CN110333265B - 一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法和系统。该方法包括以下步骤或者该系统被配置为执行以下操作：采集机车发动机的排气温度；统计机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数；统计机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间；根据统计出的排气温度循环交变次数和高排气温度累计时间来预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命。本发明提供的方法和系统通过计算机车发动机排气波纹管的剩余寿命，实现机车发动机排气波纹管剩余寿命的提前预测，降低机车发动机排气波纹管的故障率和故障影响，从而降低机车发动机的运维成本；并且通过排气温度预警和降功保护功能，实现保护和提高机车发动机排气波纹管的运用寿命。

Description

一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通部件寿命预测技术领域，尤其涉及一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法及系统。

背景技术

排气波纹管是机车发动机上的常用部件。排气波纹管是由不少于二个金属波纹及端部直边段组成的弹性元件，安装在排气系统管路上，用于补偿因温度变化而产生的排气系统管路膨胀(或收缩)及管路制造安装等引起的尺寸累计误差。排气波纹管的工作环境十分恶劣复杂，在轴向和径向上均受高温高压气流的高频冲击和振动，且因机车发动机牵引工况频繁变化，排气波纹管承受温度循环交变造成的疲劳应力影响。

排气波纹管在设计、材料选择和加工制造时，均对其工作环境条件和在此工作环境下的使用寿命进行了规定，例如某机车柴油机排气波纹管的工作温度范围-40℃～650℃，工作压力不大于0.35Mpa，轴向位移不大于5mm，径向位移不大于1.5mm，在此工作环境条件下的疲劳寿命满足8000次排气温度循环交变。

在实际应用中，目前机车发动机排气波纹管的维修方式是故障事后维修和按照机车一定的运用时间或运行公里进行更新，未对其使用条件进行监测和控制，也未对其循环交变次数进行计算统计，因此无法有效提高发动机排气波纹管的运用可靠性，也无法提前预测排气波纹管的使用寿命。

排气波纹管的故障会造成发动机高温燃气泄漏，轻则影响发动机性能或致使发动机故障停机，重则造成火灾事故。目前没有监控手段来提高发动机排气波纹管的运用可靠性，故障事后维修不能提前预防排气波纹管故障，降低故障影响。按照机车一定时间或运行公里进行更新的计划性维修方式具有一定的不准确性，致使发动机运维时效、管理、成本上都不理想。

基于此，现有技术仍然有待改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种科学的排气波纹管寿命预测的方法及系统，以提高排气波纹管的运用寿命，提前预测排气波纹管的剩余寿命，降低排气波纹管的故障率和故障影响，从而降低发动机机的运维成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法，该方法包括以下步骤：

采集机车发动机的排气温度；

统计机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数；

统计机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间；

根据统计出的排气温度循环交变次数和高排气温度累计时间来预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命。

进一步地，统计采集到的排气温度从低温数值升高到高温数值然后再降低到该低温数值的次数作为机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数。其中，高温数值可以设置为机车发动机最高档位时正常排气温度，低温数值可以设置为机车发动机最低档位时正常排气温度。

进一步地，统计采集到的排气温度超过第一阀值的时间作为机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间。其中，第一阀值可以设置为机车发动机排气波纹管最高允许工作温度的90％～95％，且高于机车发动机最高档位时正常排气温度5％以上。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

根据高排气温度累计时间计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数。

进一步地，根据高排气温度累计时间计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数是根据以下公式进行的：

其中s₁为高排气温度累计时间，s为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间，n为排气波纹管理论寿命,n_y为所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数。

进一步地，预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命是根据以下公式进行的：

n₀＝(n-n₁)-n_y，

其中n₀为排气波纹管的剩余寿命，n为排气波纹管理论寿命，n₁为排气温度循环交变次数，n_y为高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数。

进一步地，排气波纹管理论寿命n通过以下方法确定：

将多个排气波纹管样本按照预定的排气温度循环交变频率进行试验，期间排气温度不允许超过高预警阀值，统计计算直到排气波纹管故障时多个排气波纹管样本的排气温度循环交变次数均值，作为排气波纹管理论寿命。

进一步地，排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间通过以下方法确定：

将多个排气波纹管样本在一定范围内的排气温度下进行试验，期间不允许出现排气温度交变，统计计算直到排气波纹管故障时多个排气波纹管样本的寿命时间均值，作为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间。

