CN108801641A - 废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，包括：实时采集柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η；将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间；可靠性预测。本发明可以在船舶废气涡轮增压器现有的技术条件下，不增加或增加很小的成本实现对涡轮增压器的故障诊断及可靠性预测，管理人员可以通过故障诊断及可靠性预测的结果有针对性的对涡轮增压器进行保养，减少涡轮增压器故障的产生，降低设备故障带来的各种损失。

Description

废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法及其系统

技术领域

本发明属于废气涡轮增压器技术领域，尤其涉及一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法及其系统。

背景技术

废气涡轮增压器是船舶柴油机的重要组成部分，通过加装废气涡轮增压器可有效的提升柴油机的功率，优化燃烧过程，并降低燃油消耗率。由于船舶机舱比较密闭，废气涡轮增压器一般都工作在高温、高湿、强振动的恶劣环境下。另外，柴油机持续运行的时间一般较长，这也为废气涡轮增压器的管理提出了更高的要求。

废气涡轮增压器在运行一段时间后，往往会出现喷嘴或涡轮脏污、轴或轴承磨损、叶片裂纹等，这会为柴油机的安全运行带来较大的隐患。据统计，废气涡轮增压系统发生的故障率排在柴油机故障的首位。目前船舶上对于废气涡轮增压器的管理主要是监测其中的几个温度及压力参数，当这些参数越线时，进行报警。而对于引起这些状态参数变化的深层原因基本没有挖掘，这就造成了对涡轮增压器状态认知的盲目性。另外，目前船上对于废气涡轮增压器的管理依旧采取落后的定期维护的模式，这为及时的发现并处理涡轮增压器故障带来极大的不便。

故障诊断及设备的可靠性预测是目前船舶机舱管理的发展方向，该理念强调对设备的运行状态进行连续监测、实时评估、可靠性预测，最终实现设备的全生命周期管理。目前针对废气涡轮增压器的管理方法基本停留在连续监测阶段，对于实时评估，一些科研人员目前尝试了一些故障诊断方法，比如故障树法、振动分析法、支持向量机的故障诊断方法等，这些方法有的需要人工参与大量判断，有的需要增加设备，有的需要大量的故障样本，能够取得一定的成效，但是在进行评价时，基本都没有考虑设备老化对评价指标带来的影响，造成一些诊断结果并不准确。对于设备可靠性的预测方法，人们也做了很多的研究，基本可以划分为基于力学的可靠性预测方法、基于概率统计的可靠性预测方法等，其中基于力学的可靠性预测方法因缺少关键的应力传感器在废气涡轮增压器上并不适用。而目前人们对于基于概率统计的可靠性预测研究一般以整个系统为主体，当系统复杂或所包含的零部件很多时，预测针对性不强。考虑到目前船舶废气涡轮增压器的技术状态，以及经济性因素，一种基于船舶废气涡轮增压器现有条件的故障诊断及可靠性预测方法将面临很大的需求。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法及其系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，包括：

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P,t为采样时间；

B、将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器；

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

C、可靠性预测：

获取所述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据；

通过所述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障信息分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组；

根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

本方案还包括对所述健康状态标定数据进行预标定：

采集柴油机至少在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P；

提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T；

对不同负载的上述数据分别取平均值；

通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

所述步骤B的触发条件为：废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％。

所述步骤A还包括对所述柴油机状态数据进行预处理：

采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P；

采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。

本方案还涉及一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，包括存储模块，所述存储模块包括由处理器加载并执行的多条指令：

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P,t为采样时间；

B、将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器；

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

C、可靠性预测：

获取所述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据；

通过所述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障信息分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组；

根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

本方案还包括对所述健康状态标定数据进行预标定：

采集柴油机至少在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P；

提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T；

对不同负载的上述数据分别取平均值；

通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

所述步骤B的触发条件为：废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％。

所述步骤A还包括对所述柴油机状态数据进行预处理：

采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P；

采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。

本发明可以在船舶废气涡轮增压器现有的技术条件下，不增加或增加很小的成本实现对涡轮增压器的故障诊断及可靠性预测，管理人员可以通过故障诊断及可靠性预测的结果有针对性的对涡轮增压器进行保养，减少涡轮增压器故障的产生，降低设备故障带来的各种损失。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：

