，，，，

(1.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

20世紀70年代以來，全球化進程加快，物流業(yè)飛速發(fā)展，集裝箱運輸成為國際貿(mào)易最重要的運輸方式之一[1]。為了滿足不同種類貨物的運輸要求，集裝箱的形式越來越多樣化。有些貨物對環(huán)境的溫、濕度(甚至氣體成分)要求高，管理復雜，因此需要特殊的集裝箱來控制所需要的各項環(huán)境參數(shù)。冷藏集裝箱能夠有效抑制細菌和微生物的活動，減緩或防止長距離運輸過程中貨物“品質(zhì)”的降低，實現(xiàn)“門到門”運輸，是食品、醫(yī)藥、生物等行業(yè)的物流領(lǐng)域不可缺少的運輸手段。目前，全球航運業(yè)的冷藏集裝箱的保有量已經(jīng)超過150萬TEU。在海洋運輸過程中，受航區(qū)、航向、氣溫、水溫、太陽輻射角、貨物種類和數(shù)量等多變干擾因素的影響，冷藏集裝箱的動態(tài)熱負荷急劇變化，再加上船舶在航行過程中的震動、擺動等因素，引發(fā)冷藏集裝箱系統(tǒng)的大量故障，造成巨大的經(jīng)濟損失，據(jù)統(tǒng)計，有高達7%的冷藏貨物是在運輸途中因為監(jiān)管不善而損毀。因此，有必要提高冷藏集裝箱的監(jiān)管水平，及時、準確的故障診斷是監(jiān)管的關(guān)鍵之一。種類眾多的故障使得冷藏集裝箱的故障診斷的難度較大，作為故障診斷的基礎(chǔ)，合理的故障分類有助于更好地開展故障診斷，因此，進一步的故障分類研究意義重大。

1 冷藏集裝箱的故障診斷現(xiàn)狀

為了保證冷藏集裝箱所載貨物的質(zhì)量，減少貨物損失，管理方從陸上環(huán)節(jié)到海上環(huán)節(jié)采取了多重措施，包括：運輸前檢修、碼頭堆場的監(jiān)控和檢修、在船的監(jiān)控和檢修、定期維修等。對于正在服務(wù)中的冷藏集裝箱，目前，大多數(shù)集裝箱港口普遍采用指派專職人員定時去冷藏箱區(qū)巡查并記錄每只冷藏箱的運行狀況，若發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)溫度或壓縮機工作異常，馬上報告修理部門進行處理[2]。在運輸過程中，也是采取船員定時到現(xiàn)場檢查記錄，然后再逐一排除故障[3-4]。目前的冷藏集裝箱故障管理取決于現(xiàn)場人員是否能及時發(fā)現(xiàn)故障，然后再由相關(guān)人員及時進行排查。由此可見，人為因素的影響很大，相關(guān)人員的技術(shù)熟練程度以及經(jīng)驗的豐富程度極大地影響管理的效果。

目前，所有的冷藏集裝箱都具備自動PTI(運輸前檢查)功能，通過PTI將檢查出控制電路板、繼電器、電磁閥以及加熱器的故障，并以故障代碼的形式顯示出來，根據(jù)故障代碼，管理人員很容易查找故障原因，可以說，冷藏集裝箱的PTI已經(jīng)具備一定程度的智能，但是還不能診斷所有的故障。根據(jù)中遠集裝箱運輸公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，王世良[5]將冷藏集裝箱在船上的故障分為9類，并統(tǒng)計了每種故障類型發(fā)生的概率，并將冷藏集裝箱的制冷裝置分為制冷系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，根據(jù)這兩個系統(tǒng)工作原理的不同，設(shè)計了邏輯診斷故障圖，根據(jù)該邏輯進行故障原因查找，可以找到大部分故障的起因。伍剛等[6]采用實驗模擬的方法為風機不轉(zhuǎn)、制冷劑不足、膨脹閥開度過大和吸排氣閥泄漏等故障建立了故障范例集。王世良等提出從溫度圖表的曲線形狀入手，結(jié)合相關(guān)的故障現(xiàn)象，綜合診斷冷藏集裝箱的某些故障。梁志強等[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了冷藏集裝箱故障診斷系統(tǒng)，并對壓縮機磨損、蒸發(fā)器堵塞、冷凝器堵塞和制冷劑泄漏4種故障進行了正確診斷。王富銀和鄭學林[8]采用故障樹分析法，建立了制冷機組不啟動故障樹和換熱器故障樹。Zheng C.Y.等根據(jù)智能故障診斷的要求，提出要在冷藏集裝箱上實現(xiàn)智能故障診斷應(yīng)該從3個方面加強研究，包括建立判斷基準用于故障檢測、獲取故障特征或者診斷規(guī)則用于診斷故障以及無線數(shù)據(jù)傳輸用于實時監(jiān)控。