根据本发明的另一个方面，提供了一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的系统，该系统包括：

传感器，该传感器用于采集机车发动机的排气温度；

控制器，该控制器被配置为执行以下操作：

统计机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数；

统计机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间；

根据统计出的排气温度循环交变次数和高排气温度累计时间来预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命。

进一步地，该控制器被配置为执行以下操作：

将采集到的排气温度与第一阀值进行比较；

如果采集到的所述排气温度大于所述第一阀值，则进行预警提示；和/或

将采集到的排气温度与第二阈值进行比较；

如果采集到的排气温度大于第二阀值，则进行降功。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

1.通过排气温度循环交变次数的统计，并综合高排气温度对排气波纹管的寿命折损，计算机车发动机排气波纹管的剩余寿命，实现机车发动机排气波纹管剩余寿命的提前预测，降低机车发动机排气波纹管的故障率和故障影响，从而降低机车发动机的运维成本。

2.通过排气温度预警和降功保护功能，实现保护和提高机车发动机排气波纹管的运用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法的流程图；

图2为本发明提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

图1示出了本发明提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法100的流程图。该方法100包括以下步骤：

在步骤102中，通过设置在机车发动机排气波纹管附近的排气温度传感器实时或者以一定间隔采集排气温度。

在步骤104中，统计机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数。具体地，当采集的排气温度从一低温数值升高到一高温数值然后在降低到所述低温数值时，判定为一次排气温度循环交变。统计排气波纹管自使用以来所经历的排气温度循环交变次数。高温数值可以采用机车发动机最高档位时正常排气温度，低温数值可以采用机车发动机最低档位时正常排气温度。当然，高温数值和低温数值并不限于此，可以采用不同于上述值的其他值。

在步骤106中，统计机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间。具体地，统计排气波纹管自使用以来所经历的排气温度超过排气温度高预警阀值t1的总时间(按秒)作为高排气温度累计时间。排气温度高预警阀值t1可以设置为机车发动机排气波纹管最高允许工作温度的90％～95％，且高于机车发动机最高档位时正常排气温度5％以上。通常而言，在设计排气波纹管时，最高允许工作温度留有至少比最高档位时正常排气温度高10％的余量。

在步骤108中，根据高排气温度累计时间计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数。具体地，根据以下公式计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数：

其中s₁为高排气温度累计时间，s为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间，n为排气波纹管理论寿命(也称为排气波纹管理论交变次数)。

在步骤110中，根据统计出的排气温度循环交变次数和计算出的高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数来预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命。具体地，根据以下公式预测机车发动机排气波纹管的剩余寿命：

n₀＝(n-n₁)-n_y，

其中n₀为排气波纹管的剩余寿命，n为排气波纹管理论寿命，n₁为排气温度循环交变次数，n_y为高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数。

在本发明的一个实施例中，排气波纹管理论寿命n和排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间s可以通过实验确定。

确定排气波纹管理论寿命n的试验方法为：将多个排气波纹管样本按照一定的排气温度循环交变频率(例如，1次/分钟)进行试验，期间排气温度不允许超过预警阀值t1，直到排气波纹管故障时，统计计算在此期间多个样本的排气温度循环交变次数均值，作为排气波纹管理论寿命n。在此需要说明的是，此处确定的排气波纹管理论寿命n不同于排气波纹管的设计使用寿命(即在背景技术中提到的排气波纹管在设计、材料选择和加工制造时规定的使用寿命)，主要是由于其考虑到了排气波纹管的实际工作环境，相比于排气波纹管的设计使用寿命更接近排气波纹管在实际工况下的寿命。

确定排气波纹管在高排气温度下理论寿命时间s的试验方法为：将多个排气波纹管样本在一定范围内(例如，t1～t2,t2为降功保护阀值，具体参见下文说明)的排气温度下进行试验，期间不允许出现排气温度交变，直到排气波纹管故障时，统计计算在此期间多个样本的寿命时间均值，作为排气波纹管在高排气温度下理论寿命时间s。