图1为本发明的废气进涡轮增压器温度曲线及中位值滤波后的曲线对比示意图；

图2为本发明的涡轮增压器转速曲线及五点三次滤波后的曲线对比示意图；

图3为本发明的诊断区域示意图；

图4为本发明的柴油机功率与涡轮增压器转速的最小二乘法拟合图；

图5为本发明的失效阶段示意图；

图6为本发明的失效曲线示意图。

具体实施方式

一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，包括:

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P，t为采样时间；

因机舱各种环境的干扰以及柴油机的瞬时波动，采集到的数据可能存在噪声，需要对柴油机状态数据进行预处理，从而剔除异常数据。

本实施例可使用机舱报警系统采集的数据或加装传感器进行数据的采集。

为了更好的反映信号的变化趋势，在预处理过程中，对不同的信号采用不同的滤波方法：

1、采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，N可以根据柴油机状态数据采集的周期进行选定，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P。

本实施例中，N选取为9，其中柴油机的废气进涡轮增压器温度曲线及中位值滤波后的曲线对比如图1所示。

2、采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。

本实施例中柴油机的涡轮增压器转速曲线及五点三次滤波后的曲线对比如图2所示。

在预处理完毕后，使用滤波后的数据计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T。

压气机效率η_K的计算采用如下公式：

其中，h_2s为压力压气机等熵压缩到P2时的焓值，△h_sK压气机出口的等熵焓增，△h为压气机出口的实际焓值，k₁为空气的比热比。

涡轮机效率η_T的计算采用如下公式：

其中，h_4s涡轮机等熵膨胀到P4时的焓值，△h_T为涡轮机出口的等熵焓降，△h_ST为涡轮机出口的实际焓降，k_t为燃气的比热比，T^* ₃为废气进涡轮增压器的滞止温度，其可通过T3和该点的速度v₃进行求得(因现有船舶上基本不安装废气速度传感器，该值可以通过增压器厂商进行获取)：

其中，c_p为燃气的定压比热容。

B、将柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

1、当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器，适用于各阶段。

2、当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器，适用于各阶段。

3、当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机。

4、当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机。

5、当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

6、当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

7、当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机。

8、当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机。

9、当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

10、当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

11、当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

12、当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

13、当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

14、当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

15、当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

16、当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

17、当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

为了避免对非涡轮增压器故障进行误判，如柴油机后燃严重、排气阀漏气等，本发明对步骤B的触发条件做了限定：当废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％时，才进行故障诊断，诊断触发区域如图3阴影部分所示。

本实施例的触发条件为废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据。

需要指出的是，上述健康状态标定数据的预标定过程如下：

1、本实施例通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P。

其中，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

2、提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T，两者的计算请参考步骤A。

3、对不同负载的上述数据分别取平均值。

4、通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

使用最小二乘法进行拟合时，阶数的选取按照实际的拟合结果进行确定。本实施例中柴油机功率与涡轮增压器转速的最小二乘法拟合图如图4所示。

C、可靠性预测：

1、获取上述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据。

由于脏污受环境影响较大，不作为样本数据。

当然，故障历史信息也可以由人工录入，人工录入时，需提供故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间。

通过上述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障发生时间的分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组，由于求解较复杂，使用Newton-Raphson迭代法进行计算。

设备失效一般分为三个阶段，分别为早期失效期、偶然失效期和老化失效期，如图5所示。根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。

通过可靠性预测可以得出设备处于设备失效的具体阶段，从而进行针对性的保养，并且可以根据设备不同的失效阶段为步骤B设计不同的诊断指标。如对于转子磨损故障的判定，当设备处于早期和偶然失效期时，诊断指标比较苛刻，但是设备处于老化失效期时，由于磨损等比较严重，诊断指标相对放置的较宽，这样可以避免误报。