雖然冷藏集裝箱的故障診斷獲已經(jīng)取得了一些研究成果，但仍然有潛力可以挖掘。故障診斷近年來在制冷空調(diào)領(lǐng)域研究成果很多，本文借鑒相關(guān)的研究成果開展冷藏集裝箱的故障診斷分析。

2 故障分類及在故障診斷中的應(yīng)用

冷藏集裝箱系統(tǒng)比較復雜，部件較多，功能完善，因此，其故障的種類和原因比較多。為了降低故障診斷的難度，提高故障診斷的準確率，相關(guān)行業(yè)在各個環(huán)節(jié)進行了大量的努力，其中，故障分類是提高故障診斷準確率的有效方法，是故障診斷的基礎(chǔ)。借鑒各個領(lǐng)域制冷空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)研究成果，船用冷藏集裝箱系統(tǒng)的故障可以從以下幾個方面進行分類。

1)服務(wù)故障和運行故障。Li H.L.等[9]認為可以將蒸汽壓縮式空調(diào)的故障分類為服務(wù)故障和運行故障，并指出，如果服務(wù)故障可以在提供相關(guān)的服務(wù)后立刻得到診斷和處理，在之后的故障診斷時就只需要考慮運行故障。對于正在服役中的冷藏集裝箱，服務(wù)故障指的是在檢修過程中由于檢查、修理或更換部件、維護保養(yǎng)以及提供制冷劑、潤滑油等相關(guān)服務(wù)過程中產(chǎn)生的故障，如接線不牢、制冷劑過多以及螺栓松動等；運行故障指的是冷藏集裝箱在陸上運輸、碼頭堆場堆放以及海上運輸過程中產(chǎn)生的故障，如冷凝器臟堵、制冷劑泄漏以及馬達性能下降等；需要指出的是，有些故障雖然屬于服務(wù)故障，已經(jīng)在提供服務(wù)后得到診斷和處理，但仍然可能在運行過程中產(chǎn)生，如電氣接線有可能在運行過程中松動導致故障，因此，對于這些故障要特別注意，不要因為之前的診斷和處理而忽視。

2)“硬” 故障和“軟”故障。Braun J.E.[10]認為可以將蒸汽壓縮制冷設(shè)備(幾乎所有的冷藏集裝箱都采用此種設(shè)備)的故障分為“硬” 故障和“軟”故障，根據(jù)兩類故障的不同的特點制定相應(yīng)的故障診斷策略，為智能故障診斷提供支持。根據(jù)冷藏集裝箱的特點及作用，“硬”故障可定義為突然發(fā)生的、導致系統(tǒng)或系統(tǒng)中的重要部件停止工作使得箱內(nèi)設(shè)定溫度無法維持的故障，如電器元件燒毀、運轉(zhuǎn)部件停機等，這類故障通常有明顯的故障特征，檢測相對簡單，比較容易實現(xiàn)智能診斷，現(xiàn)有的PTI檢測已經(jīng)能夠檢測大部分的“硬”故障。“軟”故障指的是造成系統(tǒng)性能下降、但仍然可以控制住箱內(nèi)溫度的故障，如冷凝器外表面部分臟堵會導致冷凝壓力以及系統(tǒng)能耗升高，但卻不會立即造成溫度失控，這類故障往往緩慢發(fā)展，在故障程度較輕時沒有明顯的特征，比較難以診斷。隨著故障程度的加重，“軟”故障有可能轉(zhuǎn)化為“硬”故障，比如冷凝器臟堵嚴重時有可能導致壓縮機因高壓保護而停機。對于“硬”故障，應(yīng)該要及時、準確排查，對于“軟”故障則應(yīng)盡可能在故障程度較輕的時候?qū)⑵錂z測出來，防止其造成系統(tǒng)能耗的增加甚至發(fā)展成“硬”故障。

3)系統(tǒng)級別的故障和元件級別的故障。Li H.L.等認為可以將蒸汽壓縮式空調(diào)的故障分類為系統(tǒng)級別的故障和元件級別的故障。系統(tǒng)級別的故障指的是故障的來源很難歸根于某一具體的元件，比如，制冷劑泄漏故障，故障的原因可能是系統(tǒng)的任意元件密封不良，因此該故障屬于系統(tǒng)級別的故障；元件級別的故障指的是故障來源可以歸根于某一部件，如冷凝器臟堵僅僅是冷凝器本身的故障，以其它元件無關(guān)，因此，該故障屬于元件級別的故障。對冷藏集裝箱來說，該分類方法可以借鑒的是，元件級別的故障一旦被確認，立刻可以找到故障的原因。