本发明提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法100还可以包括一些保护和提高发动机排气波纹管的运用寿命的步骤。例如，在一个实施例中，方法100还包括以下步骤：将采集到的机车发动机的排气温度与排气温度高预警阀值t1进行比较；如果采集到的排气温度大于排气温度高预警阀值t1，则进行预警提示(例如，在机车发动机控制系统的人机交互界面上进行预警提示)。在一个实施例中，方法100还包括以下步骤：将采集到的机车发动机的排气温度与降功保护阀值t2进行比较；如果采集到的排气温度大于降功保护阀值t2，则向机车发动机控制系统发出发动机降功请求，然后机车发动机控制系统进行降功，降功方式采用PI降功，即按照一定的时间斜率(千瓦/秒)进行降功，直到排气温度降到设定的回差值时，再按照一定的时间斜率缓慢恢复功率。当然，在采集到的排气温度大于降功保护阀值t2的情况下，对于不同的发动机系统，可以采取不同的措施来实现保护和提高发动机排气波纹管的运用寿命的目的，例如，对于某些发动机系统，此时可以采取停机操作。降功保护阀值t2可以设置为发动机排气波纹管最高允许工作温度，

图2示出了本发明提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的系统200的示意图。该系统200包括：排气温度传感器202；可编程逻辑控制器(PLC)系统；以及机车发动机控制系统206。

排气温度传感器202设置在机车发动机排气波纹管附近，用于采集机车发动机的排气温度。其中排气温度传感器的输出信号一般为毫伏电压信号或毫安电流信号。

PLC系统包括信号采集模块204a、处理模块204b、数据存储模块204c和数据通信模块204d。

信号采集模块204a采用能够为排气温度传感器供电并将排气温度传感器输出的电信号转换为模拟量信号的电路板或芯片产品，具有滤波和抗电磁干扰功能。

处理模块204b能够接收来自信号采集模块204a的模拟量信号，并且根据其中编程的软件程序实现预警和降功保护功能、数据统计功能和剩余寿命预测功能。

在PLC软件程序中设计排气温度高预警阀值t1和降功保护阀值t2。t1可以设置为机车发动机排气波纹管最高允许工作温度的90％～95％，且高于机车发动机最高档位时正常排气温度5％以上(因为在设计排气波纹管时，最高允许工作温度留有至少比最高档位时正常排气温度高10％的余量)，当排气温度超过该阀值时，PLC软件程序进行预警提示。t2可以设置为发动机排气波纹管最高允许工作温度，当排气温度超过该阀值时，PLC软件程序向机车发动机控制系统发出发动机降功请求，机车发动机控制系统进行降功，降功方式采用PI降功，即按照一定的时间斜率(千瓦/秒)进行降功，直到排气温度降到设定的回差值时，再按照一定的时间斜率缓慢恢复功率。

在PLC的软件程序中设计数据统计功能，包括排气温度循环交变次数统计、高排气温度累计时间统计。排气温度循环交变次数统计的方法为：设置一个高温数值(可以采用机车发动机最高档位时正常排气温度)和一个低温数值(可以采用机车发动机最低档位时正常排气温度)，当采集的排气温度从低温数值升高到高温数值，然后在降低到低温数值时，则系统程序判定为一个排气温度循环交变次数，并进行循环交变次数统计。高排气温度累计时间统计的方法为：当排气温度超过预警阀值t1时，按秒对超过的时间进行统计。

在PLC软件程序中设计排气波纹管剩余寿命预测功能，预测算法为：

n₀＝(n-n₁)-n_y，

其中n₀为排气波纹管的剩余寿命，n为排气波纹管理论寿命(也称为排气波纹管理论交变次数)，n₁为排气温度循环交变次数，n_y为高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数，

其中s₁为高排气温度累计时间，s为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间。

排气波纹管理论寿命n和排温波纹管在高排气温度下理论寿命时间s均可通过试验确定。排气波纹管理论寿命n确定的试验方法为：将多个排气波纹管样本按照一定的排气温度循环交变频率(例如，1次/分钟)进行试验，期间排气温度不允许超过预警阀值t1，直到排气波纹管故障时，统计计算在此期间多个样本的排气温度循环交变次数均值，作为排气波纹管理论寿命n。排温波纹管在高排气温度下理论寿命时间s的试验方法为：将多个排气波纹管样本在t1～t2范围内的排气温度下进行试验，期间不允许出现排气温度交变，直到排气波纹管故障时，统计计算在此期间多个样本的寿命时间均值，作为排温波纹管在高排气温度下理论寿命时间s。

数据存储模块204c可采用寄存器、硬盘、可移动磁盘或其他形式的存储介质，存储数据包括当前排气温度循环交变次数n₁、高排气温度累计时间s₁、排气波纹管预测剩余寿命n₀等。

