（制冷及低温工程专业论文）船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究.pdf

上海海事人学硕卜学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 摘要 由于冷藏集装箱技术先进，保鲜期长，能将鱼肉、果蔬和鲜花等货物始终保持在 各自最佳的低温状态，可灵活、可靠、方便地将其运送到世界任何地方。因此，它迅 速发展成为国际贸易中的种重要运输手段。为了使货物具有更好的运输质量，提高 企业的市场竞争能力，船公司越来越注重冷藏集装箱的运输管理。但长期以来冷藏集 装箱运输过程中的管理还是依靠经验和现场巡视，没有真正实现自动化。另外，随着 国际集装箱冷藏货物的总运输量的不断增多，有关冷藏货物发生货损的案件日益增 加。为了分清责任、减少纠纷，就需要将持续性强、稳定性高的信息化技术运用于冷 藏集装箱运输。本文正是基于目前的现状提出了冷藏集装箱的故障遥测诊断系统。 本文从冷藏运输入手，介绍了冷藏集装箱的结构、规格等基本情况。然后讨论了 冷减集装箱的制冷方式，重点说明了目前海运广泛使用的蒸气压缩式冷藏集装箱。本 文也足以该类型的冷藏集装箱展开论述的。 本文采用故障诊断技术中较为成熟的故障树分析法进行冷藏集装箱制冷机组的 故障诊断，建立起了典型故障的故障树。由于冷藏集装箱具有在世界各地周转的特性， 所以得到特定的一个冷藏集装箱的故障情况并不容易。本文采用船舶上的故障和修理 报告作为故障调查依据，得到了主要故障的发生频率和维修费用的基本情况。从而确 定了冷藏集装箱制冷机组压缩机故障是最为严重的故障，而“亚健康”故障问题，也 必须引起足够的重视。 为了更好地理解故障，本文对压缩机故障进行了详细的机理探讨，分析了故障产 生的内在原因。通过对压缩机运行的分析，本文确定了监测压缩机运行故障的相应参 数。 冷藏集装箱制冷机组，不论其压缩机类型为活塞式、涡旋式还是转子式，为了满 足船舶世界各地移动而引起的负荷显著变化的要求，均应具有相同的运行参数。弄清 这些运行参数的特点及其规律，对于机组的安全、经济和无故障运行有着极其重要的 意义。所以本文对冷藏集装箱制冷机组运行参数进行了详细的分析。结合前面压缩机 故障分析确定的监测参数及机组自身的特点，利用计算机技术和现代通讯技术，本文 确定了冷藏集装箱制冷故障遥测及诊断系统的基本框架。 本文最后利用b p 神经网络建立起了“亚健康”故障诊断模型，收集文献资料建 立起了样本故障库，利用v b 实现了“亚健康”故障诊断，从而达到了对相应硬故障 的预警预报。通过应用该系统可以大大降低硬故障的发生频率，最大限度地减少冷藏 集装箱的货损货差。 卜海海事大学琐i 学位论文1 9 舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 关键词：冷减集装箱，故障诊断，遥测系统，b p 神经网络 l 海海事大学硕_ | _ - 学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 a b s t r a c t r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sw i t hh i g ht e c h n o l o g yc a nr e m a i nt h ec a r g o e sf r e s hi na l o n gt i m e k e e p i n gt h ef i s h ，m e a t ，v e g e t a b l e ，f r u i t ，a n df l o w e r sa tt h e i ro p t i m a l t e m p e r a t u r e s ，r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sc a ne a s i l yb et r a n s p o r t e dt oa n y w h e r ei nt h e w o r l dw i t haf l e x i b l ea n dc r e d i b l ew a y s o r e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r sh a v er a p i d l y d e v e l o p e d a sa ni m p o r t a n tw a yo ft r a n s p o r t a t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a lt r a d e i no r d e r t ob e t t e rt h e q u a l i