基于粗糙集的柴油机排气阀烧蚀因素研究

现代船舶控制理论基于粗糙集的柴油机排气阀烧蚀因素研究

研究领域：船舶与海洋工程（专硕）

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基于粗糙集的柴油机排气阀烧蚀因素研究

摘要：为探讨船用柴油机排气阀烧蚀形成因素的一般规律，随机选取20艘大连中远船务工程有限公司于2005到2015

年间上坞修理的吨位在2万吨到8万吨不等，主机功率在

5000kw到1万2000kw不等的散货船。利用粗糙集理论提取影响主机排气阀烧蚀的有效条件属性，并利用遗传算法对属性约简过程进行优化。

关键词：船用柴油机、排气阀烧蚀、粗糙集、遗传算法

船用柴油机功率大、工作条件恶劣，无论是四冲程还是二冲程柴油机，其排气阀头部都直接与高温高压的燃气接触，并受高温燃气的冲刷，承受着很高的热负荷。在高增压柴油机上，排气阀打开瞬间的燃气温度可达900〜1000 C,气

流速度可达到800m/s。因此，排气阀极易出现烧蚀现象，据日本船级社（NK）在2013年的一份调查报告显示，排气阀烧蚀故障占到所有气阀常见故障总数的90%以上。然而，在

一般的排气阀烧蚀故障诊断中，往往认为是很多因素共同作用的结果，其中不乏冗余因素的存在。在海量的数据中，寻找出造成柴油机排气阀烧蚀的关键性因素，对优化柴油机的设计，降低柴油机成本，提高排气阀寿命和指导轮机人员的一般维护工作具有重要意义。

对于排气阀烧蚀的因素简化，我们可以利用粗糙集属性约简的方法，粗糙集理论具有在保证原分类能力不变的前提下，约简分类

条件去除冗余信息的性质。遗传算法是模拟生物遗传进化过程的一种自适应全局优化方法，对于约简的过程，可以选取遗传算法进行优化以实现在不影响分类能力下的条件属性最大的约简。

1.柴油机排气阀烧蚀因素分析

柴油机本身是一个含有众多非线性不确定因素的难易用一个确定数学模型描述的复杂系统，造成其排气阀烧蚀的原因可能是多种因素共同作用的结果。按照柴油机系统的组成和换气系统自身的结构，我们可以把影响因素确立为以下几个方面。

（1）燃油系统，现代共轨喷射柴油机能够实现燃油的二次燃烧，提高了燃油的利用率并且降低了燃烧室部件的热负荷，因此将是否共轨喷射作为一个影响因素。

（2）冷却系统，现代柴油机排气阀普遍采用强制水冷式阀座，能够加速排气阀热量的排除，降低热负荷，将冷却系统是否存在故障作为一个影响因素。

（3）安装旋阀器，旋阀器能使阀盘均匀受热，防止翘曲并防止积碳形成，将其设为一个影响因素。

（4）滑油系统，滑油系统润滑气阀导管和阀杆之间的间隙，防止过度磨损造成排气阀窜动，高温燃气泄漏造成排气阀烧蚀，将滑油系统是否存在故障作为一个影响因素

（5）耐热材料，阀盘和阀座采用铬镍材料能够提高其耐热性，防止高温腐蚀出现，然而会提高柴油机的成本，将是否排气阀部件是否采用耐热合金作为一个影响因素。

（6）气阀驱动机构，主要有机械式和液压式两种，液压式能

够减少落座冲击且不用调整气阀间隙，有利于减少泄漏燃气的冲击，作为一个影响因素。

（7）柴油机种类，四冲程柴油机较二冲程柴油机转速高喷油提前角大，其燃烧更剧烈，燃烧室热负荷大，将四冲程柴油机和二冲程柴油机分为两类。

（8）隔热空气槽，在柴油机阀座气阀接触线外缘有一道隔热空气槽，可以降低接触线处的温度，防止接触线烧蚀漏气，而一些较早型号的柴油机没有采用此类设计，将其作为一个影响因素。

（9）增压方式，柴油机配气系统的增压方式对柴油机排气温度和压力及进气量的多少均有影响，进而影响排气阀件的热负荷，排气系统的增压方式主要分为3类。

（10）气阀机构的维护，考虑到实际过程中难易对轮机人员维护工作进行衡量，在本文中排气阀维护主要考虑机械式气阀驱动气阀

间隙的调整和阀盘研磨合理与否两处作为维护工作是否到位的界定。

2.粗糙集理论

粗糙集理论具有在不改变条件属性分类能力的前提下

对条件属性进行约简的能力。

粗糙集理论将知识定义为对事物的分类能力，需要分类的事物的集合定义为论域U，R是U上的二元等价关系的集

合，也叫知识库，将K=(U,R)定义为一个近似空间。设R=U「x，则定义该知识库中的不可区分关系为ind( R)，满足U/ind(R) =|；(U/r x)。对于

R中任意1个二元关系—若有in c(R) =in c(R — r s)，则说明L是可以约简的条件属性，如果每一R中的每一个r都是不可约简的，则称R 是独立的。若Q R，ind(Q)=ind(P)，则称Q是P的约简。

近似空间可以写成K=(U,C,D)的形式，称为决策表，C称为条件属

性，D称为决策属性。决策属性对应于条件属性的正域定义为pos c(D)= U C(x)，即U关于D的商集在U关于C x曲/D

的商集上的下近似的集合。通常，我们定义决策属性D对条

件属性C的依赖度为Y c(D) = P°U(D)，并以此来衡量约简条件属性对分类能力的影响。

3.遗传算法对约简过程的优化

遗传算法对于解决属性约简这类的NP完全问题有良好

的效果，所以在本文中采用遗传算法优化属性约简的过程。

遗传算法是模拟自然界生物进化从而寻找到全局最优

解的一种方法。首先，确定种群数量，并对每一个染色体进行编码（编码可以米用二进制数或者十进制数），染色体的

长度要相同；然后，按照一定的交叉率pc在两条染色体某处进行交叉替换，按照一定的变异率pm对单条染色体某处进

行变异；最后，得出每个染色体的适应度并按照轮盘赌策略对父代进行叠代，执行N代后，适应度将不再提高，以此作为最优解。

本文中采用matlab自带的optimization工具箱中的gatool 工具执行遗传算法。为了实现最大的且依赖度减小最小的约简，将加权