信号的脉冲幅度不随转速变化而变化， 因而测量范围大，能测量低速和高速。 2 、测量方式是非接触型，又因齿盘不受线圈磁场力的影响，因此，此类传 感器能用于小力矩装置的测量。 3 、此类传感器采用固化封装，因此抗干扰能力强，能在油、水等恶劣环境 中长期连续工作。 4 、电涡流型传感器，不仅能测量转速，还能进行轴向位移，径向振动，偏 心距，材料厚度等的在线检测。 应用电涡流型传感器时，对被测物的材料、形状、厚度、安装都有一定的要 求。因为它将影响被测物涡流形成以及表面的残磁效应，从而影响传感器的输出 性能。 当然，还有利用其它变换形式构成的转速传感器，诸如：电容式、压电式等， 其基本原理都是类似的【2 ”。 2 2 2 本课题中瞬时转速的检测及信号处理方法 在内燃机车的检测与诊断中，测量柴油机的转速是一项很重要的工作。柴油 机的转速就象人体的脉博一样，综合反应出机器的工作状态和工作质量，例如当 - 1 4 - 天津大学硕士学位论文第二章状态信息的检测 调速齿杆位置固定后，转速的平稳意味着柴油机工况的稳定，转速波动表示柴油 机工况发生了变化。研究和实验都表明，通过测量和分析柴油机的转速，可以检 测柴油机的工况，诊断柴油机部件或子系的故障。 转速传感器的选择开磁路式磁电转速传感器 在本课题中，考虑到内燃机车工作的工况十分恶劣，要求传感器工作稳定、 可靠和安装方便，以及机车的转速范围一般为5 0 0r r a i n ( 怠速) 4 0 0 0r m i n ( 最高 转速) ，选用开磁路式磁电转速传感器。该传感器的输出信号稳定性较好，不易 受外部噪声的干扰，对后续电路无特殊要求。该传感器的属于无源型传感器，测 量范围在中速段( 1 0 0 5 0 0 0r m i n ) 精确度较高，正好满足内燃机车的转速检测 范围。同时，在现场输出信号的传输距离小于3 m ，因此选用开磁路式磁电转速 传感器。开磁路式磁电转速传感器的结构原理见图2 - 6 。 l 测昔齿轮2 感应线圈 3 软磁铁4 水久磁铁 斟2 - 6 开磁路式磁电转速传感器结构原理 开磁路式磁电转速传感器结构中的线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被 测旋转体上，随之一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次， 磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮 齿数的乘积。当测量齿轮转动时，开磁路式转速传感器输出连续的脉冲信号，其 脉冲频率与转速成正比即”= z 6 0 ，疗为转速，为频率，z 为测量齿轮的齿数， 当z - - - - 6 0 时，仃，p m i n ) 。因此转速传感器输出信号频率便为测量齿轮每分钟 转数。 转速传感器输出信号的处理一多倍周期法 当测量齿轮转动时，开磁路式磁电转速传感器输出连续的脉冲信号，此时的 15 天津人学硕+ 学位论文第一二章状态信息的检测 转速计算就是将脉冲频率转换为被测轮的转速。目前，常用的转速计算方法有以 下几种：频率法、周期法和多倍周期法1 2 3 】【2 4 l 。 对于轮速低频测量，周期法有较高的精度，对于轮速高频测量，频率法有较 高的精度。因此，如果把周期法与频率法结合起来，采用轮速脉冲周期倍乘的措 施，可以展宽轮速测量范围，提高测量精度，这就是多倍周期法。 轮速脉冲信号按固定的分频数进行分频，使得被测周期得到倍乘，计算轮速 脉冲频率- 厂公式为： ，2 1 t 12 m j ( m 1 t i ) = m t i t( 2 - 8 ) 在式( 2 9 ) 中，m l 表示周期倍乘数，乃表示实际轮速频率信号的周期，表示 m 1 分频脉肿周期。