t yo fc a r g ot r a n s p o r t a t i o na n d a d v a n c et h ec o m p e t i t i v ec a p a c i t yi n t h e m a r k e t ，s h i p p i n gc o m p a n i e sp a y m o r ea t t e n t i o nt ot h e t r a n s p o r tm a n a g e m e n t o f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s b u t i na l o n g t i m et h e t r a n s p o r tm a n a g e m e n t o fr e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r sa ts e ai sd e p e n d e n to ne x p e r i e n c ea n dw a t c hk e e p i n ga tl o c a l t h e m a n a g e m e n th a sn o t a c h i e v e da u t o m a t i o na ta 1 1 a tt h es a m et i m ew i t ht h e p r o l i f e r a t i n gq u a n t i t yo fc a r g o e st h a ta r et r a n s p o r t e db yr e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s ，t h e n u m b e ro ft h ec a s er e l a t e dt oc a r g ol o s sh a sb e e ni n c r e a s i n g s or e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r sr e q u i r eas t a b l ea n dp e r s i s t e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt od i s t i n g u i s ht h e o b l i g a t i o n s a n dd e c r e a s et h ec a s e s b a s e do nt h em e n t i o n e dc o n d i t i o nt h e d i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fr e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s f o rf a u l td i a g n o s e t h ed i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t hr e f r i g e r a t i n gt r a n s p o r t a t i o n ，a n dt h e ni n t r o d u c e s r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s ，s u c ha st h e i rs t r u c t u r e ，i n s u l a t i o n ，s p e c i f i c a t i o na n d s oo n o fc o u r s et h ed i s s e r t a t i o nt o u c h e st h e r e f r i g e r a t i n gt e c h n o l o g y o f r e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r s a n dt h ed i s s e r t a t i o np a y sm o r ea t t e n t i o nt or e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sw i t h v a p o r c o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o nf o rt h ea f t e rd i s c u s s i o ni sb a s e d o nt h ec o n t