Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống chẩn đoán động cơ diesel dùng trong nông nghiệp nông thôn việt nam

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ðÀO CHÍ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO
HỆ THỐNG CHẨN ðỐN ðỘNG CƠ DIESEL DÙNG
TRONG NƠNG NGHIỆP, NÔNG THÔN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ðÀO CHÍ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO
HỆ THỐNG CHẨN ðỐN ðỘNG CƠ DIESEL DÙNG
TRONG NƠNG NGHIỆP, NÔNG THÔN VIỆT NAM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ GIỚI HĨA
NƠNG NGHIỆP VÀ NƠNG THƠN
Mã số: 62 52 14 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Bùi Hải Triều
2. GS.TS Phạm Minh Tuấn

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là trung thực. Những kết luận của luận án chưa
từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Các tài liệu trích dẫn trong luận án ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc.
Mọi sự giúp ñỡ ñã ñược cảm ơn.

Tác giả luận án

ðào Chí Cường

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

i


LỜI CẢM ƠN
Với tất cả lịng chân thành, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy
hướng dẫn: PGS.TS Bùi Hải Triều - Bộ môn ðộng lực - Khoa Cơ điện - Trường
ðại học Nơng nghiệp Hà Nội, GS.TS Phạm Minh Tuấn - Viện Cơ khí động lực Trường ðại học Bách khoa Hà Nội, ñã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ để tơi
hồn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn ðộng lực, Khoa
Cơ - ðiện, Viện ñào tạo sau ðại học, Ban giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp

Hà Nội. Xin cảm ơn tập thể các thầy, cơ giáo Khoa Cơ khí ðộng lực, Ban giám hiệu
Trường ðại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng n và các phịng, ban trong trường, đã
giúp ñỡ về chuyên môn cũng như tạo ñiều kiện cho tơi trong q trình thực hiện
luận án.
Xin chân thành cảm ơn GS TSKH Phạm Văn Lang - Viện Cơ ñiện và
CNSTH, PGS.TS Nguyễn Khắc Trai - Bộ môn ô tô - Viện Cơ khí động lực Trường ðại học Bách khoa Hà Nội, PGS.TS Lại Văn ðịnh - Học viện kỹ thuật qn
sự đã đóng góp những ý kiến q báu cho tơi trong q trình thực hiện luận án, cảm
ơn Ths. Hàn Trung Dũng - Bộ môn ðộng lực - Khoa Cơ điện - Trường ðại học
Nơng nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tơi trong q trình triển khai thí nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc và tập thể Cán bộ CNV Trung tâm
ñăng kiểm xe cơ giới Hưng n đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình thực
hiện thí nghiệm tại trung tâm.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn ñồng nghiệp trong và
ngoài cơ quan. ðặc biệt, xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng
hộ, động viên để tơi hồn thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án

ðào Chí Cường

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

ii


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

viii

Danh mục các bảng

xii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

xiii

MỞ ðẦU

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

5

1.1. ðặc ñiểm kết cấu và sử dụng động cơ diesel trong nơng nghiệp và phát
triển nơng thơn ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình sử dụng ñộng cơ diesel trong nông nghiệp, nông thôn

5
5

1.1.2. ðặc ñiểm về kết cấu của động cơ diesel trong nơng nghiệp và phát
triển nơng thơn

6

1.1.3. ðặc điểm sử dụng của động cơ diesel trong nông nghiệp và phát
triển nông thôn

7

1.1.4. Ảnh hưởng của kết cấu và sử dụng ñộng cơ diesel trong nơng
nghiệp và phát triển nơng thơn đến cơng tác chẩn đốn, bảo dưỡng
và sửa chữa
1.2. Chẩn đốn kỹ thuật ñộng cơ diesel

7
8

1.2.1. Khái niệm chung về chẩn ñoán kỹ thuật động cơ

8

1.2.2. Thơng số chẩn đốn và u cầu của các thơng số chẩn đốn

10

1.2.2.1. Thơng số chẩn đốn

10

1.2.2.2. u cầu đối với các thơng số chẩn đốn

10

1.2.3. Các phương pháp nhận biết hư hỏng
1.2.3.1. Phân tích nhiệt độ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

11
11

iii


1.2.3.2. Phân tích dao động

12

1.2.3.3. Phân tích lan truyền âm thanh

12

1.2.3.4. Phân tích cơng suất động cơ

13

1.2.3.5. Phân tích mức tiêu thụ nhiên liệu và dầu bơi trơn

14

1.2.3.6. Phân tích dầu bơi trơn

15

1.2.3.7. Phân tích thành phần khí thải và độ khói khí thải

16

1.2.3.8. Phân tích lưu lượng khí lọt xuống các te và áp suất các te

16

1.2.3.9. Nhận biết hư hỏng ñộng cơ bằng cách ngắt lần lượt các xi lanh

17

1.2.3.10. Phân tích áp suất cháy, áp suất phun trong xi lanh

18

1.2.3.11. Nhận biết hư hỏng trên cơ sở mơ hình trợ giúp

18

1.2.3.12. Chẩn đốn OBD

20

1.2.4. Các phương pháp chẩn đốn hư hỏng
1.3. Các cơng trình nghiên cứu về chẩn đốn động cơ diesel

20
23

1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước

23

1.3.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước

27

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHẨN ðOÁN ðỘNG CƠ
DIESEL TRONG ðIỀU KIỆN DÃ NGOẠI

