发动机状态监测与故障诊断专家系统

毕业设计说明书

发动机状态监测与故障诊断专家系

统设计

学生姓名： 贾建辉 学号： 0902034115

学 院： 机械工程与自动化学院

专 业： 过程装备与控制工程

指导教师： 姚竹亭

2013年6月

发动机状态监测与故障诊断专家系统

摘要:柴油发动机运行状态监测与故障诊断不仅避免了设备运行事故、提高了经济效益，而且大大降低了驾驶员和设备维修人员的劳动强度。它为柴油发动机的检修提供了依据，降低了成本，同时也防止了设备的突发事故。

故障诊断技术是适应工程实际需要而形成的各学科交叉的综合性学科。设备维修先后经过事后维修、定期维修，到预知性维修几个阶段，而故障诊断技术也随之取得了很快的发展。

本文采用专家系统，通过对柴油发动机结构及常见故障的分析，采用直接测量柴油发动机气缸压力信号来进行故障诊断。回顾了柴油机故障诊断的研究背景，阐述了柴油发动机故障机理，实现了专家系统的理论方法。

关键词：柴油发动机，故障诊断，专家系统。

Engine Condition Monitoring and Fault Diagnosis Expert

System

Abstract: The Running Status Monitoring and Fault Diagnosis of Diesel Engine not only avoids the equipment running accident. increases the economic efficiency. but also greatly reduces the operator and the equipment maintainer’s labor intensity．It Can provide support for diesel engine maintenance. reduce the cost and simultaneously avoid sudden accident．

The fault diagnosis technology is a multi-disciplinary subject that is coming from industry equipment．The development equipment maintenance has experienced run-to-breakdown maintenance，time-base preventive maintenance to predictive maintenance, while the fault diagnosis technology is also developed quickly with it．

In this paper, expert systems, diesel engines through the structure and the common fault analysis using direct measurement of diesel engine cylinder pressure signal for fault diagnosis. Diesel Engine Fault Diagnosis reviewed research background, elaborated diesel engine failure mechanism, And the establishment of an expert system to achieve the theoretical approach.