a i n e r s o ft h i sk i n d ， t h ef a u l td i a g n o s eo ft h er e f r i g e r a t i n gu n i to fr e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sa d o p t st h e f a u l t - t r e ea n a l y s i s w h i c hi sam a t u r et e c h n i q u e a m o n g f a u l td i a g n o s e s ，t om a k eu p s o m ef a u l t - t r e e so ft h et y p i c a lf a u l t s b e c a u s er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sh a v et h e c h a r a c t e ro fb e i n gt r a n s p o r t e di nt h ew o r l d ，i ti sn o te a s yt og e tt h ef u l ld a t ao fa s p e c i f i e dc o n t a i n e r b a s e do nt h ef a u l tr e p o r t sa n d t h er e p a i rr e p o r t so nb o a r d ，w e g e tt h ef r e q u e n c i e sa n d t h er e p a i re x p e n s e so ft h em a j o rf a u l t so ft h er e f r i g e r a t i n g u n i t a n dw ef i n do u tt h a tt h ec o m p r e s s o rf a u l to ft h er e f r i g e r a t i n gu n i ti st h em o s t s e r i o u sf a u l t o fc o u r s ew es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ef a u l to fs u b h e a l t h e 海海事大学硕士学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测世诊断研究 i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ef a u l t si nd e t a i l ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sa p a r t i c u l a r d i s c u s s i o na b o u tt h em e c h a n i s mo ft h ef a u l to fc o m p r e s s o r a n dw ea n a l y s et h e i n n e rc a u s e so ft h ef a u l t s f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t st h e p a r a m e t e r s t h a t w es h o u l dn o t i c ew h e nw em o n i t o rt h ef a u l t s ， i no r d e rt os a t i s f yt h ed i v e r s el o a dw h i c hr e s u l tf r o mt h em o v i n gs h i p st h e c o m p r e s s o r s o ft h e r e f r i g e r a t i n gu n i t ，n om a t t e rt h e y a r e r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r s s c r o l lc o m p r e s s o r so rr o t a t i n gc o m p r e s s o r s ，s h o u l dh a v et h es a m ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ，i nt h ei n t e r e s to ft h