在实际的软件实现过程中，m 分频脉冲周期r 总是换算成 个时标信号周期进行计算，这时可认为t = “，即轮速脉冲频率计算公式 为： 一m i r r oj( 2 9 ) 测量原理如图2 。7 所示。 l ! ! - ：! 轮述 脉冲 分频 脉冲 ；t2 h p 一一一一 ： t 3 ； ：r 叫 ii 蕊门r 广 厂 厂 厂仉广 厂 ： 一一 图2 7 多倍周期法测量原理图 在图2 - 7 中，t l 表示t i ；t 2 表示，俨m ，乃j ；t 3 表示f o ：t 4 表示。 由于采用轮速周期倍乘措施，这样所测得的n l = i v 卅为个轮速脉冲周 期的平均值。由于每个轮速脉冲周期都存在着4 乃的误差，4 乃有正有负，所以 天津大学硕士学位论文 第二章状态信息的检测 取m 个轮速周期的平均值的误差必然小于单个周期的误差，从而提高了轮速测 量的精度。轮速计算多倍周期法对于不同轮速频率范围都能达到很高的测量精 度。但是，由于这种方法对低频轮速脉冲信号进行了倍乘，所以多倍周期法在提 高高频轮速计算精度的同时，拉大了低频轮速计算的时间间隔，从而降低了低速 检测的实时性。考虑到机车的转速范围一般为5 0 0r m i n ( 怠速) 4 0 0 0r m i n ( 最高 转速) ，处于转速的中频和中高频段，因此在本课题中利用多倍周期法来计算瞬 时转速是合适的。 2 3 小结 本章介绍了检测转速和油耗常用方法，然后针对内燃机车的柴油机进行车载 检测的特点，提出了本课题所选用检测转速和油耗的方法。对转速的检测，使用 开磁路式磁电转速传感器，信号处理方法采用了测周期法和测频率法相结合的多 倍周期法，提高了转速检测的精度；对油耗的检测，使用双涡轮流量计，根据该 流量计的特性，信号处理方法采用了分段折线法，无论在层流状态，还是在紊流 状态，均提高了检测精度。转速和油耗作为系统利用模糊逻辑推理内燃机车预防 维护的两个输入量，其检测精度的提高，有利于整个系统性能的提高。 天津人学钡：? 学位论文 第三章模蝴逻辑在机车预防维护系统中的应用 第三章模糊逻辑在机车预防维护系统中的应用 “髓羲誉缆的复杂蛀豹增期，我们撞述系统行为静精确牲翻有效糕就随之下 降，一疆怒过其阈值，其穰确往和有效性( 稆 菇程泼) 几乎变成了甄糖排斥的籍 性了。”正如上面引用z a d e h 博士不相容原理所掇出的，复杂性和模糊性( 不精 确性) 魁桐对的：- 个人褥搿物越近，所得的结论越模糊” 2 ”。 模糊逻辑也是一种简单的将一空阍的输入漱射到另一空闻的输如躯一种觌 鬻。这秘秧袈关系是摸秘逻舔翡其毽应两嚣纂鼷露起点。模鞭逻褥强瓣懿重点 是应阁的简单和方便，这也怒模糊逻辑被广泛应用的原因。 本辩将讲述机车预防维护系统模糊控制器的构建，它是一个双输入单输出的 控制器，其中包括隶属两数的确定、模糊控制规则的确立、非模糊化的方法等。 3 。1 隶属漪数的确定 “就数学定律而言，现实的必刁i 确定，确定的必不现嶷。”阿伯 特爱因颊坦( a l b e r te i n s t e i n ) 上面的这段话证实了在现实生活中几乎没有一 戒不交豹，或者是缓方镬魏矮耽秀数学势辑麓公毽嚣模型熬事耱。 对于个特定模糊集束潍，隶属函数基本上体现了其所有的模糊拣，因此这 种描述也体现了模糊特性或运算的本质。由于隶属函数“形式”的重要性，近来这 些函数的发展受到了特别的熬视。本节将叙述7 种常用建立隶属函数的方法，然 后结合本漾题，分别确定趱瓣 ；l 于演耗鹃隶矮露数、瓣辩转速豹囊疆函数粒工猛恶 劣程度瓣蒙耩函数。 3 1 1 确定隶属函数的一般方法 给横糊变量赋予隶属度假或隶属函数的方法可