Keyword：Diesel engine，Fault diagnosis, expert system

目录

1 绪论............................................................. 1

1.1 课题背景及研究意义 ......................................... 1

1.1.1 课题来源.............................................. 1

1.1.2 本课题的研究背景...................................... 1

1.2 实时在线运行状态监测和故障诊断系统概述 ..................... 2

1.2.1 国内外故障诊断技术的研究现状.......................... 2

1.2.2 目前国内外故障诊断的主要方法理论及研究成果............ 3

1.2.3 本课题的研究意义...................................... 6

1.3 总体设计目标及研究内容 ..................................... 7

1.3.1 本课题设计目标及特点.................................. 7

1.3.2 本课题研究的主要内容.................................. 7

2 柴油发动机运行状态监测与故障诊断方法的研究....................... 9

2.1 柴油发动机工作原理及结构 ................................... 9

2.1.1 柴油发动机工作原理.................................... 9

2.1.2 柴油发动机结构........................................ 9

2.2 柴油发动机故障特性 ........................................ 10

2.3 柴油发动机常见故障及产生原因 .............................. 12

2.3.1 燃油系统常见故障及产生原因........................... 12

2.3.2 润滑系统常见故障及产生原因........................... 14

2.3.3 进排气系统常见故障及产生原因......................... 15

2.3.4 冷却系统常见故障及产生原因........................... 16

2.3.5 各子系统的主要故障................................... 16

2.4 故障诊断方法 .............................................. 16

3 系统运行状态监测与故障诊断的实现方法............................ 19

3.1 专家系统开发工具介绍 ...................................... 19

3.2 故障诊断方法的提出及专家系统的创建 ........................ 20

3.2.1 柴油机故障诊断的专家系统结构......................... 21

3.2.2 专家系统开发过程..................................... 22

3.2.3 柴油机故障诊断系统的知识获取及其表示................. 23

3.2.4 解释程序的设计....................................... 24

4 柴油发动机机运行状态监测及故障诊断系统的实现.................... 26

4.1 柴油发动机故障诊断的实现 .................................. 26

4.1.1 柴油机故障诊断专家系统总体情况概述................... 26

4.1.2 诊断专家系统的开发过程............................... 26

4.1.3 柴油发动机故障诊断专家系统的知识库的建立............. 27

4.1.4 柴油发动机故障诊断模块功能介绍....................... 31

4.1.5 柴油发动机故障诊断系统测试........................... 33

4.2 柴油发动机故障诊断系统运行 ................................ 33

5 结论与展望...................................................... 34

5.1 研究成果 .................................................. 34

5.2 柴油发动机故障诊断技术展望 ................................ 34

附录 系统程序代码................................................. 36

参考文献........................................................... 39

致 谢............................................................. 41

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题来源

本课题来源于某公司矿运卡车柴油发动机的技术改进需求，以及其它发动机运用所提出的相关要求。柴油机车故障诊断技术近年来受到了广泛的重视，国内外运用的故障诊断方法很多，比如油液分析诊断方法、基于理论分析故障诊断方法、基于专家系统的智能诊断方法、基于神经网络的故障诊断方法等等，研制出了铁谱分析仪、振动测试仪等诊断设备，但这些诊断方法和诊断设备大多都是在离线的试验台上进行故障诊断与分析，这要求定期将柴油机送到维修站进行维修和故障诊断。对于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等及不方便，不经济，而且影响劳动效率。而有的专用监测设备仪器，虽然比较成熟，但由于设备维护不方便，价格昂贵，体积较大，更无法进行实时在线诊断分析，故障监测诊断环境和手段都受到限制。而且这些设备虽然功能强大，但设备价格昂贵，造成成本较高。而有的诊断系统虽然是在线诊断，但系统精度和准确度都达不到要求。因此在柴油机故障诊断的准确性、可靠性、适用性等方面不同程度地存在一些缺陷，有的监测手段还不够成熟，监测效果不明显。而本课题就是在此基础上开发一套功能完善的实时在线故障诊断系统【1】。

1.1.2 本课题的研究背景

随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不断增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。人们对机械设备的稳定性、安全性、可靠性、可用性、可维修性、经济性等提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统也比以前更注重其效率和能耗，且环保要求也越来越高。因此，怎样在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先的传感器技术、动态监测技术以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题。

柴油机广泛运用于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。目前，柴油机监控系统已经成为现代柴油机视情维修管理的一种主要手段，因此，对其状

态进行监控和对其故障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于最佳运行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的。

1.2 实时在线运行状态监测和故障诊断系统概述

1.2.1 国内外故障诊断技术的研究现状

设备诊断技术是近40年来发展起来的一门新学科。它是适应工程实际需要而形成的各学科交叉的综合性学科。设备诊断的历史和人类对设备的维修方式紧紧相联。在工业革命后的相当长时间内，由于当时的生产规模，设备的技术水平和复杂程度都较低，设备的利用率和维修费用没有引起人们的重视，人类对设备的维修方式基本上是事后维修，即设备运行出现问题之后进行故障分析与维护。进入20世纪以后，由于大生产的发展，尤其是流水线生产方式的出现，设备本身技术水平和复杂度大大提高，设备故障对生产影响显著增加。这样，出现了定期维修，以便在事故发生之前进行处理。大约在20世纪60年代，美国军方意识到定期维修的一系列弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设备正常运行过程中就开始进行监护，以发现潜在的故障原因，及早采取措施，防止突发性故障的产生。这种主动维修方式，不仅大大避免了灾难性的设备故障，而且避免了失修和过剩维修，经济效益十分显著。这种维修方式很快被其他企业所效仿，设备诊断技术很快发展起来。

从科学发展的大环境来看，设备诊断技术的产生也是各学科交叉发展规律的必然。20世纪40年代以来，人类的生产方式日益向大工业方向发展。生产系统的庞大化和复杂化同时也暴露出一些问题，即如何避免运行中故障的发生，这就要求有一门相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展，为设备诊断技术提供了必要的基础。20世纪60年代，快速傅里叶变换的出现，使诊断技术的发展产生了飞跃。近年来，传感器技术的发展，信号处理的系列技术，如各种滤波技术、各种谱分析技术，人工智能的系列技术，如专家系统、神经网络等，以及其他技术在诊断中的应用，使设备诊断技术逐渐完善【2】。