er e f r i g e r a t i n gu n i t se c o n o m i c ，n o n - f a u l ta n d s a f e r u n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k e af u l lu n d e r s t a n do ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s ot h ed i s s e r t a t i o nd o e sa p a r t i c u l a ra n a l y s i sa b o u t t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h er e f r i g e m t i n gu n i t m a k i n gu s eo ft h ec o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h ep a r a m e t e r se s t a b l i s h e di nt h ef r o n td i s c u s s i o n st h ed i s s e r t a t i o nb r i n g s f o r w a r dt h ef a u l td i a g n o s ea n dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fm a r i n er e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r s a tl a s tt h ef a u l td i a g n o s em o d e lo ft h ef a u l to fs u b h e a l t hi sm a d ew i t hb p n e u r a ln e t w o r k a n dt h ea u t h o rc o n s t r u c t st h em o d e lf a u l tl i b r a r yb y c o l l e c t i n gt h e f i t e r a t u r e sa n di n f o r m a t i o n t h e nt h ed i s s e r t a t i o na c h i e v e st h ef a u l t d i a g n o s eb y t h e p r o g r a mw r i t t e nw i t hv i s u a lb a s i c t h ea u t h o rr e a l i z e st h ea l a r m st ot h ef a u n s m a k i n gu s e o ft h es y s t e mw ec a nc u td o w nt h ef a u l t sa n dr e d u c et h e c a r g ol o s so f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r st ot h eg r e a t e s te x t e n t x i a o x i n w e n ( r e f r i g e r a t i o n & c r y o g e n i ce n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t e db y z h e n g x u e l i n k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s ，f a u l td i a g n o s e ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b pn e u r a in e t 、v e r k 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：盔遣叁日期：盟。r 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文 在解密后遵守此规定。 作者签名：盔堕至导师签名： 旅 铲 卜海海事大学硕上学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 符号说明 容积效率 压力系数 泄漏系数 相对余隙系数 排气温度 冷凝温度 冷凝器前后空气压差 蒸发温度 蒸发器前后空气压差 吸气温度 滑油温度 箱内温度 集装箱箱号 警报信号 压应力 外径 侧压力 容积系数 温度系数 压缩比 多变指数 排气压力 冷凝器前后空气温差 过冷温度 蒸发器前后空气温差 吸气压力 滑油压差 机组电流 漏热率 故障代码 环境温度 最高压力 内径 长度 l 丑 。 