31

2.1. Phương pháp chẩn đốn động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại

31

2.1.1. Tính chất và u cầu của chẩn đốn trong điều kiện dã ngoại

31

2.1.2. Lựa chọn phương pháp chẩn đốn động cơ diesel trong điều kiện dã
ngoại

31

2.1.3. Nhận biết hư hỏng ñộng cơ diesel trong chế ñộ hoạt ñộng bình ổn

32

2.1.4. Nhận biết hư hỏng ñộng cơ diesel trong quá trình tăng tốc tự do

37

2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích quan hệ hư hỏng - triệu chứng trong hệ thống
chẩn đốn

40

2.2.1. Ảnh hưởng của các thơng số và trạng thái kỹ thuật đến q trình
biến ñổi năng lượng trong ñộng cơ diesel

40

2.2.2. Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật đến thành phần hóa học và năng

lượng hàm chứa trong dịng khí thải

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

43

iv


2.2.2.1.Tính chất hàm chứa thơng tin của dịng khí thải

43

2.2.2.2.Các thơng số ảnh hưởng đến thành phần hố học và năng lượng
hàm chứa trong dịng khí thải

44

2.2.3. Ảnh hưởng của trạng thái hư hỏng trong hệ thống nhiên liệu và cơ
cấu biên tay quay đến q trình phun và q trình cháy

47

2.2.3.1. Ảnh hưởng của trạng thái hư hỏng trong hệ thống nhiên liệu

47

2.2.3.2. Ảnh hưởng của trạng thái hư hỏng cơ cấu biên tay quay

49

2.2.4. Phân tích lọt khí qua khe hở pít tơng - xéc măng - xi lanh

52

2.2.4.1. ðánh giá hao mòn tất cả các xi lanh

52

2.2.4.2. ðánh giá hao mòn cho từng xi lanh riêng biệt

54

2.2.5. Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật ñến phát thải muội than

57

2.2.5.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm

57

2.2.5.2. Ảnh hưởng của tình trạng hệ thống phun

58

2.2.5.3. Ảnh hưởng của tình trạng buồng ñốt

58

2.2.5.4. Ảnh hưởng của trạng thái ñường nạp, thải

58

2.2.6. Phân tích q trình tăng tốc tự do của động cơ diesel

59

2.2.6.1. Phân tích q trình chuyển tiếp.

59

2.2.6.2. Xác định và phân tích các thơng số động lực.

62

2.2.6.3. Xây dựng và phân tích đặc tính cơng suất, đặc tính mơ men và
đặc tính khói.

63

2.3. Chẩn đốn động cơ theo phương pháp suy luận xấp xỷ.

64

2.3.1. Phân tích đồ họa nhánh cây hư hỏng – triệu chứng.

65

2.3.2. Chẩn đốn động cơ theo lý thuyết logic mờ

65

2.4. Hệ thống chẩn đốn dã ngoại

70

2.4.1. Phác thảo hệ thống chẩn đốn

70

2.4.2. Các thành phần của hệ thống chẩn đốn

71

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO MƠ HÌNH THAM
CHIẾU TRONG HỆ THỐNG CHẨN ðỐN KỸ THUẬT
ðỘNG CƠ DIESEL

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

75

v


3.1. Mục đích xây dựng cơ sở dữ liệu cho mơ hình tham chiếu

75

3.2. ðối tượng nghiên cứu

75

3.3. Xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu

77

3.3.1. Lựa chọn cảm biến cho hệ thống chẩn đốn

77

3.3.2. Kết nối hệ thống đo và xử lý tín hiệu

79

3.4. Lựa chọn, thiết kế chế tạo thiết bị đo khói

81

3.4.1. Một số thiết bị đo khói động cơ diesel

81

3.4.2. Cơ sở lựa chọn cảm biến đo khói

81

3.4.3. Tính tốn thiết kế thiết bị đo khói

82

3.4.3.1. Tính tốn thiết kế phần cơ khí

82

3.4.3.2. Tính tốn thiết kế phần mạch điện

83

3.4.3.3. Kiểm tra đặc tính thiết bị đo trên phần mềm mơ phỏng Proteus

88

3.4.3.4. Kiểm tra độ chính xác của thiết bị đo khói DK01

91

3.5. Xây dựng mơ hình tham chiếu bằng thực nghiệm

93

3.6. Xây dựng dấu hiệu và triệu chứng hư hỏng bằng thực nghiệm

95

3.6.1. Tạo lập các trạng thái hư hỏng nhân tạo điển hình

95

3.6.2. Xây dựng đặc tính mơ men và đặc tính khói cho các trường hợp hư

hỏng nhân tạo

96

CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG LOGIC MỜ CHẨN ðOÁN KỸ THUẬT
ðỘNG CƠ DIESEL TRONG ðIỀU KIỆN DÃ NGOẠI

