摘 要

本文首先介绍了柴油机各个系统的主要的常见故障，并进一步介绍了这些故障的产生原因，还详细的阐述了柴油机故障诊断的主体过程和具体内容，以及几种常用的特征提取方式，还介绍了Fisher判别法的主要研究内容，并且分别对线性的Fisher判别作了细致的解释和推导，然后以此为基础确认了Fisher判别法进行柴油机故障诊断的步骤。

本文采用了7K98MC型柴油机的MATLAB仿真模型，分别对压气机故障、中冷器效率低、喷油定时提前、喷油定时滞后、喷油器堵塞、排气管路堵塞等6种常见故障进行了数值模拟，获取了50组柴油机故障的仿真模拟数据，然后使用SPSS软件对这6种柴油机故障诊断数据进行了Fisher判别分析模拟实验，发现其判别结果具有很高的准确度，由此结果可以表明Fisher判别法完全可以有效地诊断柴油机故障。

关键词：柴油机故障；Fisher判别法；仿真模型；模拟实验

Abstract

This paper first introduces the main common faults of various diesel engine systems, and further introduces the causes of these faults. It also elaborates in detail the main process and specific content of diesel engine fault diagnosis, and several commonly used feature extraction methods. It also describes the Fisher's discriminant method's main research content, and the Fisher's discriminant of linear were explained and deduced in detail, and then the Fisher's discriminating method was confirmed on the basis of diesel fault diagnosis steps.

In this paper, the MATLAB simulation model of 7K98MC diesel engine was used to perform six kinds of common faults such as compressor failure, low intercooler efficiency, fuel injection timing advance, fuel injection timing delay, injector blockage, and exhaust line blockage. In the numerical simulation, simulated data of 50 diesel engine faults were obtained. Then Fisher's discriminant analysis simulation experiments of the six diesel fault diagnosis data were performed using SPSS software. It was found that the discriminant result has high accuracy, and the results can show that The Fisher discriminant method can effectively diagnose diesel engine faults.

Key Words：diesel engine fault; Fisher discriminant method; simulation model; simulation experiment.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 柴油机故障诊断的国内外研究现状 2

1.2.2 FISHER判别分析理论的国内外研究现状 3

1.3 主要研究内容及技术路线 3

1.3.1 主要研究内容 3

1.3.2 技术路线 4

第2章 柴油机故障诊断概述 1

2.1 船舶柴油机常见故障 1

2.2 故障原因分析 2

2.3 船舶柴油机故障诊断过程 3

2.3.1 主要研究内容 3

2.3.2 故障诊断方式 5

2.3.3 特征提取方法 5

2.4 本章小结 6

第3章 基于FISHER判别分析的柴油机故障诊断 1

3.1 FISHER判别分析 1

3.1.1 线性FISHER判别方法 1

3.1.2 FISHER判别条件 4

3.2 基于FISHER判别分析的故障诊断 5

3.2.1 数据来源 5

3.2.2 故障诊断实例 7

3.3 本章小结 12

第4章 总结与展望 13

4.1 总结 13

4.2 展望 14

致 谢 15

参考文献 16

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着世界经济一体化的不断加快,我国航运业发展迅速。船舶动力最主要的设备就是柴油机。一旦柴油机出现故障，就会干扰船舶的正常运行，严重时还会危及船员的生命安全。因为船舶柴油机发生故障的原因很多，例如，整机功能的破坏, 某些系统装置的堵塞或者堵漏等。船舶柴油机的结构是非常复杂的,导致了其很多的部位在运行时会发生故障,这十分不利于柴油机的正常运行。在以前,因为缺乏精准的仪器来对柴油机故障进行预测，所以我们的船员大多数都是在柴油机发生故障之后进行维修,这对于船舶的危害是非常大的。其次，就是我们一些经验丰富的轮机员会根据多年的经验来对船舶运行进行检测和判断，但这种方法并不能准确的排除柴油机故障。因此,对于发生了故障的柴油机，快速、准确地进行故障诊断,找出并排除故障就具有十分的重要。所以，研究柴油机状态检测和故障诊断技术是具有非常重大的意义，主要表现在以下几个方面：