m只帆k峨岛峨ll p d ； 仉 。 乃t 峨t 峨l l i 舫 削 口 d 吼 上海海事大学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 引言 集装箱是当今公认的一种经济合理的运输工具，它的出现是“运输史上的革命”。 冷藏集装箱则是运输易腐食品的理想工具。由于冷藏集装箱技术先进，保鲜期长，能 将鱼肉、果蔬和鲜花等货物始终保持在各自最佳的低温状态，灵活、可靠、方便地运 送到世界任何地方。因此，它迅速发展成为国际贸易中的一种重要运输手段。目前， 世界海运冷藏集装箱已超过1 0 0 万t e u ，而且还在以每年6 万一8 万t e u 的速度递 增，以满足每年增长约3 一5 的世界易腐货物的运量的需要。在发达国家，易腐食 品的产、供、运、销体系已经基本建立了“冷藏链”，从而保证了易腐食品的供应质 量，甚至有些国家将“冷藏链”作为一项基本国策。而冷藏集装箱又是这一“冷藏链” 中最为重要的一环。近年来，一些高附加值产品( 如生物工程制品、疫苗、血浆及血 制品、鲜果、蔬菜、肉制品、禽蛋等) 运输量直线上扬，尽管船舶冷藏集装箱的运输 量在整个船舶集装箱运输箱量中的比例并不大，但其增长的势头很好，甚至已经成为 个别航线上的主要盈利收入。正是因为由于冷藏集装箱货物具有运输质量要求严格， 而使得运输产品的附加值增高，而且是要求愈严格，运输产品的附加值增高愈多；另 外由于冷藏集装箱是一个流动的冷库，其营运是一个系统工程，稍有一个环节出现差 错就会造成巨大的经济损失。为了提高船公司的企业竞争的能力，减少货差货损，就 要不断提高运输质量，这也是目前运输市场对于企业生存的一个基本的要求。因此这 也是对船舶冷藏集装箱的运输质量和管理水平提出了新的挑战。 发展冷藏集装箱故障遥测系统的必要性： 目前，对码头堆场集装箱监测的传统做法是一天2 4 小时有专门人值班，要求每 隔2 小时对堆场存放的集装箱进行检查和记录一次。这种做法不便于码头堆场集装箱 的现代化统一管理，而且工人的劳动强度较大，经常需要在堆场的架子上爬上爬下。 特别是夜间工作，受气候等条件的影响，会给记录人员的工作带来很大的困难和不安 全性。由于是定时巡视，往往不能及时发现由于制冷机组故障或温差所造成的箱内货 物的损坏，造成货差货损。 另外，虽然大多数的自动化较高的船舶将冷藏集装箱的工况延伸出来。但在运输 过程中由于这样或那样的原因，冷藏集装箱运输工况监视主要还是通过现场巡视，每 4 小时到现场检查、记录冷箱温度及工作状况。由于是采用人工定时巡视，往往不能 及时发现由于制冷机组故障。而且发现故障后般要进行如下处理： 1 冷藏集装箱的运输中出现故障，轮机员负责制冷机组机械部分和补充制冷剂； 电机员负责控制系统和制冷机组电器部分。如故障无法排除，应采取应急措施保持制 上海海事大学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 冷机组问断运行。冷冻箱应防止机组连续运转损坏压缩机：保鲜箱应防止低温冻损货 物。同时做好故障、采取措施及应急措施的详细记录。 2 当对冷藏集装箱保障采取措施无效时，应以最快捷的方式报告公司。内容包 括：箱号、故障发生时间、设置温度、当时温度、故障现象、故障原因、已采取措施 等，公司将咨询专业技术人员指导采取进一步措施。 3 当对冷藏集装箱故障采取进一步应急措施无效冷藏集装箱停止工作时，应将 故障出现时间、采取措施及应急措施、连续温度记录等内容作出详细报告，并以最快 捷的方式报告公司在卸货港安排公证检验。 由此可见，当冷藏集装箱在船舶运输过程中由于制冷机组等故障造成货损货差将 造成一系列的麻烦后果，同时会造成巨大的经济损失。 为了改变目前这种局面，目前国内外也进行了一系列的研究工作： 国内第7 0 5 研究所在这一方面已经取得了初步的成果，他们研制了冷藏集装箱远 程数据采集与监测系统。该系统采用电力线通讯技术通过电力线路与显示控制中心组 成网络，中心显控计算机实时显示各个集装箱的运行状态，故障情况等，同时实施监 控。该系统主要用于集装箱的堆场。 日本n y k 运输技术研究所最近开发成功冷藏集装箱异常报警用“o b 报警器”， 当存放在集装箱堆场等场所的冷藏集装箱温度超出设定范围或出现停电等异常情况 时，该报警器可以通过发送电子邮件形式向预定指定的移动电话或个人电脑等通报异 常的具体情况。该报警器采用n t t 数据包式“d o p a ”数据通讯方式，可以做到实时 检测，可以预防事故。 