4)流體相關(guān)故障和系統(tǒng)元件相關(guān)故障。Xiao F.等[11]將陸上建筑空調(diào)系統(tǒng)的定流量離心冷水機組的典型故障分類為流體相關(guān)故障以及系統(tǒng)元件物理故障。利用ASHRAE RP-1043的實驗數(shù)據(jù)，通過相對敏感度分析的方法提高對流體相關(guān)故障的診斷率。冷藏集裝箱具有與定流量冷水機組相似的制冷系統(tǒng)，區(qū)別在于將定流量的介質(zhì)由水換成空氣(通常冷藏集裝箱蒸發(fā)器的風機為雙速，但在一定模式下，速度是固定的，如冷藏模式為高速，冷凍模式為低速)，這有利于借鑒該研究成果。對于冷藏集裝箱的來說，流體相關(guān)的故障包括：系統(tǒng)內(nèi)制冷劑過多、系統(tǒng)制冷劑泄漏、系統(tǒng)內(nèi)存在不凝性氣體、潤滑油過多、冷凝風量減少、蒸發(fā)風量減少等。值得關(guān)注的是，在冷藏集裝箱領(lǐng)域，尚未有類似ASHRAE RP-1043的研究項目對冷藏集裝箱制冷系統(tǒng)典型的故障進行全面研究，為發(fā)展冷藏集裝箱智能故障診斷系統(tǒng)提供正常運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)以及不同故障程度下的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，因此，業(yè)界有必要開展類似的研究。

5)故障原因分類。對故障進行分類可以提高故障診斷的效率，還可以為智能故障診斷提供基礎(chǔ)。此外，對故障原因也可以進行分類，故障原因可以粗略分為可避免因素和不可避免因素。比如，與制冷劑相關(guān)的故障大概有制冷劑種類錯誤、系統(tǒng)內(nèi)制冷劑過多或者過少三種，這些故障都會影響制冷機組的正常運行。制冷劑種類錯誤指的是往系統(tǒng)內(nèi)充注錯誤的制冷劑種類，該故障是由于工作人員粗心大意造成的，這個因素是可以避免的；制冷劑過多指的是系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑數(shù)量超過正常的水平，該故障的起因是由于充注制冷劑的工作人員粗心大意或者經(jīng)驗不足無法準確判斷造成的，這個因素是可以避免的；而制冷劑不足指的是系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑數(shù)量低于正常水平，該故障的起因除了與制冷劑過多的故障相同的原因外，還有就是由于制冷機組使用過程中制冷劑泄漏引起的，這個因素是無法避免的。

在制定管理制度時應(yīng)該采取嚴格的措施，對可避免因素進行有效、合理的監(jiān)管，防止其出現(xiàn)，從而減輕故障診斷的工作量。進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，可避免因素一般是與人相關(guān)的，而不可避免因素一般是與物相關(guān)的。因此，在提供某一服務(wù)后，立即對與人相關(guān)的可避免因素進行及時準確的排查應(yīng)該成為慣例并記錄在案。

3 結(jié)論

對冷藏集裝箱故障進行合理的分類，可以幫助管理方人員制定合理的故障診斷策略，降低技術(shù)人員對大量經(jīng)驗知識的過分依賴，提高故障診斷的效率，也為智能故障診斷的實現(xiàn)提供了一定的基礎(chǔ)，對推動冷藏集裝箱故障診斷的進一步發(fā)展具有積極意義。目前，冷藏集裝箱故障診斷的研究仍然有待于進一步提高，尤其是在如何實現(xiàn)智能故障診斷方面仍然需要大量的支撐。

[1] 王 斌，盧毅勤，朱木元.集裝箱空箱海上調(diào)運優(yōu)化模型[J].船海工程，2005(6):72-74.

[2] 陳永德，陳顯山，鮑純海，等.港口冷藏集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)的研制和應(yīng)用[J].建筑施工，2009,31(2):135-136.

[3] 吳吉安，韓厚德，張安闊.基于RFID的冷藏集裝箱遠洋運輸遠程監(jiān)控研究[J].港工技術(shù)，2009,46(5):7-9.

[4] 紀 珺，韓厚德，闞安康.基于衛(wèi)星通信的冷藏集裝箱遠程故障診斷系統(tǒng)[J].華中科技大學學報:自然科學版，2009,37(1):140-143.

[5] 王世良.機械制冷冷藏集裝箱與運輸[M].北京：人民交通出版社，2005.

[6] 伍 剛，鄭學林.船舶冷藏集裝箱故障診斷范例集的建立[J].機電設(shè)備，2005(5)：43-45.

[7] 梁志強，韓厚德，甘 偉，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在冷藏集裝箱故障診斷中的應(yīng)用[J].機電設(shè)備，2008(3)：37-40.

[8] 王富銀，鄭學林.基于FTA的船舶冷藏集裝箱故障的建立[J].綠色科技，2011(1)：162-164.

[9] LI H L,BRAUN J E.A Methodology for diagnosing multiple-simultaneous faults in vapor compression air conditioners[J].HVAC&R Research,USA,2007,13(2):369-395.

[11] BRAUN J E.Automated fault detection and diagnosis for vapor compression equipment[J].Journal of Solar Energy Engineering,USA,2003(125):266-274.

[11] XIAO F,ZHENG C Y,WANG S W.A fault detection and diagnosis strategy with enhanced sensitivity for centrifugal chillers[J].Applied Thermal Engineering,2011,31:3963-3970.