（1）提高了经济效益。对于有故障的零件，如何我们能够及时发现并进行维修，这样会增加零件的使用寿命。而柴油机状态检测和故障诊断技术就是去研究怎样更快，更准确的找出故障类型，进而让我们更好的去维修，这样，就大大提高了我们维修效率，减少了人力，物力的浪费，提高了经济效益。

（2）趋势预报。趋势预报就是在故障还没有发生时就进行报警，让我们提前检查防止故障发生。而它最大的优势并不是在于时间的预测，而是对于故障原因的查找，这样就可以大大减少我们船员在于故障排除上花费的时间，同时，也大大提高故障查找的准确性，提高了船舶的稳定性。其次，对于我们船员来说，设备维修的间隔时间也将会大大增加，减少了我们船员的劳动强度。

（3）保障了船舶安全性。虽然我国的工业水平越来越高，船舶的制造工艺越来越先进，但是在先进的技术都无法保证事故的发生，这是在所难免的。那么，我们怎样减少事故的发生？除过先进的技术，还有就是必须的故障诊断技术。因为只有通过这种技术，我们才能够时时的去监测我们的柴油机运行的状态，确保我们的设备安全运行。其次，一旦柴油机发生故障，我们可以提前进行维修，增加了其使用寿命，提高了其可靠性。

（4）保证船舶在运行时处于最佳状态。柴油机状态检测和故障诊断技术可以对柴油机运行的状态进行时时监测，我们通过监测可以来判断柴油机的运行状态是否正常。其次，我们还可以利用诊断技术对排气污染进行控制，这样就可以保证船舶运输时有关环境的要求。

（5）维修制度的变革。以前，我们对于柴油机的维修主要分为两种，一种是定期进行预防性维修，简单来说，就是每隔一段时间，我们就会在柴油运行时来提取一些其运行时的参数，依靠这些参数来判断柴油机一定时间内的运行状态是否正常，如果发现故障，我们就会对其就行维修，有预防的作用。另外一种就是事后维修，就是在柴油机发生故障后才进行维修，大大减少了柴油机的使用寿命。从上介绍我们可以看出，这两种体质都有着很大的不足，已经远远不能满足现代船舶的要求。所以，预测柴油机的故障变得非常重要，而要想预测柴油机故障，就要依靠柴油机故障诊断技术。大范围的推广及应用柴油机故障诊断技术同时加大对其的研究，将会打破原来的维修制度，使得柴油机故障维修水平大大提高。

所谓的船舶柴油机故障诊断技术,就是在主机处于正常运行状态下或者不将主机进行解体的情况下,来检验柴油机的运行状态是否正常。本文主要研究基于Fisher 判别法对柴油机故障模式、现象、产生机理及排除措施进行识别研究,并用故障数据进行理论验证。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柴油机故障诊断的国内外研究现状

船舶动力最主要的设备就是柴油机。并且其结构也是非常的复杂，所以对于柴油机的诊断技术的研究就变得非常的重要。在国外，故障诊断技术在很早以前就有人对其进行研究。最早是在1961年，美国就成立了国家故障诊断研究所。随后，在其带动下，故障诊断技术得到了大力的发展。在以前，柴油机的诊断主要依靠于其自身的性能参数，但随着社会的发展，这种诊断技术已经不能满足时代的发展，达不到实时监测的效果。因此，越来越多的科研人员致力于诊断技术的研究。