并且，可以通过公式(3)预测下一次建议的维修保养时间。

其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

本发明可以对涡轮增压器整体及五个分类分别进行可靠性预测。

为了更好的进行说明，以某型号的涡轮增压器整体可靠性预测进行说明。某型号废气涡轮增压器的机械故障信息如表1所示：

表1

利用本发明提供的计算方法可以计算求得：α为1479.53，β为1.37，γ为554.43，对应的目标函数的最大值为-244.29。根据β的值可知该涡轮增压器处于老化失效期的早期损耗阶段。将三个参数带入到公式(3)中，便可得出该涡轮增压器的可靠度函数，并能够据此画出该涡轮增压器的可靠度曲线，如图6所示。

另外，当认定可靠度低于某值时，应该进行保养，则把该值带入到公式(3)中，便可求得相应的保养时间。比如，当认定设备的可靠性≥80％时，设备可靠，当低于80％时，设备需要保养，则将R(x)＝0.8，α＝1479.53，β＝1.37，γ＝554.43带入到公式(3)中，可以求得x≈1049(h),即表明应该在废气涡轮增压器在运行1049小时后进行保养。

本发明还涉及一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，包括存储模块，存储模块包括由处理器加载并执行的多条指令：

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P，t为采样时间；

因机舱各种环境的干扰以及柴油机的瞬时波动，采集到的数据可能存在噪声，需要对柴油机状态数据进行预处理，从而剔除异常数据。

本实施例可使用机舱报警系统采集的数据或加装传感器进行数据的采集。

为了更好的反映信号的变化趋势，在预处理过程中，对不同的信号采用不同的滤波方法：

1、采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，N可以根据柴油机状态数据采集的周期进行选定，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P。

本实施例中，N选取为9，其中柴油机的废气进涡轮增压器温度曲线及中位值滤波后的曲线对比如图1所示。

2、采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。

本实施例中柴油机的涡轮增压器转速曲线及五点三次滤波后的曲线对比如图2所示。

在预处理完毕后，使用滤波后的数据计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T。

压气机效率η_K的计算采用如下公式：

其中，h_2s为压力压气机等熵压缩到P2时的焓值，△h_sK压气机出口的等熵焓增，△h为压气机出口的实际焓值，k₁为空气的比热比。

涡轮机效率η_T的计算采用如下公式：

其中，h_4s涡轮机等熵膨胀到P4时的焓值，△h_T为涡轮机出口的等熵焓降，△h_ST为涡轮机出口的实际焓降，k_t为燃气的比热比，T^* ₃为废气进涡轮增压器的滞止温度，其可通过T3和该点的速度v₃进行求得(因现有船舶上基本不安装废气速度传感器，该值可以通过增压器厂商进行获取)：

其中，c_p为燃气的定压比热容。

B、将柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

1、当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器，适用于各阶段。

2、当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器，适用于各阶段。

3、当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机。

4、当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机。

5、当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

6、当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

7、当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机。

8、当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机。

9、当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

10、当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

11、当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机。

12、当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

13、当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成。

14、当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

15、当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

16、当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

17、当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构。

为了避免对非涡轮增压器故障进行误判，如柴油机后燃严重、排气阀漏气等，本发明对步骤B的触发条件做了限定：当废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％时，才进行故障诊断，诊断触发区域如图3阴影部分所示。

本实施例的触发条件为废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据。

需要指出的是，上述健康状态标定数据的预标定过程如下：

1、本实施例通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P。

其中，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

2、提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T，两者的计算请参考步骤A。

3、对不同负载的上述数据分别取平均值。

4、通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

使用最小二乘法进行拟合时，阶数的选取按照实际的拟合结果进行确定。本实施例中柴油机功率与涡轮增压器转速的最小二乘法拟合图如图4所示。

C、可靠性预测：

1、获取上述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据。

由于脏污受环境影响较大，不作为样本数据。

当然，故障历史信息也可以由人工录入，人工录入时，需提供故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间。

通过上述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障发生时间的分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组，由于求解较复杂，使用Newton-Raphson迭代法进行计算。

设备失效一般分为三个阶段，分别为早期失效期、偶然失效期和老化失效期，如图5所示。根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。