柴油机故障诊断通常分为机械故障和性能故障两大类。相应的诊断研究也分为两类：针对柴油机的性能故障，主要采用的是性能参数诊断；针对柴油机的机械故障，主要采用油液监测技术和振声信号分析法。

基于性能参数的柴油机状态监测。这种方法是通过测定柴油发动机的各种工

作参数(如功率、转速、气缸压力、温度等)与其在正常工作状态下的参数相比较来分析判断发动机的工作状态。在这方面，德国、日本和美国等国家的技术比较先进。这些国家的通用机械故障诊断技术比较发达，如信号处理技术、测振仪器仪表等。其中日本开发的一些使用简单方便的简易测定诊断仪，如气缸压力表、光电转速表、油压测定仪等。美国在柴油机上安装在线监测系统，采用不同的传感器来测量柴油机的曲轴箱压力、转速、油温等参数，从而实现对柴油机工作状态的监测。我国近年来也加强了这方面的研究先后研制出了一些柴油机工况自动监测系统，可对柴油机的气缸压力和转速，各部位的温度、压力、液位及各项技术参数进行巡回检测和监控。

基于油液分析的柴油机故障诊断。它是随着摩擦学的发展而日益发展起来的。它是通过分析柴油机机油的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态的信息，评价机器的工作状态和预测故障，并确定故障原因、类型及零件的技术。油液监测可以延长设备的换油期，并通过及时预报潜在的故障避免灾难性损坏或延长设备的正常运行时间获得经济效益。在这方面，美国、日本、加拿大及欧洲一些国家较早进入实际应用，并积累了丰富的经验，也开发出了较先进的测量和分析设备，而我国在80年代开始这方面的研究，到现在已经进入实用的研究阶段。近年来，基于油液分析的柴油机监测方法主要有：油液监测的颗粒计数法、铁谱分析技术、红外光谱仪等。

基于振声的柴油机故障诊断。这项技术始于20世纪70年代，目前已经取得了突破性进展，世界航运先进国家已经开始运用，一些专家系统也相继建立。我国从20世纪80年代开始，一些学院和研究机构在利用声振技术诊断故障方面做了大量的工作，也取得了很多成果，但基本上都还处于实验室研究阶段，虽然研究很快，但距实际应用还有一定距离。

1.2.2 目前国内外故障诊断的主要方法理论及研究成果

随着科学技术的发展，柴油机车的故障诊断越来越受人们的高度重视，并在这一领域投入了大量的科研力量和研究经费。在现代柴油机故障诊断方面取得了一些方法和理论成果【3】。

1、国内外就现代柴油机的主要故障监测方法有：

1) 基于振动信号的时域、频域提取分析法。它利用柴油机是一种高速的往

复式动力机械，其缸盖振动信号是反映柴油机各部件之间关系的及其敏感的参数。它是由缸内气体爆发压力、进排气门落座冲击、进排气门开启气流冲击等多种激励力综合作用的结果，同时还受到机身整体振动等因素的影响。其表现形式既具有与工作循环有关的周期性特性，又具有非平稳时变及某些冲击特性。振动信号特征提取分析法是依据振动中包含有振源等信息，振动监测及故障诊断的出发点是在机械动力特性分析及谱分析基础上，研究柴油机运行过程中的故障原因与对应的状态。频域分析法有古典谱估计法和现代谱估计法。古典谱法基于FFT快速算法，包括周期图法、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传递函数、谱趋势分析等。现代谱法包括最大嫡谱估计、ARMA时序分析以及最小方差法等。古典法的优点是可以用FFT快速计算，物理意义明确；缺点是谱分辨率偏低，需要的数据量大，加窗后会产生泄露，方差性能不好。现代谱分析法具有较高的分辨率，对数据量的要求较少，但是容易产生波形失真信噪比低。