邢台职业技术学院汽车系的李晓伟等人^[1]通过采用支持向量机对柴油机的故障问题进行诊断，有效的解决了柴油机故障诊断过程中需要大样本等问题，提高了故障诊断的准确率；海军工程大学的郭江华等人^[2]通过对于柴油机故障诊断的意义以及一些常见的故障诊断的技术和原理进行了阐述，研究得出了，一些新技术在柴油机故障诊断中的应用；哈尔滨工程大学柴艳有等人^[3]通过对核学习理论进行了研究,提出和改进了各类基于核的分类方法,对船舶柴油机的各子系统建立了一系列的状态监测和故障诊断模型。这些方法分别具有各自的优点,能够满足不同子系统的故障诊断要求；大连理工的曾宪民等人^[4]通过对135船柴油机经常出现的故障进行分析研究，提出了一种新的概念，叫做故障网络，并将其与故障树进行了对比，证明了其实用性；中北大学的岳海豹等人^[5]通过将核主元分析法和模糊聚类进行联合，将其分析法应用于理论当中，即展现了核主元分析法的优点，又实现了模糊聚类的特点，很好的实现了柴油机故障的诊断。

1.2.2 FISHER判别分析理论的国内外研究现状

Fisher判别方法和核方法是随着向量机理论的大量应用才慢慢地受到广大人民的关注。而有关于Fisher判别方法和核学习方法的研究，国外是比较早的。二十世纪末，Mika S和Ratsch G^[6]就提出了Fisher判别，并在Fisher discriminant analysis with kernels上发表了论文。二十一世纪初，Baudat G和Anouar F^[7]提出了核判别分析，并在Generalized discriminant analysis using a kernel approach发表了论文。我国的起步是比较晚的。大约在2002年，我国才慢慢地开始了有关于结合核学习方法的Fisher判别方法的研究。在2002年，上海交通大学的张燕昆和杜平等人^[8]通过向量机的优点，验证了核分析法可以应用于人脸识别上。从2003开始到目前，越来越多的研究人员致力于核学习方法的研究。上海交通大学的邵惠鹤等人^[9]在核方法的研究取得了很大的的成果，例如：核方法在故障诊断，人脸识别等方面的应用。此后，国内多所高校和研究机构都开始了这方面的研究，并且进一步将核方法与Fisher判别分析法结合。

国内外对Fisher判别核主元分析法早已有了深入的研究。在DEUCE技术的专家系统中，用DEUCE技术的振动信号处理技术与测量温度、压力、转速等的传感器技术有机地结合在一起，然后对获得信号进行分析和处理。华中科技大学的和延滨等人^[10]通过采用Fisher判别分析法对9种故障现象进行了模拟实验，研究得出，Fisher判别分析法对于比较复杂的故障现象处理是有效的。

最近几年，随着越来越多的研究人员加入对Fisher判别方法的研究，不断有新的改进方法出现。这不仅加大了人们对Fisher判别方法研究的关注，也为研究人员提供了参考，指明了方向。同时，伴随着理论研究的成熟，核学习方法的应用也慢慢地进入到人们的生活当中，例如人脸识别技术，图像等，这些已经在当今社会有所应用。但是，在船舶故障诊断方面，Fisher判别方法的应用还仅仅只是刚刚开始。从目前科研人员的研究成果来看，Fisher判别方法在柴油机故障诊断的应用是十分有前景的。

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

本论文主要对柴油机的常见故障进行了分析，然后对柴油机故障诊断进行了了解，最后结合Fisher判别方法构建了船舶柴油机故障的诊断模型，并且将其运用在真实的故障诊断过程中。其主要研究内容如下:

（1）通过查阅文献和参考资料，我们对船舶柴油机经常出现的故障问题进行了分析与了解，对目前柴油机经常出现的故障问题进行了统计，并有了更深层次的理解。

（2）通过实际观察，我们对柴油机故障诊断的过程进行了研究。其中包括对故障机理的分析、运行状态监测、信号特征提取、故障诊断和分析、实施维护与修理。

（3）本文所进行的关于对柴油机故障的诊断研究过程内，主要采取运行状态参数提取的方法来完成特征提取过程，从而进一步完成运行状态监测以及柴油机故障诊断的研究。

（4）通过对柴油机故障诊断内容进行分析与了解。我们了解到，在目前关于柴油机的故障诊断内容主要有运行性能诊断、机体振动情况诊断、零部件磨损诊断三种。

（5）我们使用了Fisher判别方法构建了船舶柴油机故障的诊断模型，并且将其运用在真实的故障诊断过程中。我们在实际的运用过程中，摸索了确定各项参数的方法，而且依据诊断过程中显现出的各种问题来改进这种Fisher判别方法。