通过可靠性预测可以得出设备处于设备失效的具体阶段，从而进行针对性的保养，并且可以根据设备不同的失效阶段为步骤B设计不同的诊断指标。如对于转子磨损故障的判定，当设备处于早期和偶然失效期时，诊断指标比较苛刻，但是设备处于老化失效期时，由于磨损等比较严重，诊断指标相对放置的较宽，这样可以避免误报。

并且，可以通过公式(3)预测下一次建议的维修保养时间。

其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

本发明可以对涡轮增压器整体及五个分类分别进行可靠性预测。

为了更好的进行说明，以某型号的涡轮增压器整体可靠性预测进行说明。某型号废气涡轮增压器的机械故障信息如表1所示：

表1

利用本发明提供的计算方法可以计算求得：α为1479.53，β为1.37，γ为554.43，对应的目标函数的最大值为-244.29。根据β的值可知该涡轮增压器处于老化失效期的早期损耗阶段。将三个参数带入到公式(3)中，便可得出该涡轮增压器的可靠度函数，并能够据此画出该涡轮增压器的可靠度曲线，如图6所示。

另外，当认定可靠度低于某值时，应该进行保养，则把该值带入到公式(3)中，便可求得相应的保养时间。比如，当认定设备的可靠性≥80％时，设备可靠，当低于80％时，设备需要保养，则将R(x)＝0.8，α＝1479.53，β＝1.37，γ＝554.43带入到公式(3)中，可以求得x≈1049(h),即表明应该在废气涡轮增压器在运行1049小时后进行保养。但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，包括：

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P,t为采样时间；

B、将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器；

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

C、可靠性预测：

获取所述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据；

通过所述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障信息分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组；

根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

2.根据权利要求1所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，还包括对所述健康状态标定数据进行预标定：

采集柴油机至少在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P；

提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T；

对不同负载的上述数据分别取平均值；

通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

3.根据权利要求2所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

4.根据权利要求1或3所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，所述步骤B的触发条件为：废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％。

5.根据权利要求4所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测方法，其特征在于，所述步骤A还包括对所述柴油机状态数据进行预处理：

采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P；

采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。

6.一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，包括存储模块，所述存储模块包括由处理器加载并执行的多条指令：

A、实时采集如下柴油机状态数据，并提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P,t为采样时间；

B、将所述柴油机状态数据与相应的预标定的健康状态标定数据进行对比，结合上一次可靠性预测结果，诊断涡轮增压器的当前状态,并保存故障历史信息，所述故障历史信息包括故障名称、故障历史信息、所属分类以及故障发生时间：

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≥1.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)、柴油机功率P≤0.95*柴油机功率标定值以及压气机效率η_K≤0.97*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器脏污，故障类型为脏污，所属分类为空气滤清器；

当(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力P1)≤0.5*(空气进空滤器压力-空气进涡轮增压器压力标定值)以及柴油机功率P≤1.02*柴油机功率标定值时，则有诊断结果：故障名称为空滤器破损，故障类型为机械故障，所属分类为空气滤清器；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.95*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.9*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥10、涡轮增压器转速n≤0.97*涡轮增压器转速标定值以及压气机效率η_K≤0.90*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机脏污，故障类型为脏污，所属分类为压气机；

当压气机处于非快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.80*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机处于快速损耗期时，若(空气进涡轮增压器压力P1-空气出涡轮增压器压力P2)≤0.8*(空气进涡轮增压器压力标定值-空气出涡轮增压器压力标定值)、(空气进涡轮增压器温度T1-空气出涡轮增压器温度T2)超过(空气进涡轮增压器温度标定值-空气出涡轮增压器温度标定值)≥15℃、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为压气机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥2*涡轮增压器转速信号特征标定值、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值、(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥20℃以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机脏污，故障类型为脏污，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.95*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.9*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.9*涡轮增压器转速标定值以及涡轮机效率η_T≤0.90*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机排气管异常，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)以及涡轮增压器转速n≤0.85*涡轮增压器转速标定值时，则有诊断结果：故障名称为喷嘴环故障，故障类型为机械故障，所属分类为涡轮机；

