占加林，朱華炳，高晨輝，楊 兵，周福靜

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009；3.安徽思普泰克智能制造科技有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

多年以來，經(jīng)濟(jì)一直靠高消耗和高污染來發(fā)展，導(dǎo)致資源越來越匱乏，環(huán)境越來越惡劣，這使得發(fā)展綠色制造產(chǎn)業(yè)迫在眉睫，廢舊的機(jī)電產(chǎn)品包含著可重新利用的資源，再制造綠色制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1]。但再制造的零部件剩余壽命不一，表面質(zhì)量差異性大，主動(dòng)再制造理論通過分析典型零部件性能退化的特征去尋找最佳再制造時(shí)機(jī)，可使再制造效率及效益達(dá)到最大化。由于主動(dòng)再制造具有時(shí)機(jī)最佳性、主動(dòng)抉擇性、關(guān)鍵件優(yōu)先性、可批量化等顯著特點(diǎn)使得其近幾十年發(fā)展迅速[2-3]。國外再制造領(lǐng)域的研究首先由美國學(xué)者lund Robert t.教授[4-5]提出，經(jīng)過近40年的發(fā)展已日趨完善，涉及眾多工程領(lǐng)域。我國很多高校和研究所經(jīng)過幾十年的努力在再制造領(lǐng)域的研究也取得了很大進(jìn)展[6-8]。

由于國內(nèi)外關(guān)于設(shè)備壽命預(yù)測(cè)等重要問題的研究較少，尤其是在產(chǎn)品服役狀態(tài)參數(shù)對(duì)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)方面。因此，本文以R175型柴油機(jī)曲軸為研究對(duì)象，提出了主動(dòng)再制造的在線監(jiān)測(cè)方法與時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型，通過對(duì)其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，把耗油率的變化作為判斷特征，分析柴油機(jī)曲軸磨損—油耗的映射關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 柴油機(jī)服役狀態(tài)預(yù)測(cè)模型

我國鄧聚龍教授[9]首創(chuàng)了灰色系統(tǒng)理論，它把一般信息論、系統(tǒng)論、控制論的方法延伸到社會(huì)及其他抽象的系統(tǒng)中[10]?；疑A(yù)測(cè)是灰色理論的理論方法之一。本文采用灰色預(yù)測(cè)理論的經(jīng)典GM(1，N)模型對(duì)柴油機(jī)的服役周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過對(duì)顯示的少量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來處理原始數(shù)列，構(gòu)造灰色模型，以此為依據(jù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，推測(cè)未來的數(shù)據(jù)[11]。

柴油機(jī)經(jīng)過磨合之后，其性能達(dá)到一個(gè)峰值，在工作過程中，產(chǎn)品性能將逐漸下降，如圖1。主動(dòng)再制造的柴油機(jī)要在產(chǎn)品退役之前進(jìn)行修復(fù)，使得產(chǎn)品性能得以提升，使其達(dá)到再次正常使用的性能標(biāo)準(zhǔn)甚至超越新品，從而進(jìn)入再生服役周期[12-13]。如圖2所示的正常工作期可用來研究主動(dòng)再制造柴油機(jī)的服役狀態(tài)模型。

本文選取的柴油機(jī)服役狀態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)是耗油率，假定柴油機(jī)在磨合之后的前200 h的狀態(tài)是已知的，其在50 h、100 h、150 h、200 h時(shí)候的耗油率分別是a1(0)，a2(0)，a3(0)，a4(0)。

建立GM(1，N)模型的原始數(shù)列：

A(0)={a1(0)，a2(0)，a3(0)，a4(0)}。

(1)

預(yù)測(cè)結(jié)果：

ak(1)=(a0(1)-β/α)e-αt+β/α，

(2)

(3)

(4)

圖1 柴油機(jī)性能與時(shí)間的關(guān)系

圖2 主動(dòng)再制造的柴油機(jī)性能與時(shí)間的關(guān)系

由于柴油機(jī)整機(jī)的油耗可以用來表征柴油機(jī)整機(jī)的服役狀態(tài)，因此，預(yù)測(cè)的數(shù)列結(jié)果即為未來的柴油機(jī)繼續(xù)工作可能出現(xiàn)的油耗數(shù)據(jù)。