105

4.1. Phân tích xây dựng cơ sở kiến thức về quan hệ hư hỏng - triệu chứng

105

4.2. Lựa chọn hàm phụ thuộc

109

4.3. Xác định thuật tốn chẩn đốn

110

4.4. Chẩn đốn trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel

111

4.4.1. Xác ñịnh các biến mờ

111

4.4.2. Cơ sở tri thức

111

4.4.3. Bảng luật phù hợp

114

4.4.4. Ứng dụng fuzzy logic trong phần mềm Matlab

117

4.4.4.1. Nhập số lượng biến vào, ra

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

117

vi


4.4.4.2. Xây dựng các biến vào, ra

118

4.4.4.3. Xây dựng các luật ñiều khiển

120

4.4.4.4. Cho ra kết quả ứng với các giá trị đầu vào

120

4.5. Chẩn đốn hư hỏng của động cơ diesel

121

4.5.1. Xây dựng cấu trúc thuật tốn chẩn đốn hư hỏng

122

4.5.2. Chuẩn hóa các triệu chứng chẩn đốn và xác ñịnh các biến mờ

126

4.5.3. Xây dựng bảng tập luận

128

4.5.4. Xây dựng mơ hình chẩn đốn mờ theo mơ đun Fuzzy trong phần
mềm Matlab

131

4.5.4.1. Nhập số lượng biến mờ

131

4.5.4.2. Xây dựng ñồ thị các biến mờ

130

4.5.4.3. Xây dựng tập luận

132

4.5.4.4. Nhập giá trị các biến giá trị ñầu vào

132

4.6. Quy trình chẩn đốn động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

133
135

DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ðà CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh
TT

Ký hiệu

ðơn vị

1

Ne

kW

2

J

3

ni

4

Giải thích

Trang

Cơng suất có ích của động cơ

13

Mơ men qn tính của động cơ

13

v/ph

Số vịng quay động cơ khi làm việc với một xi lanh

17

its

-

Tỷ số truyền từ động cơ đến trục trích cơng suất

17

5

nB

v/ph

Tốc độ quay trên đồng hồ

17

6

ntb

v/ph

Giá trị trung bình của tốc ñộ quay trục khuỷu khi

17

ñộng cơ làm việc với một xi lanh
7

∆E

-

Trị số năng lượng tiếp nhận hoặc phát ra do một

60

thơng số tích lũy Z
8

U

-

Dung lượng tích lũy của hệ thống

60

9

Zi

-

Số xy lanh làm việc

60

10

Mi

Nm

Mô men chỉ thị trên một xy lanh

60

11

MM

Nm

Mô men hao tổn cơ học trên một xy lanh

60

12

ω1

rad/s

Vận tốc góc khi bắt đầu giai ñoạn chuyển tiếp

62

13

ω2

rad/s

Vận tốc góc khi kết thúc giai ñoạn chuyển tiếp

62

14

ωtb

rad/s

Vận tốc góc trung bình trong khoảng xác định gia tốc

62

15

EK

-

Sự kiện

66

16

Si

-

Triệu chứng

66

17

Fj

-

Hư hỏng

66

18

p

-

Số xung trong một vòng quay

78

19

f

-

Tần số xung

78

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

viii


20

n

v/ph

Số vịng quay trục khuỷu

78

21

V0

v

ðiện áp đầu ra

85

22

R0

Ω

ðiện trở của quang trở

85

23

∆Ru

-

Sự biến thiên ñiện trở của quang trở

85

24

S∆MH

Nm

ðộ giảm mô men quay danh nghĩa

106

25

S∆NH

kW

ðộ giảm công suất danh nghĩa

107

26

S∆Mmax

Nm

ðộ giảm mơ men quay cực đại

107

27

S∆M

Nm

Sai lệch độ giảm mơ men trên đặc tính ngồi tại

107

chế độ danh nghĩa và chế độ tốc độ quay nhỏ
28

S∆DH

%

ðộ tăng khói ở chế ñộ danh nghĩa

107

29

S∆D

%

Sai lệch ñộ tăng khói tại chế ñộ danh nghĩa và chế

107

ñộ tốc ñộ quay nhỏ
30
31

S∆nMAX
S∆mBH

v/ph
%

ðộ giảm tốc ñộ quay không tải cực ñại

107

ðộ giảm lượng cung cấp nhiên liệu tại chế ñộ

107

danh nghĩa
32

S∆mB

%

Sai lệch ñộ giảm lượng cung cấp nhiên liệu tại chế

107

ñộ danh nghĩa và chế ñộ tốc ñộ quay nhỏ
33

S∆pi

N/m2

ðộ tăng áp suất khí các te tương ứng xi lanh thứ i

107

2

(kG/cm )