2) 应用铁谱和光谱技术监测柴油机磨损状况。它是利用在机械故障诊断中，监测润滑油中铁的含量就可以间接判定金属部件的磨损。柴油机运动件含有多种材料的摩擦副，而每一对摩擦副又会出现各种不同的磨损状态。产生于不同摩擦副在不同的磨损状态下的磨粒，是以不溶的颗粒形式存在于润滑油中的。光谱可以准确地测定润滑油中磨损元素的含量，但不能了解其存在的形状，而且其监测灵敏度又受到磨粒本身粒度的影响，因此无法判断磨损的类型。铁谱可以直观地了解磨粒的形状、大小和成份。在利用铁谱及光谱技术获得数据基础上，应用多元统计分析的动态聚类分析法、模糊聚类分析法、灰色关联分析法等对柴油机磨损情况和润滑油质量进行分析，取得了一些有益的结论。但铁谱及光谱分析法无法确定有问题所在缸位，且不易实现实时监测；油液分析的结果只是定性地描述，存在一定的随机性【4】。

2、国内外就现代柴油机的主要故障诊断方法有：

1) 油液分析诊断法。它是通过测取柴油机润滑油中磨损金属微粒的形态、尺寸、数量、成分和种类分布，从而进行特征分析，能够确定关键摩擦副的磨损形态，通过对油品性能和主要污染物水平的动态分析，能够及时掌握油品效能的变化，预测可能发生的系统故障。20世纪60年代中期，产生了油液监测的颗粒计数法，70年代中期就很快运用到设备的故障诊断技术中。在油液监测.

2) 基于灰色系统理论故障诊断方法。灰色系统理论以其新颖的思路和广泛的适用性在理论及工程界引起广泛关注并迅速在许多领域获得广泛应用。灰色理论用于柴油机故障诊断的原理是把柴油机系统看成是一个复杂的灰色系统，利用存在的已知信息去推知含有故障模式的不可知信息的特性、状态和发展趋势，并对未来的发展作预测和决策，其过程即是一个灰色过程的白化过程。灰色理论在故障诊断中的应用包括灰色系统建模、关联度分析、灰色模型预测等。利用灰色系统可以实现故障的预测，其准确率高，计算量小、易于微机实现。和故障诊断方面，美国、加拿大、日本及欧洲一些国家已经较早地在实际中应用，例如日本的油质分析仪。我国于80年代开始这方面的研究，现在已经进入实用研究阶段。

3) 基于神经网络的故障诊断法。BP神经网络由于具有较强的非线性映射能力而被广泛应用于故障诊断领域。它通过对故障实例的训练和学习，用分布在神经网络中的连接权值来表达所学习的故障诊断知识，具有对故障的联想记忆、模式匹配和相似归纳的能力，可以实现故障和征兆间的复杂的非线性映射关系。但是基本BP算法存在着局部极值和收敛速度慢等缺点。在神经网络中引入模拟退火法和遗传算法，可以有效地解决局部极值，提高算法的收敛速度。

4) 瞬时转速波动诊断法。柴油机曲轴的瞬时转速波动信号能反映机器的工作状态，通过对瞬时转速波动信号的分析可以得到机器运行状态和相关故障的丰富信息。正常工况下，各缸的动力性能基本一致，柴油机运转平稳，各缸瞬时转速波动虽有差异，但总在一个不大的范围内，并呈现某种规律性：但当某个气缸工作不正常时，动力的一致性遭到破坏，柴油机运转平稳性变差，转速波动信号会产生严重变形。瞬时转速波动诊断法就是根据这些信息来判断柴油机气缸内工作过程的好坏。

5) 基于专家系统的智能化诊断方法。在诊断推理方面，专家系统智能化诊断方法主要表现在对推理逻辑和推理模型的研究上。在人工智能领域，存在着许多推理逻辑，较著名的有模态逻辑与动态逻辑、3-值逻辑、直觉主义逻辑的类型理论、时态理论、面向非单调推理的语义理论及不精确推理等。模糊逻辑作为一种降低系统复杂性的方法近期在专家系统的推理逻辑中得到了广泛应用，较成熟的有Zadeh的近似推理方法、Dempster和Shafer针对贝叶斯概率理论中先验概率难以获取而提出的证据理论等，国内的许多专家系统也对模糊逻辑进行了发展；