1.3.2 技术路线

本论文首先通过查阅文献对Fisher判别法的国内外研究有了充分的了解，其次，通过调研以及查阅文献我们对船舶柴油机常见的故障及其原因进行了系统的分析，同时，对船舶柴油机的故障诊断过程也有了充分的了解，最后利用7K98MC型柴油机仿真模型获取故障数据，并通过Fisher判别方法构建了船舶柴油机故障的诊断模型，然后将Fisher判别法运用在故障诊断模拟实验中。其主要研究过程如下：

图1.1 技术路线图

第2章 柴油机故障诊断概述

2.1 船舶柴油机常见故障

船舶柴油机运行过程中，柴油机各个系统间的良好契合尤为重要，任何一部分出现问题，柴油机的运行都会受到影响，所以对柴油机故障的诊断尤为重要^[11]。柴油机常见故障先兆如下表所示：

表2.1 柴油机常见故障先兆种类

船舶柴油机系统很大而且复杂，所以对故障诊断来说，需要把柴油机系统分成数个小系统以方便于诊断。一般而言可分成燃油系统、滑油系统、冷却系统、进排气系统、动力系统和涡轮增压系统等子系统^[12]，按这样柴油机常见故障划分如图2.1所示：

图2.1柴油机常见故障

2.2 故障原因分析

柴油机出现故障有很多原因，最为常见的因素主要有冲击振动、磨损、腐蚀、老化、变质、疲劳破坏、环境因素和操作问题等^[13]。

（1）冲击振动：柴油机自身振动以及其他外界影响都可能导致产生冲击振动，振动过程中很容易造成零部件松动或断裂，同时冲击振动也是导致柴油机上的零部件应力损害的主要原因。由此可知，冲击振动对柴油机的危害很大，我们应当采用有效措施来减少其危害。一个方式是将弹性支承安装在柴油机本体上，另一种方式是对一部分的零部件做一定得防振动处理。我们同样也可以在柴油机的设计过程以及生产过程中，对柴油机的抗冲击和防振动的性能做预先的试验来验证和测试，通过这些测试，可以观察设计的实际效用和生产的工艺水平和步骤是不是能够满足抗振动和冲击的要求，在柴油机安装到实船之前有所保障。

（2）磨损：在船舶的运行中，柴油机往往要保持很高的转速，因为柴油机的零部件间有摩擦，所以很容易出现磨损现象。如果零部件磨损严重，会对柴油机的转速等造成影响。柴油机产生磨损有很多原因，比如柴油机的制造精度、运动零部件的材料、发生摩擦的运动零部件间的接触面积、运动零部件的运行时长、柴油机转速、采用何种润滑油等。当气缸套跟活塞的磨损到一定程度，有可能会引起柴油机功率降低，甚至会加剧柴油机的损坏。因此我们应当在某一零部件磨损致一定程度前及时更换。为了减少磨损，必须确保零部件的精度足够，并且零部件材质的强度以及刚度需要达到要求，粗糙度也要合理，同样的，也必须保证有润滑油来润滑，并且确保润滑油润滑能力达标。

（3）腐蚀、老化和变质：船舶设备主要由金属组成，柴油机的零部件绝大多数都是金属，金属受腐蚀会影响柴油机的正常运转。但是金属种类有很多，不同的金属晶体组织也不同，而晶体结构的区别影响金属对不同类型的腐蚀的抵抗效果，比如柴油机活塞冷却水腔以及气缸盖易受电化学腐蚀，柴油机的排气阀件和活塞顶部区域很容易受高温下的化学腐蚀影响，船舶螺旋桨的叶片却很容易受到穴蚀影响。有色金属对腐蚀的抵抗能力比黑色金属要强，而合金对腐蚀的抵抗能力又要远强于单种类金属，因此船舶金属材质的选择对船舶的抗腐蚀能力影响很大。