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

ix


2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy lạp
TT

Ký hiệu

ðơn vị

Giải thích

Trang

1

ω

rad/s

Vận tốc góc của trục khuỷu

13

2

λ

-

Hệ số tăng áp suất khi cháy

53

3

ρ

-

Hệ số giãn nở khi cháy

53

4

α

rad

Góc quay trục khuỷu tương ứng xi lanh thứ i

54

5

µF

%

Tiết diện truyền tương đương của hệ thơng

55

gió các te
6

δXP

-

7

ε

8

ωH

Số gia tương đối của tiết diện dịng khí

56

rad/s2

Gia tốc góc của trục khuỷu

63

rad/s

Vận tốc góc danh nghĩa trong q trình tăng

63

tốc tự do
9

εH

rad/s2

Gia tốc góc danh nghĩa trong quá trình tăng

63

tốc tự do

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

x


3. Các chữ viết tắt
TT

Ký hiệu

Giải thích

Trang

1

PM

Particulate Matter

16

2

CO

Cacbon monoxyde

16

3

HC

Hydrocarbure

16

4

OBD

On-Board Diagnostic

20

5

EOBD

European On-Board Diagnostics

20

6

ECU

Engine control unit

20

7

TS

Thơng số

32

8

QT

Q trình

36

9

NOX

Oxit Nitric

59

10

A/D

Analog/Digital

72

11

LDR

Light dependent resistors

83

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

2.1

Hư hỏng của hệ thống nhiên liệu tác động đến q trình cháy và

49

q trình phun
2.2

Hư hỏng của cơ cấu biên tay quay tác ñộng ñến q trình cháy

51

và q trình phun
2.3

Tích lũy năng lượng trong ñộng cơ ñốt trong

60

2.4

Các dạng hàm phụ thuộc thường dùng trong chẩn đốn

67

4.1

Quan hệ triệu chứng - Hư hỏng cho một số trường hợp hư hỏng

108

thường gặp trên ñộng cơ Diesel.
4.2

Bảng các biến mờ

112

4.3

Bảng giá trị các biến mờ

113

4.4

Bảng luật phù hợp

115

4.5

Bảng giá trị “nét” của các biến mờ

121

4.6

Bảng các biến mờ

126

4.7

Bảng xác ñịnh biến mờ

127

4.8

Bảng luật phù hợp

128

4.9

Giá trị “nét” của các biến mờ

132

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xii


TT

Tên hình vẽ và đồ thị

Trang

1.1

Phương pháp nhận biết hư hỏng trên cơ sở mơ hình trợ giúp

18

1.2

Phân loại các phương pháp chẩn đốn

21

1.3

ðộ khói động cơ diesel phụ thuộc trạng thái vịi phun

24

1.4

Hàm số sai lệch tốc độ quay với độ bẩn của turbin khí thải

25

1.5

ðặc tính cơng suất của động cơ diesel.

25

1.6

ðặc tính mơ men danh nghĩa

25

1.7

ðặc tính tốc độ quay turbin

25

1.8

Mơ đun hóa động cơ để nhận biết và chẩn đốn hư hỏng

27

2.1

Cấu trúc hệ thống nhận biết và chẩn đốn hư hỏng q trình phun

32

và q trình cháy động cơ Diesel
2.2

Tạo lập phần dư nhờ mơ hình tín hiệu

34

2.3

Tạo lập phần dư trong phương pháp so sánh ñồng ñẳng

36

2.4

Cấu trúc hệ thống nhận biết hư hỏng và chẩn đốn hư hỏng động

38

cơ Diesel trong chế độ chuyển tiếp
2.5

Các thơng số ảnh hưởng đến q trình biến ñổi năng lượng trong

42

ñộng cơ diesel
2.6

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ và thành phần dịng khí thải

45

2.7

Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh muội than

57

2.8

ðồ họa nhánh cây hư hỏng – triệu chứng

65

2.9

Mờ hóa một triệu chứng chuẩn hóa

68

2.10 Sơ đồ chẩn đốn nhờ logic mờ đơn giản với tốn tử VÀ

69

2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống chẩn đốn động cơ diesel trong ñiều kiện

71

dã ngoại
3.1

Cảm biến laser ño số vòng quay

78

3.2

Cảm biến ño tiêu thụ nhiên liệu DFL-1

78

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xiii


3.3

Cảm biến đo nhiệt độ khí xả

79

3.4

Hệ thống đo và xử lý tín hiệu chẩn đốn động cơ diesel

80

3.5

Worksheet đo trong phần mềm Dasylab 7.0

80

3.6

Worksheet chuyển ñổi thành ñồ thị hai trục

80

3.7

Cấu tạo phần thân của thiết bị DK01

83

3.8

Hai cốc ren lắp ñèn và quang trở

83

3.9

Biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa điện trở và thơng lượng

84

chiếu sáng
3.10 Mạch cầu null types

84

3.11 Mạch cầu deflection types

84

3.12 Sơ ñồ nguyên lý của mạch đo sự biến thiên độ mờ khí xả

86

3.13 Sơ ñồ thiết kế mạch ño của thiết bị

88

3.14 Thiết bị đo khói DK01

88

3.15 Cửa số làm việc của chương trình

88

3.16 Linh kiện trong thư viện của phần mềm

89

3.17 Mơ phỏng mạch cầu đo độ mờ khí xả động cơ

90

3.18 Quan hệ giữa cường ñộ ánh sáng và ñiện áp ra

90

3.19 Kết quả kiểm tra độ khói của thiết bị DO 285 và DK01 trên ñộng

92

cơ xe BA-HAICA K42 UNIVERSE
3.20 Kết quả kiểm tra độ khói của thiết bị DO 285 và DK 01 trên ñộng
cơ xe HYUNDAI HD65/TMT-TL
3.21 Kết quả kiểm tra độ khói của thiết bị DO 285 và DK01 trên ñộng
cơ xe HINO FGIJPUR
3.22 Kết quả xử lý sơ bộ để xác định các q trình ε, ne và D