对推理模型的研究则表现在如何对推理的知识进行划分及控制，从而使推理过程更为有效。如Davis基于结构与功能的推理模型，Gallanti和Fink提出的集成诊断模型，Peng的层次因果模型等【4】。

1.2.3 本课题的研究意义

随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全。

柴油机作为动力机械，其运行状态的好坏，直接影响到成套设备的工作状态，对其进行状态监测和故障诊断，确保设备处于最佳运行状态，提高设备维修质量和效率是十分必要的。并且开展柴油发动机故障诊断技术的研究，能帮助我们发现故障，防止事故发生。具体表现在：

1、提高经济效益和社会效益，这是市场经济条件下用户追求的根本目标。故障诊断的目的就是更准确、更及时地发现故障，延长零部件的使用寿命。同时延长监测周期，提高检修的精度和速度，降低了维修费用，获得了最佳经济效益。另外，它还可以改善柴油机燃烧状态，降低油耗，节约成本。

2、监控系统可预防机械设备运行事故，保证柴油机始终在最佳状态运行和人身安全。利用诊断技术可提高柴油机的运转经济性、可靠性，防止突发性事故。同时通过监控系统可以实现自动调节或人力调节，保证柴油机在各种工况下均能以最佳状态运转。

3、为柴油机车的故障检修做准备，为合理制定柴油机车的检修周期提供依据(其监测数据可作为每台柴油机车的技术资料保存)，从而制定机车的检修计划，使机车的检修工作更科学合理。

4、提高机车质量，降低检修费用和驾驶员的劳动强度，避免不必要的拆卸和维修。

5、利用柴油机监控系统的自动工作特点，可连续或定期地对柴油机各参数

进行自动监测、处理、打印和报警。

6、推动设备故障诊断技术的发展。柴油机属于机械设备，有着机械设备故障诊断的共性。但和其它设备相比，既有旋转运动，又有往复运动，运动部件多，工作复杂。因此通过对柴油机故障诊断技术的研究，可以对故障诊断技术的发展起到极大的推动作用【5】。

1.3 总体设计目标及研究内容

1.3.1 本课题设计目标及特点

柴油机故障诊断系统研究的对象是矿运卡车柴油发动机，它常年处于地下50多米矿井中工作，工作温度在30℃左右，光线能见度只有2-3米，并且粉尘严重、有油污、潮湿、振动强烈。因此本系统的设计目标主要有下面几点：

针对矿运卡车目前存在的对设备工作状况缺乏有效的自动监测手段，系统要求能实时在线地反映系统的运行状态。

在不改变系统结构的前提下，全面监测矿运卡车柴油机燃油系统、润滑系统、冷却系统等运行状况，找出潜在或突发故障，并进行诊断、显示、报警。

提供故障原因及维修方法指示，解决矿运卡车目前故障维修纯粹依赖于工人的技术经验的问题，大大提高设备的使用率。

通过前面对系统意义及价值的分析研究，结合系统工作环境，本文采用传感器技术，并借助于计算机技术来进行信息传输、分析和处理，从而实现柴油机故障诊断分析，建立柴油机运行状态监测与故障诊断系统。它的主要特点有：

1、气缸压力直接测量，其结果准确可靠，信号易于处理。

2、高压油路压力监测，采用夹紧式压力传感器。当高压油流经油管时，管路膨胀，产生的变形量通过传感器转化为电信号，监测电信号可获得管内压力。

3、系统实时在线运行状态监测与故障诊断，具有可操作性强，实用性广，维护方便，体积适宜等特点。

4、系统界面友好，操作方便，可靠性高，扩展灵活，维护和管理十分方便【6】。

1.3.2 本课题研究的主要内容

该课题以柴油发动机为研究对象，研究如何实时在线监测其运行状态，以及如何实现柴油机故障诊断分析和处理的问题。课题所要解决的问题有柴油机的故障类型分析及优化，故障信号的获取以及柴油发动机运行状态监测与故障诊断等。