数据通信模块204d支持CAN总线或TCP、UDP以太网通信的通信方式，能够将排气温度、排气温度高预警信号、排气温度高降功保护请求信号、排气温度循环交变次数、高排气温度累计时间、排气波纹管剩余寿命发送至机车发动机控制系统206。

机车发动机控制系统206包括人机交互界面和功率控制模块。其中人机交互界面负责将来自PLC系统的排气温度、排气温度高预警信号、排气温度循环交变次数、高排气温度累计时间、排气波纹管剩余寿命进行界面显示。机车发动机控制系统206的功率控制模块负责实现排气温度高降功保护。

本发明所提供的方法和系统通过排气温度循环交变次数的统计，并综合高排气温度对排气波纹管的寿命折损，计算机车发动机排气波纹管的剩余寿命，实现了机车发动机排气波纹管剩余寿命的提前预测，降低了机车发动机排气波纹管的故障率和故障影响，从而降低了机车发动机的运维成本。此外，本发明所提供的方法和系统通过排气温度预警和降功保护功能，实现了保护和提高机车发动机排气波纹管的运用寿命。

本发明所提供的预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法和系统可以适用于任何类型的机车发动机，包括但不限于，柴油发动机、汽油发动机、液化石油气发动机、压缩天然气发动机以及双燃料发动机。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集机车发动机的排气温度；

统计所述机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数；

统计所述机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间，根据所述高排气温度累计时间按照以下公式计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数：

其中s₁为所述高排气温度累计时间，s为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间，n为排气波纹管理论寿命，n_y为所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数；

根据统计出的所述排气温度循环交变次数和计算出的所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数按照以下公式来预测所述机车发动机排气波纹管的剩余寿命：

n₀＝(n-n₁)-n_y，

其中n₀为所述排气波纹管的剩余寿命，n为排气波纹管理论寿命，n₁为所述排气温度循环交变次数，n_y为所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数，

其中，统计采集到的所述排气温度从低温数值升高到高温数值然后再降低到所述低温数值的次数作为所述机车发动机排气波纹管所经历的所述排气温度循环交变次数，

其中，统计采集到的所述排气温度超过第一阀值的时间作为所述机车发动机排气波纹管所经历的所述高排气温度累计时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气波纹管理论寿命n通过以下方法确定：

将多个排气波纹管样本按照预定的排气温度循环交变频率进行试验，期间排气温度不允许超过高预警阀值，统计计算直到排气波纹管故障时所述多个排气波纹管样本的排气温度循环交变次数均值，作为所述排气波纹管理论寿命。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间通过以下方法确定：

将多个排气波纹管样本在一定范围内的排气温度下进行试验，期间不允许出现排气温度交变，统计计算直到排气波纹管故障时所述多个排气波纹管样本的寿命时间均值，作为所述排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间。

4.一种预测机车发动机排气波纹管剩余寿命的系统，其特征在于，包括：

传感器，所述传感器用于采集机车发动机的排气温度；

控制器，所述控制器被配置为执行以下操作：

统计所述机车发动机排气波纹管所经历的排气温度循环交变次数；

统计所述机车发动机排气波纹管所经历的高排气温度累计时间，根据所述高排气温度累计时间按照以下公式计算高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数：

其中s₁为所述高排气温度累计时间，s为排气波纹管在高排气温度下的理论寿命时间，n为排气波纹管理论寿命，n_y为所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数；

根据统计出的所述排气温度循环交变次数和计算出的所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数按照以下公式来预测所述机车发动机排气波纹管的剩余寿命：

n₀＝(n-n₁)-n_y，

其中n₀为所述排气波纹管的剩余寿命，n为排气波纹管理论寿命，n₁为所述排气温度循环交变次数，n_y为所述高排气温度对排气波纹管寿命折损的交变次数，

其中，统计采集到的所述排气温度从低温数值升高到高温数值然后再降低到所述低温数值的次数作为所述机车发动机排气波纹管所经历的所述排气温度循环交变次数，

其中，统计采集到的所述排气温度超过第一阀值的时间作为所述机车发动机排气波纹管所经历的所述高排气温度累计时间。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器还被配置为执行以下操作：

将采集到的所述排气温度与第一阀值进行比较；

如果采集到的所述排气温度大于所述第一阀值，则进行预警提示；和/或

将采集到的所述排气温度与第二阈值进行比较；

如果采集到的所述排气温度大于所述第二阀值，则进行降功。

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