92

3.23 Worksheet tổng hợp ñể xây dựng ñặc tính của ñộng cơ

94

3.24 ðặc tính ñộng cơ ở trạng thái tốt

95

3.25 Ảnh hưởng của tiết diện ñường nạp ñến mô men Me

97

93

94

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xiv


3.26 Ảnh hưởng của tiết diện ñường nạp ñến ñộ khói D

97

3.27 Mơ men động cơ Me khi một vịi phun bị hỏng

98

3.28 ðộ khói D của động cơ khi một vòi phun bị hỏng

98

3.29 Tiêu thụ nhiên liệu GT của động cơ khi một vịi phun bị hỏng

99

3.30 Ảnh hưởng của áp suất phun đến mơ men Me

100

3.31 Ảnh hưởng của áp suất phun đến độ khói D

100

3.32 Tiêu thụ nhiên liệu GT của ñộng cơ khi giảm áp suất phun

101

3.33 Ảnh hưởng của góc cung cấp nhiên liệu đến mơ men Me

101

3.34 Ảnh hưởng của góc cung cấp nhiên liệu đến độ khói D

102

3.35 Ảnh hưởng độ mịn xéc măng đến mơ men Me

103

3.36 Ảnh hưởng độ mịn xéc măng đến độ khói D

103

4.1

110

Tập mờ mơ phỏng các triệu chứng S∆MH, S∆Mmax, S∆DH, S∆mBH,
S∆nMAX

4.2

Tập mờ mô phỏng các triệu chứng S∆M, S∆D, S∆mB và S∆Pi

110

4.3

Giao diện màn hình soạn thảo xác ñịnh số biến vào và biến ra

117

4.4

Biến ñộ giảm mômen

118

4.5

Biến sai lệch ñộ giảm mômen

118

4.6

Biến ñộ tăng khói

118

4.7

Biến độ giảm lượng cung cấp nhiên liệu

119

4.8

Biến độ giảm tốc độ quay khơng tải

119

4.9

Biến độ giảm cơng suất danh nghĩa

119

4.10 Biến trạng thái kỹ thuật của ñộng cơ

120

4.11 Bảng các tập luật điều khiển

120

4.12 Giao diện màn hình thể hiện kết quả chẩn đốn

121

4.13

123

ðồ họa nhánh cây suy luận hư hỏng - triệu chứng trong trường

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xv


hợp <kẹt vịi phun thứ i ở trạng thái đóng>
ðánh giá các triệu chứng S∆MH và S∆DH trên cơ sở logic mờ để
4.14

4.15

tính tốn khả năng xuất hiện sự kiện “ Bỏ lửa xi lanh i”
ðánh giá các triệu chứng S∆mBH, S∆Pi và sự kiện EAzi trên cơ
sở logic mờ để tính tốn khả năng xuất hiện sự kiện “kẹt vịi
phun thứ i”

4.16 Suy luận theo cây chẩn đốn trường hợp kẹt vịi phun thứ i
4.17 Giao diện xác định số biến vào và biến ra để chẩn đốn xác ñịnh
hư hỏng của một xylanh

124

125
125
130

4.18 Biến ñộ giảm mô men quay danh nghĩa

130

4.19

Biến độ tăng khói

130

4.20

Biến giảm lượng cung cấp nhiên liệu

131

4.21

Biến tăng áp suất khí các te

131

4.22

Biến dạng hư hỏng của một xylanh

131

4.23

Bảng các tập luật ñiều khiển

134

4.24

Giao diện thể hiện kết quả của các luật ñiều khiển

134

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

xvi


MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thực hiện chủ trương hiện đại hố, cơ giới hố nơng lâm nghiệp, nhằm tăng
năng suất, giảm mức ñộ nặng nhọc cho người lao động, nhiều máy móc, thiết bị và
phương tiện vận tải ñã ñược ñưa vào sử dụng trong sản xuất nơng lâm nghiệp, từ
khâu làm đất đến các khâu trồng, chăm sóc và thu hoạch.
Các máy móc, thiết bị và phương tiện sử dụng trong nông lâm nghiệp và xây
dựng nơng thơn hết sức phong phú và đa dạng về chủng loại, kích thước và cơng
dụng, nhưng đều sử dụng nguồn động lực chính là động cơ diesel. Do đặc ñiểm
công việc nên ñiều kiện làm việc của các máy móc, thiết bị, phương tiện hết sức
khắc nghiệt: địa hình phức tạp, địa chất khơng đồng đều, tính chất cơng việc thường
thay ñổi, gây ra các lực tác ñộng lên liên hợp máy và thiết bị cơ giới có sự thay đổi
liên tục, đột ngột, khơng có tính chu kỳ, ñiều này làm cho ñộng cơ luôn phải làm
việc trong tình trạng tải trọng thay đổi đột ngột, thậm chí q tải. Bên cạnh đó nhiệt
độ cao, bùn, nước, bụi nhiều, rung sóc lớn là các yếu tố có ảnh hưởng rất lớn ñến