当涡轮机处于非快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当涡轮机处于快速损耗期时，若(废气进涡轮增压器温度T3-废气出涡轮增压器温度T4)低于(废气进涡轮增压器温度标定值-废气出涡轮增压器温度标定值)≥35℃、(废气进涡轮增压器压力P3-废气出涡轮增压器压力P4)≤0.85*(废气进涡轮增压器压力标定值-废气出涡轮增压器压力标定值)、涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为涡轮机叶片故障，故障类型为机械故障，所属分类为转子总成；

当压气机和涡轮机处于非快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机处于快速损耗期时，若涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.8*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当涡轮机处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.8*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_K≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

当压气机和涡轮机均处于快速损耗期时，涡轮增压器转速n≤0.8*涡轮增压器转速标定值、涡轮增压器转速信号特征值dn/dt≥5*涡轮增压器转速信号特征标定值、滑油进涡轮增压器压力P_oil≤1.2bar、滑油出涡轮增压器温度T_oil超过滑油出涡轮增压器温度标定值≥10℃、压气机效率η_K≤0.75*压气机效率标定值以及涡轮机效率η_T≤0.75*涡轮机效率标定值时，则有诊断结果：故障名称为轴承故障，故障类型为机械故障，所属分类为轴承机构；

C、可靠性预测：

获取所述故障历史信息，将故障类型为机械故障的数据作为可靠性预测的样本数据；

通过所述样本数据，并采用基于三参数Weibull分布的基本模型进行可靠性预测：

假设故障信息分布符合Weibull分布，则其分布函数为：

概率密度函数为：

可靠度函数为：

α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数,三者的取值采用最大似然函数进行估计：

将公式(2)代入到极大似然函数得到针对三参数Weibull分布的极大似然函数为：

两边取对数后得到：

对α、β以及γ分别求偏导，得到三参数Weibull的似然方程组为：

将公式(5)代入公式(6)得到关于α、β以及γ的线性方程组；

根据分布函数的特点，当β<1时，设备运行在早期失效期，当β＝1时，设备运行在偶然失效期，当1<β<4时，设备运行在老化失效期的早期损耗阶段,当β>4时，设备运行在老化失效期的快速损耗阶段。其中，x的取值为：

对废气涡轮增压器的整体故障进行可靠性预测时，x取样本数据中的各故障发生时间；

对废气涡轮增压器的各分类故障分别进行可靠性预测时，x取样本数据中相应分类的故障发生时间。

7.根据权利要求6所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，还包括对所述健康状态标定数据进行预标定：

采集柴油机至少在六种负载状态时的健康状态数据，每种负载的稳定运行的时间不少于5分钟，所述健康状态数据为：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、涡轮增压器转速n、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil、柴油机功率P；

提取涡轮增压器转速信号特征值dn/dt，并计算压气机效率η_K以及涡轮机效率η_T；

对不同负载的上述数据分别取平均值；

通过最小二乘法对各平均值进行拟合，然后根据拟合的结果进行标定。

8.根据权利要求7所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，通过台架试验或者柴油机的历史数据采集柴油机在六种负载状态时的健康状态数据，六种负载状态分别为25％、50％、75％、85％、100％、110％。

9.根据权利要求6或8所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，所述步骤B的触发条件为：废气进涡轮增压器温度T3以及废气进涡轮增压器压力P3均不大于相应的标定数据*105％。

10.根据权利要求9所述的一种废气涡轮增压器的故障诊断与可靠性预测系统，其特征在于，所述步骤A还包括对所述柴油机状态数据进行预处理：

采用中位值滤波法对如下数据进行滤波，其连续采样次数为N，连续采样N次的时间≤5s：

空气进涡轮增压器温度T1、空气进涡轮增压器压力P1、空气出涡轮增压器温度T2、空气出涡轮增压器压力P2、废气进涡轮增压器温度T3、废气进涡轮增压器压力P3、废气出涡轮增压器温度T4、废气出涡轮增压器压力P4、滑油进涡轮增压器压力P_oil、滑油出涡轮增压器温度T_oil以及柴油机功率P；

采用五点三次滤波法对涡轮增压器转速n进行滤波。