柴油机是一个复杂的往复式机械系统，其故障十分复杂，表现为不确定性、多维性，同样的故障可能有几个因素造成。目前柴油机的故障诊断技术是比较成熟的技术，因此本课题重点不是研究柴油机故障，而是利用传感器技术、计算机技术和网络通讯技术等，测量柴油机运行时的故障特征参数。然后利用这些特征参数，实现柴油机故障诊断、分析处理和显示报警。

同时根据柴油机各个系统的特性，本文从柴油机的结构及工作原理入手，通过柴油机的各主要组成系统(如燃油系统、进排气系统、润滑油系统等)对柴油机工作状态的影响，利用传感器技术，来获取柴油机故障信息，实时在线显示设备运行的即时状态并报警，提示故障原因和发生故障的部位；预测可能发生的故障，提高柴油机车运行的可靠性和安全性。

课题根据柴油机工作特点和故障特征，利用柴油机气缸压力传感器监测气缸压力信号，绘制出气缸压力波形，通过获取压力波形上的特征量，并结合其它压力、温度、液位等传感器信号来分析柴油机工作状况，如缸内燃烧过程，燃烧放热率，进排气过程，燃油雾化情况等。同时通过这些信号作为系统故障诊断分析的特征参量，实现柴油机不解体实时在线动态监测、故障诊断与分析【7】。

2 柴油发动机运行状态监测与故障诊断方法的研究

2.1 柴油发动机工作原理及结构

2.1.1 柴油发动机工作原理

本文研究的对象是矿运卡车柴油发动机12缸V型压燃式风冷柴油发动机，它的每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气四个行程。其工作原理是：柴油机在进气行程中吸入纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高(一般为16～22)，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3．5～4．5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，同时废气经排气管排入大气中【8】。

2.1.2 柴油发动机结构

柴油发动机主要结构有：机组体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。由于本文研究对象是压燃式柴油发动机，因此它没有点火系统。按照柴油机系统划分常规及柴油发动机故障特性，现将其分为燃油系统、润滑油系统、进排气系统、冷却系统等四大部分，如图2.1所示。

图2-1 柴油机系统结构

在图2.1为柴发动机的结构分级，第一级是柴油发动机本身；第二级是组成

柴油发动机的各个子系统；第三级是组成各子系统的各个部件。这些结构的划分为有效地组织不同的诊断知识提供了条件。通过对这些结构的描述，可以将诊断知识分块化，从而有利于诊断策略控制和诊断知识的获取。

2.2 柴油发动机故障特性

柴油发动机系统是非线性的复杂系统，激励和响应都具有非平稳性，这是因为：首先在结构上，发动机是由许多机、电、液等各种子系统组成的复杂机电设备，因而它是一个多层次系统；其次，完成不同功能的各子系统之间无论在结构上，还是在功能上都存在着一定的差异；最后，同一层次的各子系统以及不同层次的各子系统之间虽然可能相联，但在结构与功能上大多无严格的逻辑与定量关系。柴油机系统在工作过程中，其零部件由于磨损、疲劳和老化等因素都会引起系统结构上的劣化、失效及各子系统间关系的变化，使系统故障特征在传播过程中发生一定的扭曲，再加上传播路径不止一条等因素，从而造成原始故障可能表现为多个子系统故障。因此故障与故障源之间的关系十分复杂,这种复杂的关系主要表现有：

1、故障的多样性和复杂性。柴油发动机出现故障的可能是多种多样的，并且在多数情况下可能同时出现几个故障。

2、一因多果，一果多因。系统的一个故障可能由多个原因引起，而这些原因也常常是交织在一起相互影响的。另一方面，系统的同一个原因可能由于系统结构和影响程度不同，可能导致不同的结果。

3、故障的产生有偶然性和必然性。系统中故障发生有时是偶然的，没有一定的规律可循，比如油泵坏。系统故障有时也是必然发生的，但它们持续不断，经常发生，并有一定的规律可循，比如润滑油粘度下降，其压力会降低等。