chất lượng làm việc và tuổi thọ của ñộng cơ diesel. Do ñiều kiện làm việc phân tán,
xa các trung tâm, xa cơ sở dịch vụ nên vấn đề chăm sóc, bảo dưỡng máy móc thiết
bị nói chung và động cơ diesel nói riêng gặp rất nhiều khó khăn. Thực tế cho thấy,
chỉ khi nào xảy ra sự cố kỹ thuật, lúc đó mới tiến hành sửa chữa. Các hư hỏng ñột
xuất thường gây ra những hậu quả rất nặng nề cả về kỹ thuật và kinh tế.
Một ñặc ñiểm cơ bản trong các ñộng cơ diesel dùng trong nơng lâm nghiệp là
các loại động cơ truyền thống, hầu hết khơng có hệ thống tự chẩn đốn. Chính vì
vậy, việc chẩn đốn tình trạng kỹ thuật, phát hiện, dự báo phịng ngừa các hư hỏng
đột xuất cũng như xác định chính xác ngun nhân gây ra hư hỏng là hết sức khó
khăn. Trước đây, việc chẩn đốn tình trạng kỹ thuật động cơ diesel trong nơng lâm
nghiệp chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thợ hoặc có sự trợ giúp của một số
thiết bị chẩn đốn thơ sơ, lạc hậu, do đó việc chẩn đốn gặp rất nhiều khó khăn,

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

1


chẩn đốn khó chính xác. ðể xác định chính xác các hư hỏng, thường phải tháo
tổng thành ñể kiểm tra trực tiếp nên tốn rất nhiều thời gian, công sức và tiền bạc.
Trước thực trạng trên, cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, sự phát
triển của khoa học chẩn đốn, việc sử dụng thiết bị chẩn đốn cho động cơ diesel
trong nơng lâm nghiệp là vấn đề cần thiết. Tuy nhiên, việc lựa chọn loại thiết bị
nào, hệ thống chẩn đốn nào để phù hợp với điều kiện làm việc, điều kiện kỹ thuật
của động cơ, thì cần phải có sự cân nhắc kỹ theo tiêu chí gọn nhẹ, linh hoạt, sử dụng
dễ dàng thuận tiện, thời gian thực hiện chẩn đốn nhanh, có tính đa dạng cao để phù
hợp với tính đa dạng của động cơ và phù hợp với ñiều kiện làm việc dã ngoại.

Th c t cho th y, v i tình tr ng a d ng v ch ng lo i, v
lo i

ng c ,

c bi t v i

i xe, v

ng c diesel khơng có h th ng t ch n ốn thì

vi c s d ng các thi t b ch n oán chuyên dùng ã có trên th tr ng hi n
nay g p nhi u khó kh n và hi u qu khơng cao, th m chí khơng s d ng
c.
Xuất phát từ những ñặc ñiểm và các yêu cầu thực tiễn trên, tác giả luận án ñã
chọn ñề tài “Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống chẩn đốn động cơ
diesel dùng trong nơng nghiệp, nơng thơn Việt Nam” làm đề tài nghiên cứu của
mình, mong muốn góp phần giảm bớt một phần khó khăn trong cơng tác chẩn đốn,
bảo dưỡng kỹ thuật cho các loại ñộng cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp, nông
thôn và trên các thiết bị cơ giới khác ở Việt Nam hiện nay.
2. Mục tiêu của ñề tài
Nghiên cứu cơ sở khoa học để xây dựng một hệ thống chẩn đốn di ñộng phù
hợp với ñiều kiện làm việc dã ngoại của máy và thiết bị hoạt động trong lĩnh vực
nơng nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam. Xây dựng cơ sở dữ liệu nhằm chẩn
đốn trạng thái kỹ thuật và chẩn đốn hư hỏng cho động cơ diesel, góp phần làm
tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu tác ñộng xấu ñến môi trường.
3. Thời gian và ñịa ñiểm nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu: Từ 2006 ñến 2010.
- ðịa điểm nghiên cứu:

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

2


+ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội.
+ Trường ðại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.
+ Trung tâm ñăng kiểm xe cơ giới Hưng Yên.
4. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận án sử dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm:
- Phương pháp phân tích
Phân tích q trình chuyển tiếp, chế độ hoạt động, ñộng lực học của ñộng cơ
diesel trong quá trình tăng tốc tự do, khơng có tải trọng ngồi.
Phân tích đặc tính khói khí thải trong q trình tăng tốc tự do. ðặc tính khói
của động cơ diesel được phân tích theo chế độ làm việc sẽ cho biết nhiều thơng tin
về trạng thái kỹ thuật của động cơ.
Phân tích xung áp suất các te để nhận biết lọt khí trong các xi lanh riêng lẻ,
để bổ sung thơng tin về trạng thái kỹ thuật của nhóm pít tơng- xi lanh.
- Phương pháp nhận biết và chẩn đốn hư hỏng có mơ hình trợ giúp
Sử dụng máy tính với các phần mềm kỹ thuật để thiết lập mơ hình q trình,
xử lý các tín hiệu, tạo ra các triệu chứng để nhận biết hư hỏng và xử lý tiếp để cơ
lập và phân tích hư hỏng theo mục đích chẩn đốn.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với kinh nghiệm chuyên gia
ñể xây dựng cơ sở kiến thức chẩn đốn.
- Phương pháp đo và xử lý tín hiệu có trợ giúp của máy tính.
- Phương pháp logic mờ để chẩn đốn hư hỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Với ñặc ñiểm kết cấu và ñiều kiện sử dụng hiện nay của các ñộng cơ máy
nơng nghiệp và xây dựng cơng trình nơng thơn, cần thiết phát triển các hệ thống
chẩn đốn gọn nhẹ, cơ ñộng, với các phương pháp chẩn ñoán ñủ tin cậy, các thiết bị
đo, xử lý tín hiệu và phân tích chẩn đốn đủ chính xác với chi phí đầu tư hợp lý. Do