2 主動(dòng)再制造在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為了對(duì)柴油機(jī)的服役狀態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也為了獲取柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)了柴油機(jī)服役狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先基于R175型柴油機(jī)建立柴油機(jī)的工況模擬試驗(yàn)臺(tái)，使柴油機(jī)模擬真實(shí)工況進(jìn)行工作，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集柴油機(jī)工作期間的服役參數(shù)。

2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)中耗油率的監(jiān)測(cè)是通過天平式油耗儀實(shí)現(xiàn)的，曲軸的振動(dòng)信號(hào)是采用兩個(gè)垂直放置的渦流傳感器來監(jiān)測(cè)，同時(shí)，采用3個(gè)分別貼在柴油機(jī)x、y、z3個(gè)方向的加速度計(jì)對(duì)柴油機(jī)的整機(jī)高頻振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。柴油機(jī)活塞缸內(nèi)的壓力是通過一個(gè)壓力傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的，該壓力傳感器被嵌在柴油機(jī)的缸頭上，柴油機(jī)的缸頭上打有通孔。柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過PCI數(shù)據(jù)采集卡采集，由工控機(jī)對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算處理，并由液晶顯示器顯示。該柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

2.2 工況模擬試驗(yàn)臺(tái)

為了盡可能地模擬R175型柴油機(jī)的工作狀態(tài)，需要在柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)中針對(duì)柴油機(jī)添加可變負(fù)載，在添加負(fù)載的同時(shí)要輸出關(guān)鍵參數(shù)，為此選取了ZF20KB型磁粉測(cè)功機(jī)，將柴油機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)安裝在防震底座上，減少運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)影響。為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，如扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)，給磁粉測(cè)功機(jī)配了專用的控制器，如圖4所示。

后續(xù)進(jìn)一步完成了柴油機(jī)的主動(dòng)再制造在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架的搭建，其中包括柴油機(jī)的工況模擬試驗(yàn)臺(tái)、傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 柴油機(jī)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

3 柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型

柴油機(jī)的耗油率相較于其他參數(shù)能夠更直觀地體現(xiàn)出柴油機(jī)的工作狀態(tài)，且數(shù)據(jù)處理較為方便，故本試驗(yàn)采用油耗率作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。柴油機(jī)主動(dòng)再制造理想時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)是通過分析原始數(shù)列A(0)得到柴油機(jī)在服役區(qū)間的最佳再制造點(diǎn)。

3.1 耗油率測(cè)試試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

在R175型柴油機(jī)的工作磨合期之后，柴油機(jī)正常運(yùn)行200 h(見表1)，每50 h測(cè)一次油耗，得到10 g油消耗的時(shí)間，由測(cè)得的數(shù)據(jù)算出耗油率：

A={a0，a1，a2，a3，a4}。

(5)

表1 200 h內(nèi)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

在監(jiān)測(cè)油耗數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⒉裼蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在(2 500±3) r/min，扭矩為(15±0.1)N·m，經(jīng)過200 h的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)得其油耗數(shù)據(jù)見表2。

通過對(duì)耗油率測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，常柴股份公司R175型柴油機(jī)的耗油率會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而略有增加，但由于試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)成本的限制，無法進(jìn)行全壽命周期的試驗(yàn)，只能得到其前200 h的數(shù)據(jù)，由于柴油機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到其壽命極限甚至與其主動(dòng)再制造時(shí)域上限也相差甚遠(yuǎn)，故需要對(duì)其服役狀態(tài)做出預(yù)測(cè)[14-15]。假設(shè)預(yù)測(cè)出的柴油機(jī)的耗油率值符合函數(shù)：

y=a×exp(b×x)。

(6)

運(yùn)用Matlab的cftool工具箱對(duì)該曲線進(jìn)行指數(shù)函數(shù)的擬合。該指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果如圖6。