4、故障的产生与使用条件或柴油机的工作条件密切相关。同一系统随着使用条件或工作条件的不同，系统所产生的故障也不同。例如柴油机在不同的工作负荷下，可能出现故障，也可能不出现故障，并且出现故障的部位也不一定相同。另外司机的水平也对故障的产生有一定的影响。

5、故障的分析判断难，而处理容易。由于柴油发动机的结构复杂，当故障发生后，要想准确判断故障的发生部位和发生原因是比较困难的，必须对故障认真地检查、分析和判断，才能找出故障的部位和故障原因。故障一旦找出，往往

是比较容易处理的。

不论怎样，一旦发现系统有故障，不管大小，都应立即停车，认真检查，找出并排除故障。若置之不理，则容易排除的故障也会很快变成难以排除的故障，最终导致整个系统不能工作，甚至瘫痪和报废，从而造成巨大的经济损失。 柴油发动机系统故障是指系统的运行处于不正常状态，并可能导致其相应的功能失调，即导致系统相应的行为(输出)超出系统允许范围，使系统的功能低于规定的水平。从柴油发动机故障的复杂关系可以得出这些故障的主要性质有：

1、复杂性：由于构成设备的各部件之间相互影响、紧密耦合，致使故障原因与故障征兆之间表现出及其错综复杂的关系，即同一种故障征兆往往对应着几种故障原因，同一种故障原因又会引起多种故障征兆。使得故障诊断具有极大的复杂性。

2、层次性：故障的层次性源于诊断对象的层次性。从系统的观点来看，可以认为系统是有“元素”按一定规律聚合而成的，系统的元素可以是其子系统。子系统的元素可以是其更深层的子系统。依此类推，直到元素是物理元素为止。可见，系统是有层次的，其故障的产生对应于系统的层次性而表现出层次性。高层次的故障可以由低层次的故障引起，而低层次的故障必定引起高层次的故障。故障的层次性为制订故障诊断的策略和模型提供了方便，使复杂的系统诊断问题的求解效率更高。

3、时间性：只要系统运行，就会有故障产生，因而故障的产生是与时间有关的，是由其运行的动态特性所决定的。故障的传播机理表明，从原发性故障到系统故障的发生、发展与形成，是一个由量变到质变的过程，这个渐进的过程必然具有时间性。

4、相关性：复杂的系统是由其相互联系的子系统组成的整体，一旦出现故障，各子系统之间就会相互传播，相互影响，从而表现出相关性。

5、模糊性：系统运行状态的模糊性，以及人们在状态监测和故障诊断中存在许多模糊的概念和方法。

6、随机性和偶然性：由于故障发生存在时间性，则系统及其子系统、元部件发生故障必然存在必然性和偶然性。

7、不确定性：系统的元素特性和联系特性之间，故障监测与诊断设备性能

之间，系统、元素及联系的状态描述方法等都存在不确定性。

8、相对性：系统故障的发生与其所处的工作环境和工作条件有关。

本文所讲的柴油发动机运行状态监测与故障诊断系统就是利用传感器技术和计算机技术，通过对所测得的信号进行分析和处理，结合其历史状况，来定量识别柴油发动机及其零部件的实时状态参数，并判断有关异常、故障和预测其未来技术状态。从而确定对其采取何种措施，排除异常和故障。

2.3 柴油发动机常见故障及产生原因

由于柴油机系统结构复杂，为使问题简单化，按照柴油发动机在不解体的情况下按照其结构的划分，现将柴油发动机故障结构也分为四个子系统：燃油系统故障、润滑油系统故障、进排气系统故障和冷却系统故障【10】。系统故障和各子系统故障的逻辑关系图详见图2.2。

图2-2 柴油机系统故障结构

2.3.1 燃油系统常见故障及产生原因

表2-1 柴油机燃油系统故障分析及产生原因

续表

2.3.2 润滑系统常见故障及产生原因

表2-2柴油机润滑系统故障分析及产生原因

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ld5i.html