đó, việc nghiên cứu cơ sở khoa học, xây dựng cơ sở dữ liệu ñể xây dựng hệ thống
chẩn đốn động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại có giá trị khoa học và thực tiễn.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

3


- Kết quả của luận án đã đóng góp cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu xây
dựng hệ thống chẩn đốn cho động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại theo phương
pháp phân tích q trình chuyển tiếp và ứng dụng logic mờ.
- ðã chế tạo ñược thiết bị đo khói gọn nhẹ, dễ sử dụng, độ chính xác ñảm
bảo theo yêu cầu chẩn ñoán, phù hợp với ñiều kiện chẩn đốn dã ngoại cho các loại
động cơ diesel sử dụng trong nơng nghiệp và xây dựng cơng trình nơng thơn. Kết
quả này là một đóng góp mới và có ý nghĩa thực tiễn của luận án.
- Hệ thống chẩn đốn động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại là một đóng
góp mới và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Phương pháp nhận biết trạng thái
kỹ thuật và hư hỏng của hệ thống chẩn đốn dựa trên cơ sở phân tích q trình
chuyển tiếp, để chẩn chẩn đốn trạng thái kỹ thuật và hư hỏng của ñộng cơ diesel,
sử dụng phương pháp suy luận theo logic mờ. Qui trình chẩn đốn được thiết kế
thuận tiện cho người sử dụng. Từ việc ño và xử lý các thơng số chẩn đốn, xây
dựng quan hệ giữa triệu chứng và hư hỏng, đến việc kết nối với mơ đun fuzzy logic
để kết luận chẩn đốn đều được thực hiện trên một bộ thiết bị gọn nhẹ, có thể xách
tay và triển khai cơng tác chẩn đốn ngay tại địa bàn hoạt ñộng của các thiết bị lắp
ñộng cơ diezen.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
1.1. ðặc ñiểm kết cấu và sử dụng ñộng cơ diesel trong nơng nghiệp và phát
triển nơng thơn ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình sử dụng động cơ diesel trong nơng nghiệp, nơng thơn
Nhằm tăng năng suất, giải phóng sức lao động, đem lại hiệu quả trong sản
xuất nông lâm nghiệp, ngay từ những năm 1960 vấn đề cơ giới hóa đã được quan
tâm nghiên cứu và áp dụng ở Miền Bắc Xã hội chủ nghĩa (XHCN). Nhiều máy móc
thiết bị đã được ñưa vào sử dụng trong các khâu làm ñất nông nghiệp, ñất trồng
rừng như máy kéo MTZ50, MTZ80, máy cày NKb-2-54 của Liên Xô cũ, máy
khoan hố Molorobot của Tiệp Khắc, ES-35B của ðức. ðến năm 1995 tỷ lệ cơ giới
hóa trong khâu làm đất nơng nghiệp đạt 33,8% diện tích canh tác trên cả nước (cao
nhất ở đồng bằng sơng Cửu Long - đạt 64,2%, đồng bằng sơng Hồng - ñạt 24,9%,
vùng khu 4 cũ - 7,2%, vùng núi phía bắc - 1,9%) [8].
Thực hiện đường lối đổi mới của ðảng, cùng với sự tăng trưởng của sản xuất
nông nghiệp, cơ khí hố nơng, lâm, ngư nghiệp có bước tăng trưởng nhanh về số
lượng, chủng loại máy móc, thiết bị. Tính đến 2007, cả nước có trên 400 nghìn máy
kéo các loại với tổng công suất khoảng 3,3 triệu kW, tăng 2,7 lần so với năm 2001;
mức ñộ trang bị động lực bình qn tồn quốc đạt 0.86 kW/ha canh tác. Chủng loại
máy móc đa dạng, chủ sở hữu các loại máy kéo nhỏ (dưới 12 kW) có tới 95% là hộ
gia đình nơng dân. Máy móc thiết bị ñược ứng dụng trong hầu hết các giai ñoạn của
sản xuất nơng lâm nghiệp, từ làm đất, gieo trồng, chăm sóc đến thu hoạch, số lượng
và chủng loại đều tăng. Các loại máy và liên hợp máy làm ñất như máy kéo
MTZ50, MTZ80, DT-75, T-130, Komatsu D65A, D53A, D85A…, các loại máy gặt
ñập liên hợp như LHL-2,5, GLH-0,2, GRH-1,2, UMC-1.9,UCM-2008, UCM-2010,
máy kéo gỗ TDT-55/TLT-100A… ñã ñược ñưa vào sử dụng mang lại hiệu quả cao
trong sản xuất.
Ngoài các loại các loại máy và liên hợp máy sử dụng trong nông lâm nghiệp,
phương tiện vận tải ở khu vực nông thôn cũng tăng một lượng ñáng kể. Theo số liệu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