表2 200 h內(nèi)柴油機(jī)油耗測(cè)試結(jié)果

圖6 指數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果

該曲線擬合的誤差平方和：

SSE=8.613×exp(-8)。

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差：

RMSN=1.7×exp(-5)。

(8)

得到該R175型柴油機(jī)的服役時(shí)間t和耗油率A之間的預(yù)測(cè)模型為

A=0.218 4×exp(0.000 145 4×t)。

(9)

服役時(shí)間：

t=6 788.58ln(A/0.218 4)。

(10)

假設(shè)柴油機(jī)的再制造耗油率為AIP，那么柴油機(jī)的理想再制造時(shí)間點(diǎn)為

TIP=6 788.58ln(AIP/0.218 4)

(11)

4 柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗研究

前文對(duì)柴油機(jī)的油耗做了分析，提出通過柴油機(jī)的耗油率預(yù)測(cè)柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的方法，本節(jié)要進(jìn)行柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗映射關(guān)系的試驗(yàn)，由關(guān)鍵參數(shù)與柴油機(jī)耗油率之間的映射關(guān)系，可驗(yàn)證基于柴油機(jī)耗油率的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)方法的可行性。

4.1 曲軸磨損量試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

在R175型柴油機(jī)的工作過程中，曲軸最容易磨損的地方是連桿軸頸部位。本試驗(yàn)在柴油機(jī)的在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置5組試驗(yàn)，試驗(yàn)中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 400 r/min，磁粉測(cè)功機(jī)提供的扭矩為9 N·m，柴油機(jī)的功率約為2 261 W。每組試驗(yàn)之間的變量是曲軸的直徑，每根曲軸的連桿軸頸的直徑遞減0.09 mm，每組試驗(yàn)中柴油機(jī)的其他參數(shù)保持不變。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

通過對(duì)R175型柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，得到5組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，見表3。

表3 柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)的曲軸磨損—油耗進(jìn)行二次函數(shù)擬合，在這個(gè)樣本中，x為曲軸的磨損量，y為柴油機(jī)的耗油率，采用Matlab對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)的擬合。

對(duì)兩組數(shù)據(jù)處理后擬合：

y=-0.211 6x2+0.445 1x+0.332 0，

(12)

得到其擬合結(jié)果如圖7。

圖7 二元線性回歸擬合結(jié)果

該樣本的誤差：

ye=(0.028 6，0.314 3，0.771 4，0.714 3，0.228 6)。

(13)

該樣本的方差：

D(x)=E{[x-E(x)]2}=0.251 42。

(14)

通過擬合柴油機(jī)關(guān)鍵參數(shù)得到樣本誤差與方差，確定了柴油機(jī)曲軸磨損—油耗的映射關(guān)系，為研究柴油機(jī)的油耗和曲軸磨損之間的關(guān)系提供數(shù)據(jù)，并為研究柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的抉擇提供依據(jù)。

5 結(jié)論

主動(dòng)再制造雖很好地解決了再制造中諸多的不確定性問題，但其時(shí)機(jī)難以把握，本文以柴油機(jī)曲軸為例，針對(duì)產(chǎn)品主動(dòng)再制造的服役狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究：

1)針對(duì)柴油機(jī)的主動(dòng)再制造，提出了基于灰色預(yù)測(cè)理論的柴油機(jī)的服役狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，在搭建的柴油機(jī)工況模擬試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)新方法開展試驗(yàn)，且試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

2)通過耗油率測(cè)試試驗(yàn)，建立柴油機(jī)的服役時(shí)間t和耗油率A之間的預(yù)測(cè)模型，確定了柴油機(jī)曲軸的理想再制造時(shí)間點(diǎn)，印證了柴油機(jī)主動(dòng)再制造的時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)模型。

3)通過柴油機(jī)的曲軸磨損—油耗試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的離散程度較小，映射關(guān)系直接，相關(guān)性較強(qiáng)。通過柴油機(jī)的油耗能夠直接對(duì)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與理論吻合。