基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究

1、大連海洋大學(xué)現(xiàn)代船舶控制理論基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究 研 究 領(lǐng) 域： 船舶與海洋工程（專碩） 姓 名： 鄧英杰 學(xué) 號： 2015085223012 基于粗糙集的柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素研究摘要：為探討船用柴油機(jī)排氣閥燒蝕形成因素的一般規(guī)律，隨機(jī)選取20艘大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司于2005到2015年間上塢修理的噸位在2萬噸到8萬噸不等，主機(jī)功率在5000kw到1萬2000kw不等的散貨船。利用粗糙集理論提取影響主機(jī)排氣閥燒蝕的有效條件屬性，并利用遺傳算法對屬性約簡過程進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)、排氣閥燒蝕、粗糙集、遺傳算法船用柴油機(jī)功率大、工作條件惡劣，無論是四沖程還是二沖程柴油

2、機(jī)，其排氣閥頭部都直接與高溫高壓的燃?xì)饨佑|，并受高溫燃?xì)獾臎_刷，承受著很高的熱負(fù)荷。在高增壓柴油機(jī)上，排氣閥打開瞬間的燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)9001000，氣流速度可達(dá)到800m/s。因此，排氣閥極易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，據(jù)日本船級社（NK）在2013年的一份調(diào)查報告顯示，排氣閥燒蝕故障占到所有氣閥常見故障總數(shù)的90以上。然而，在一般的排氣閥燒蝕故障診斷中，往往認(rèn)為是很多因素共同作用的結(jié)果，其中不乏冗余因素的存在。在海量的數(shù)據(jù)中，尋找出造成柴油機(jī)排氣閥燒蝕的關(guān)鍵性因素，對優(yōu)化柴油機(jī)的設(shè)計，降低柴油機(jī)成本，提高排氣閥壽命和指導(dǎo)輪機(jī)人員的一般維護(hù)工作具有重要意義。對于排氣閥燒蝕的因素簡化，我們可以利用粗糙集屬性約簡

3、的方法，粗糙集理論具有在保證原分類能力不變的前提下，約簡分類條件去除冗余信息的性質(zhì)。遺傳算法是模擬生物遺傳進(jìn)化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化方法，對于約簡的過程，可以選取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)在不影響分類能力下的條件屬性最大的約簡。1. 柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素分析柴油機(jī)本身是一個含有眾多非線性不確定因素的難易用一個確定數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜系統(tǒng)，造成其排氣閥燒蝕的原因可能是多種因素共同作用的結(jié)果。按照柴油機(jī)系統(tǒng)的組成和換氣系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)，我們可以把影響因素確立為以下幾個方面。（1） 燃油系統(tǒng)，現(xiàn)代共軌噴射柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)燃油的二次燃燒，提高了燃油的利用率并且降低了燃燒室部件的熱負(fù)荷，因此將是否共軌噴射作為一

4、個影響因素。（2） 冷卻系統(tǒng)，現(xiàn)代柴油機(jī)排氣閥普遍采用強(qiáng)制水冷式閥座，能夠加速排氣閥熱量的排除，降低熱負(fù)荷，將冷卻系統(tǒng)是否存在故障作為一個影響因素。（3） 安裝旋閥器，旋閥器能使閥盤均勻受熱，防止翹曲并防止積碳形成，將其設(shè)為一個影響因素。（4） 滑油系統(tǒng)，滑油系統(tǒng)潤滑氣閥導(dǎo)管和閥桿之間的間隙，防止過度磨損造成排氣閥竄動，高溫燃?xì)庑孤┰斐膳艢忾y燒蝕，將滑油系統(tǒng)是否存在故障作為一個影響因素。（5） 耐熱材料，閥盤和閥座采用鉻鎳材料能夠提高其耐熱性，防止高溫腐蝕出現(xiàn)，然而會提高柴油機(jī)的成本，將是否排氣閥部件是否采用耐熱合金作為一個影響因素。（6） 氣閥驅(qū)動機(jī)構(gòu)，主要有機(jī)械式和液壓式兩種，液壓式能夠減

5、少落座沖擊且不用調(diào)整氣閥間隙，有利于減少泄漏燃?xì)獾臎_擊，作為一個影響因素。（7） 柴油機(jī)種類，四沖程柴油機(jī)較二沖程柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高噴油提前角大，其燃燒更劇烈，燃燒室熱負(fù)荷大，將四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)分為兩類。（8） 隔熱空氣槽，在柴油機(jī)閥座氣閥接觸線外緣有一道隔熱空氣槽，可以降低接觸線處的溫度，防止接觸線燒蝕漏氣，而一些較早型號的柴油機(jī)沒有采用此類設(shè)計，將其作為一個影響因素。（9） 增壓方式，柴油機(jī)配氣系統(tǒng)的增壓方式對柴油機(jī)排氣溫度和壓力及進(jìn)氣量的多少均有影響，進(jìn)而影響排氣閥件的熱負(fù)荷，排氣系統(tǒng)的增壓方式主要分為3類。（10） 氣閥機(jī)構(gòu)的維護(hù)，考慮到實(shí)際過程中難易對輪機(jī)人員維護(hù)工作進(jìn)行衡量，在