5


thống kê của Tổng cục thống kê năm 2008, số lượng phương tiện vận tải đường bộ
ở khu vực nơng thơn là 72.802 chiếc.
Theo tính tốn, nhu cầu xe tải của Việt Nam ñến năm 2010 cần khoảng
100.000 xe và chiếm số lượng lớn là các loại xe phục vụ cho nhu cầu của các vùng
nông thôn, miền núi [59].
Hầu hết các máy, liên hợp máy, các phương tiện vận tải và xây dựng nơng
thơn hay máy lâm nghiệp đều sử dụng nguồn động lực chính là động cơ diesel với
cơng suất khác nhau. Ngồi các loại động cơ có cơng suất lớn từ 26 kW đến 90 kW,
cịn có rất nhiều máy móc thiết bị sử dụng động cơ diesel cỡ nhỏ từ 15 kW trở
xuống, việc xác ñịnh trạng thái kỹ thuật, hay xác ñịnh hư hỏng của chúng có một ý
nghĩa rất lớn trong q trình sử dụng. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả của cơng tác
chẩn đốn cả về khía cạnh kinh tế và khía cạnh kỹ thuật, luận án quan tâm nhiều
ñến việc chẩn đốn kỹ thuật cho các loại động cơ diesel có cơng suất lớn và vừa.
1.1.2. ðặc điểm về kết cấu của động cơ diesel dùng trong nơng nghiệp và phát
triển nông thôn
ðộng cơ diesel sử dụng trong các máy, liên hợp máy, các phương tiện vận
tải dùng trong nông nghiệp, phần lớn vẫn sử dụng ñộng cơ kiểu truyền thống, có
nghĩa là chưa có hệ thống điều khiển điện tử và hệ thống tự chẩn đốn. Các loại
động cơ này có kết cấu đơn giản, bao gồm các cơ cấu, hệ thống cơ bản và hoạt động
hồn tồn theo ngun tắc cơ khí.
Do tính chất cơng việc, các phương tiện, máy móc sử dụng trong nơng lâm
nghiệp, máy xây dựng và cơng trình nơng thơn thường làm việc ở tốc ñộ thấp, tải
trọng lớn và thay ñổi nhiều, vì vậy ñộng cơ diesel dùng trên các phương tiện, máy
móc này có những đặc điểm sau:
- Cơng suất lớn.

- Tốc độ quay trung bình.
- Làm mát bằng nước.
- Khởi động bằng tay hoặc ñộng cơ xăng phụ.
- Hệ số dự trữ công suất lớn.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

6


Hiện nay, ngồi các loại động cơ cũ đang sử dụng, các nhà máy lắp ráp ô tô
trong nước cũng tập trung vào lắp các loại xe sử dụng ñộng cơ diesel phục vụ vận
tải và nông nghiệp như nhà máy ô tô Cửu Long, nhà máy ô tô Xuân Kiên, Daewoo,
Huyndai…mỗi năm xuất xưởng hàng nghìn chiếc xe, phần lớn trong số này vẫn sử
dụng loại ñộng cơ diesel có kết cấu truyền thống, khơng có hệ thống tự chẩn đốn.
1.1.3. ðặc điểm sử dụng của động cơ diesel trong nơng nghiệp và nơng thơn
Việt Nam
ðộng cơ diesel có khả năng chịu tải tốt, mô men xoắn lớn, bền, khỏe, rất
thích hợp làm việc trong điều kiện đường xá của Việt Nam, đặc biệt trong giao
thơng ở nơng thơn, cơng trường, cơng trình hoặc khu vực đồi, rừng. ðộng cơ diesel
ngày nay ñược sử dụng rất rộng rãi trong các phương tiện giao thông vận tải, các
loại xe, máy chuyên dùng, máy xây dựng, máy dùng trong khai thác mỏ, trong nông
nghiệp và lâm nghiệp.
ðộng cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp và nông thôn Việt Nam thường
phải làm việc trong điều kiện và mơi trường rất nặng nhọc, rung xóc nhiều, bụi
nước nhiều, địa hình chia cắt phân tán phức tạp, độ dốc cao, khơng bằng phẳng, tính
chất khơng đồng nhất của đất đai, tính chất cơng việc ln thay đổi, thường làm
việc phân tán, xa khu dân cư, điều kiện chăm sóc bảo dưỡng kỹ thuật khó khăn, đây
chính là những yếu tố làm cho tốc độ hao mịn động cơ nhanh, chất lượng động cơ
nhanh bị xuống cấp.

1.1.4. Ảnh hưởng của kết cấu và sử dụng ñộng cơ diesel trong nông nghiệp và
phát triển nông thôn đến cơng tác chẩn đốn, bảo dưỡng và sửa chữa
Với kết cấu cơ khí, khơng có hệ thống điều khiển điện tử, khơng có chương
trình giám sát, tự chẩn đốn, việc nhận biết tình trạng kỹ thuật của động cơ và xác
định hư hỏng gặp rất nhiều khó khăn, động cơ thường xảy ra tình trạng hư hỏng đột
xuất, gây thiệt hại lớn về kinh tế và kỹ thuật.
ðối với ñộng cơ diesel sử dụng trên các máy nông lâm nghiệp, máy xây
dựng và cơng trình nơng thơn, do phải làm việc trong các điều kiện nặng nề, mơi
trường làm việc nhiều bụi bẩn hoặc bùn nước nhiều, thường xuyên phải làm việc

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………………….

7