y o r k 推出的r e f c o n 是一种船舶冷藏集装箱监视系统，它不仅能用于船上所 运载的所有种类的冷藏集装箱，还可以用于码头堆场对冷藏集装箱进行监视，再通过 专用通讯网络将信息送往中心计算机处理后，显示在c r t 显示屏幕上，以及记录仪 打印记录。这个系统还可以借助于卫星通讯将船上或码头堆场上的冷藏集装箱记录数 据发送到总公司。 发展冷藏集装箱故障遥测系统的现实意义： 1 提高船公司市场竞争力：近年来，国际航运业随国际经济形势的变化此起彼 伏，但为了适应国际航运市场，提高船公司自身的国际竞争力，就要求压缩营运成本 尽量节约各项开支。由于目前大部分冷藏集装箱的监控还处于巡视之中，而通常发现 故障时，已经错过了进行维修的最佳时机，收不到理想的效果，若故障无法马上诊断 排除，就要求助岸上技术支持，这将使船舶的通讯成本大大提高。从长远的发展来看， 冷藏集装箱遥测及制冷故障诊断系统可以减少船公司的营运成本，提高市场竞争力。 2 满足船舶运输管理信息化的要求：随着i t 技术在整个人类社会中的运用与普 卜海海事大学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 及，如e d i 电子商务的运用，因特网、局域网的运用，要求船舶管理在与外界的交往 联络中，使用先进的通讯联络手段、信息数字交换等技术，加强船岸间的技术交流、 技术支援、资源共享、船舶动态与动力装置运行工况参数的交换，提高船公司船舶管 理的监控能力。冷藏集装箱遥测及制冷故障诊断系统的实现使船舶管理更加完善。 3 改善工作强度：在科学技术高度发展的今天，冷藏集装箱的监控尤其是在堆 场却还是依靠人工巡视，由于受气候和设备的限制，对定时巡视的工作人员造成重大 的安全隐患。而大多数的船舶上，机舱的自动化程度越来越高，基本上实现了无人机 舱，而有关冷藏集装箱的监控却跟不上整个形势的发展，与提高船员工作环境舒适这 一大趋势也不符合。冷藏集装箱遥测及制冷故障诊断系统将工作人员、船员从“巡视” 中解脱出来，彻底实现冷藏集装箱自动化管理。 4 明确权责：随着国际集装箱冷藏货物的总运输量不断增多，有关冷藏货物发 生货损货差所引起的索赔案件日益增多。由于冷藏集装箱货物的价值较高，一旦发生 货损货差，索赔金额往往比较高。该系统能够安全可靠地记录冷藏集装箱的各项信息， 这样远洋承运人、码头公司、托运人、货主、集装箱租赁公司的责任就十分明确了。 本文主要进行了工作如下： 1 对冷藏集装箱制冷机组的故障进行分析与调查，利用故障树分析法建立起冷 藏集装箱制冷机组的故障树，使用故障出现的频率和维修故障所需要的费用两个重要 指标对冷藏集装箱的故障进行分析，找出重要的故障。 2 本文对压缩机故障进行了详细的机理探讨，分析了故障产生的内在原因。通 过对压缩机运行的分析，确定了监测压缩机运行故障的相应参数。 3 对冷藏集装箱制冷机组运行参数进行了详细的分析。结合前面压缩机故障分 析确定的监测参数以及冷藏集装箱制冷机组的具体情况，利用计算机技术和现代通讯 技术，本文确定了冷藏集装箱故障遥测及诊断系统的基本框架。 4 本文采用b p 神经网络建立起了冷藏集装箱“亚健康”故障的诊断模型，收 集标准故障样本，最后利用v b 实现了对该类故障的诊断，从而实现对相应硬故障的 预警预报。 f 海海事大学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥铡及诊断研究 第一章船舶冷藏集装箱及其制冷系统 1 1 冷藏供应链 冷藏供应链是指在低温下对易腐食品进行的产、供、运销一体化服务的系统。它 是以制冷设备和技术为基本手段，以加工、储运易腐食品及其全过程为对象，以最大 限度地保持易腐食品的原由品质，提供优质食品为目的的冷藏储运设施与机构【1 l 。科 学的冷藏运输，对食品的资源开发利用，提高食品的经济效益，改善人民生活具有重 要意义。 我国是易腐食品的生产和消费大国，城市猪、养、牛肉销量量每年达3 0 0 0 多万 吨，禽蛋禽肉近2 0 0 0 万吨，奶类、奶制品约6 0 0 万吨，水果、蔬菜产销量更大。近 几年我国易腐食品每年增产约1 0 。由于全球经济一体化进程的不断深入，世界各国 贸易急剧发展。英国远洋航运咨询公司( o s c ) 在它的( ( 2 0 0 5 年冷藏运输、贸易和市 场预测的研究报告中预计到2 0 0 5 年全球海上冷藏货物贸易量将近6 0 0 0 万吨。为了 把大量易腐食品从生产地运往消费地；为了提高食品出口量，食品冷藏运输是必不可 少的【”。 图1 1 所示为易腐食品产、运、销过程的联系图，即食品冷藏供应链的主要环 节。食品从生产地，经采摘、屠杀送入生产性冷库，再由铁路冷藏车或公路冷藏汽车 运送到大城市分配性冷库或出口港贮存冷库，然后由市内销售系统，以冷藏汽车运送 到小型冷库或直接送至销售市场。