6、本文中排氣閥維護(hù)主要考慮機(jī)械式氣閥驅(qū)動氣閥間隙的調(diào)整和閥盤研磨合理與否兩處作為維護(hù)工作是否到位的界定。2. 粗糙集理論粗糙集理論具有在不改變條件屬性分類能力的前提下對條件屬性進(jìn)行約簡的能力。粗糙集理論將知識定義為對事物的分類能力，需要分類的事物的集合定義為論域U，R是U上的二元等價關(guān)系的集合，也叫知識庫，將定義為一個近似空間。設(shè)，則定義該知識庫中的不可區(qū)分關(guān)系為ind（R），滿足。對于R中任意1個二元關(guān)系，若有，則說明是可以約簡的條件屬性，如果每一R中的每一個r都是不可約簡的，則稱R是獨(dú)立的。若，則稱Q是P的約簡。近似空間可以寫成的形式，稱為決策表，C稱為條件屬性，D稱為決策屬性。決策屬性對應(yīng)

7、于條件屬性的正域定義為，即U關(guān)于D的商集在U關(guān)于C的商集上的下近似的集合。通常，我們定義決策屬性D對條件屬性C的依賴度為，并以此來衡量約簡條件屬性對分類能力的影響。3. 遺傳算法對約簡過程的優(yōu)化遺傳算法對于解決屬性約簡這類的NP完全問題有良好的效果，所以在本文中采用遺傳算法優(yōu)化屬性約簡的過程。遺傳算法是模擬自然界生物進(jìn)化從而尋找到全局最優(yōu)解的一種方法。首先，確定種群數(shù)量，并對每一個染色體進(jìn)行編碼（編碼可以采用二進(jìn)制數(shù)或者十進(jìn)制數(shù)），染色體的長度要相同；然后，按照一定的交叉率pc在兩條染色體某處進(jìn)行交叉替換，按照一定的變異率pm對單條染色體某處進(jìn)行變異；最后，得出每個染色體的適應(yīng)度并按照輪盤賭策

8、略對父代進(jìn)行疊代，執(zhí)行N代后，適應(yīng)度將不再提高，以此作為最優(yōu)解。本文中采用matlab自帶的optimization工具箱中的gatool工具執(zhí)行遺傳算法。為了實(shí)現(xiàn)最大的且依賴度減小最小的約簡，將加權(quán)重的決策屬性對于條件屬性的依賴度與約簡度的和作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。4. 決策表建立 按照1中所述，將可能影響柴油機(jī)排氣閥燒蝕的10個因素作為條件屬性，將柴油機(jī)排氣閥燒蝕的實(shí)際情況作為決策屬性。條件屬性中，用0,1表示條件的滿足與否，唯有（3）可以劃分成0,1,2三類；決策屬性中，根據(jù)柴油機(jī)排氣閥的實(shí)際燒蝕情況，分為0,1,2三類，0表示排氣閥部件不存在或存在相當(dāng)輕微的燒蝕，1表示排氣閥存在燒蝕

9、留下的凹坑、麻點(diǎn)或接觸線氣密不佳，2表示排氣閥存在嚴(yán)重的燒蝕，存在嚴(yán)重的高溫燃?xì)庑孤┗蛘唛y盤翹曲。隨機(jī)選取20艘大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司于2005到2015年間上塢修理的噸位在2萬噸到8萬噸不等，主機(jī)功率在5000kw到1萬2000kw不等的散貨船，在吊缸維修檢查過程中，根據(jù)其柴油機(jī)主機(jī)排氣閥燒蝕的實(shí)際情況以及該船主機(jī)技術(shù)說明書收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計后，得出決策表如表1所示。表1 柴油機(jī)排氣閥燒蝕因素決策表UCD（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10） 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 2 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 2 3 0 0 1 1 0 0 0

10、1 1 0 1 4 1 0 1 0 1 0 1 0 2 0 1 5 1 0 0 0 1 1 1 0 2 0 2 6 1 1 1 1 1 1 0 1 2 0 1 7 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 8 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 9 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 210 1 0 1 1 1 1 0 1 2 1 111 0 0 1 0 1 0 0 1 2 1 112 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 113 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 214 1 0 1 1 0 0 1 1 2 0 115 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 216 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 017 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 218 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 219 0 0 1 0 1 0 0 1 2 1 120 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 25.結(jié)果分析應(yīng)用matlab對決策表進(jìn)行遺傳算法疊代的屬性約簡過程，結(jié)果如圖2所示。圖2 遺傳算法疊代圖最終結(jié)果顯示，約簡結(jié)果rs=0 1 1 0 1 0 0 1 0 1，此時的適應(yīng)度達(dá)到最小值為-6，此時D對C的依賴度=1，說明約簡后的條件屬性和以前的分類能力一致。從約簡結(jié)果rs=0 1 1 0 1 0 0 1 0