或者通过冷藏船、冷藏集装箱甚至飞机运送到国内 外的城市与港口，易腐食品在这些环节中，均保持了必要的运输条件，最终也就保证 了食品的良好品质及食用价值【”。 l i 食品基地 图卜1 易腐食品冷藏运输示意图 由上图可以发现组成冷藏供应链的设旋可以分成两类：一类是固定装最，包括易 卜海海事夫学硕上学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 腐食品的收集、加工、贮藏、分配等设备； 冷藏运输的设备主要有铁路冷藏( 保温) 车、 其中以冷藏集装箱最有发展潜力。 1 2 船舶冷藏集装箱 另一类是流动的运输工具，适合用于食品 公路冷藏汽车、冷藏船及冷藏集装箱，而 1 2 1 集装箱 日前集装箱的定义没有统一的说法，不同的国家和不同的国际组织的定义都有一 定的差别。国际标准化组织( 1 s o ) 国际标准的集装箱名词术语定义如下：“集装箱 是一种运输设备，( 1 ) 具有足够的强度可以长期反复使用；( 2 ) 适于一种或多种运输方 式运送，途中转运时，箱内货物不需要换装；( 3 ) 具有快速装卸和搬运的装置，特别 便于从一种运输方式转移到另一种运输方式；( 4 ) 便于货物的装满和卸空：( 5 ) 具有 i m 3 及1 m 3 以上的容积。”我国国家标准全面应用了国际标准化组织的定义。集装箱用 国际贸易的海上运输和多式联运已经有4 0 多年的历史，这种运输方式的出现，把 全世界的贸易发展推向个新的历史时期【4 】。 1 2 2 冷藏集装箱 随着集装箱运输的发展，为了适应各种不同种类的货物运输需要出现了许多不同 种类的集装箱，其中冷藏集装箱就是专门为运送有温度要求而特殊设计的集装箱。所 渭冷藏集装箱，是具有定隔热性能，能保持一定低湿要求，适用于各类食品冷藏贮 运而进行特殊设计的集装箱。由于冷藏集装箱有以下主要优点：l 、可以用多种交通 工具进行连续运输而无需换装货物，使货物的冷藏环境不被间断或破坏：2 、可以进 行从产地到销售点的“门到门”直达冷藏运输，为保证货物新鲜度提供最佳条件；3 、 装卸效率高，运输费用合宜；4 、容积、重量适中，调度灵活，使用方便，可以深入 内地，有利于开拓冷货市场；5 、可以作为移动式冷库，储藏- 1 8 c 左右的冷货。所以 随着世界食品工业的发展和食品冷藏运输的需要，近来，公路、铁路、海上食品冷藏 运输已越来越多地采用各类冷藏集装箱i ”。 目前我国参与国际联运的冷藏集装箱基本上为i s o 标准中的系列l 中l a a a ( 4 0 英尺) 、1 a a ( 4 0 英尺) 、i c c ( 2 0 英尺) 三种类型的冷藏集装箱。其内外尺寸和容积重量 如下表1 1 ： 2 海海事人学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 表l 一1 机械式冷藏集装箱的尺寸和重量 类型外部尺寸( 单位：r a m )内部尺寸( 单位：i i r a )内部容积最人总重量 长宽局长宽( 单位：m 3 ) ( 单位：岖) 1 a a a1 2 1 9 22 4 3 82 8 9 61 1 5 9 42 2 9 52 5 4 06 7 63 4 0 0 0 1 a a1 2 1 9 22 4 3 82 5 9 11 1 5 8 72 2 5 92 2 1 95 8 13 2 0 0 0 l c c6 0 5 82 4 3 82 5 9 15 4 6 92 2 9 52 2 8 82 8 7 2 4 0 0 0 以上数据来自扬州通利冷藏集装箱有限公司，由于生产工艺和水平的差异，冷藏 集装箱的内部尺寸、容积、最大总重量都有一定的不同。同时由于制冷方式的不同， 如消耗冷剂式冷藏集装箱、机械式冷藏集装箱、制冷加热冷藏集装箱、带动力或不 带动力的冷藏集装箱等等其各个尺寸都有一定的差异。i s 0 系列1 a a a 的机械式冷藏 集装箱的最小内部尺寸为( 单位m m ) ：长1 1 1 4 0 、宽2 2 2 0 、高2 4 5 5 ；l a a 长1 1 1 4 0 、宽 2 2 2 0 、高2 1 5 0 ；1 c c 系列：长5 3 0 0 、宽2 2 2 0 、高2 1 5 0 。国际通用的底集装箱的外部 尺寸必须符合1 s 0 标准和我国国家标准的规定，内部尺寸和有关热力性能不能低于相 应的i s 0 标准和我国的国家标准。 1 2 3 冷藏集装葙运输的发展 6 】【7 】 2 0 世纪6 0 年代后期国际集装箱化运输迅速崛起，彻底改变了海上运输的面貌。 7 0 年代全金属的隔热集装箱与冷藏集装箱用于易腐食品的冷藏运输。8 0 年代全铝冷 藏集装箱一改原全钢箱的传统结构，受到国际海运公司和各租箱公司的欢迎和选用。 9 0 年代冷藏集装箱技术的新突破和多式联运的兴起以及管理上的不断完善，进一步 推动了冷藏集装箱运输的发展和广泛应用。 随着世界各国易腐货进出口量的迅速增加，海上冷藏集装箱运输得到了迅速发 展。由于集装化运输的方便、高效的“门到门”运输优势，使得集装箱运输得到飞速 发展。到2 0 0 0 年，世界集装箱保有量为1 4 3 0 万t e u ，其中远洋船舶用箱量1 3 6 0 万 t e u ，沿海或内河支线用箱量为6 8 万t e u ，在过去的l o 年里，全球集装箱年均递增 幅度为近1 19 6 。根据最近出版的货运系统调查报告冷藏集装箱贸易趋势显示， 在1 9 9 8 年中期，全世界冷藏船队( 航运公司和租箱公司) 共拥有冷藏集装箱3 6 1 6 0 0 个或者6 2 3 9 0 0 个标准箱( t e u ) ，其中世界各航运公司拥有量占6 4 ，各租箱公舌 拥有 3 6 。预测还将年均增长1 1 。并且在未来的几年里这种增长趋势会继续保持下去。 据有关研究预测在未来的5 年中，全球用箱量可望再递增4 0 ，到2 0 0 5 年，到达2 t o o 万t e u ，其中普通干箱1 6 7 0 万t e u ，特种箱1 0 0 t e u ，冷藏集装箱将达1 2 0 万t e u 。随 着全球海上运输用冷藏集装箱的数量迅速增加，新的科技技术也不断运用于集装箱 上海海事大学坝i 学位论文 船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及诊断研究 上，首先是在箱体材料上，铝合金箱体代替了以往的不锈钢箱体，隔热层采用整体发 泡而成的硬质聚氨酯泡沫塑料，在保持足够强度的前提f 大大减轻了箱体的重量；其 次控制技术的发展使得冷藏集装箱的控制和调节更加先进、完善和更加的可靠，能够 控制箱内温度在0 1 内( 实际控制在0 36 c 内) ：另外计算机技术不断应用于冷藏 集装箱的控制、故障检测和记录等。 1 2 4 冷藏集装箱围壁结构【8 j 一般冷藏集装箱的箱壁结构主要包括箱顶、箱底、侧板、前端门及箱门等构成。 箱体的每个面均包括隔热层和金属构件。不论是预制的隔热板还是现场发泡的隔热 层，均要求有一定的强度，更重要的是相当的隔热麓力和更高的密封功能。在设计制 造的时候应当避免出现贯穿整个隔热层的热桥，并且在铆钉和任何接缝处采取相应的 密封措施。隔热材料一般用硬质聚氨酯泡沫塑料。冷藏集装箱作为一种冷冻、冷藏运 输设备，必须有良好的隔热结构，才能保证设备的正常工作。硬质聚氨酯泡沫塑料具 有导热系数小、强度高、稳定性好、抗腐蚀等优点，长期以来被用作冷藏集装箱的隔 热材料。硬质聚氨酯泡沫塑料是由含羟基树酯和异氰酸酯反应形成预聚体，然后再加 入发泡剂、催化剂等其它辅助原料进一步混合、反应而发泡制得。硬质聚氨酯泡沫的 导热性能与发泡过程中所采用的发泡剂有很大关系，其导热性能主要决定于泡沫的泡 孔结构、泡孔中所含气体的种类及泡沫的容量、吸湿性等因素有关。其中泡孔中所含 气体的导热系数的大小对硬质聚氨酯泡沫的导热性能影响最为明显。泡孔中所含气体 的种类主要取决于制造方法和发泡剂。发泡剂物性与隔热材料性能可参考表卜2 。 表卜2 各种发泡剂的物理和隔热材料的性能 。矿i 、巡窭 c f c 1 1h c f c 一1 4 1 b环戊烷水h f c 1 3 4 a o d p1 00 1 l00o g w pl 。o0 1 5 c = 0 ， c町1 0 0123456 7891 0 压缩比 图3 - 3 指示效率随压缩比及相对余隙容积的变化关系 叭 容獠系数 卜海海事大学硕：l 。学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测技诊断研究 机 械9 0 效 奎 未8 0 7 0 6 0 乃产、 乞乙 砭 痧 l “tj基 诊 商jl 多 、( 压缩比 图34 机械效率随压缩比的变化关系 ( 3 ) 排气温度的影响【2 9 】 由热力学知识可知，压缩机的排气温度乃为： m l 乃= z “ ( 3 1 ) 由式( 3 - 1 ) 可以看出，压缩机的排气温度瓦取决于压缩比s 、吸气温度l 和多变压 缩过程指数m 。由图31 可知，压缩比随着环境温度的升高而增加很快，造成压缩机 的排气温度急剧增加。而过高排气温度会引起压缩机的过热，对压缩机的工作有严重 影响：会降低容积效率和增加能耗。润滑油粘度会因此减少，使轴承产生异常摩擦 损坏，甚至引起烧轴瓦事故；促使制冷剂和润滑油在金属的催化下出现热分解，生 成对压缩机有害的游离碳、酸类和水分。酸类会腐蚀制冷系统的各组成部分和电气绝 缘材料。水分会出现冰塞。积碳沉聚在排气阀上，既破坏了其密封性，又增加了流动 阻力；积碳可能使活塞环卡死在环槽里，失去密封作用：剥落下来的碳渣若被带出压 缩机，会堵塞节流机构、二r 燥器等；会使活塞在气缸里被卡住，以及内置电机的烧 毁；影响压缩机的使用寿命。这是因为化学反应速度随温度的升高而加剧，使得压 缩机的电气绝缘材料和零部件等劣化加快，寿命缩短。 由此可见，因压缩比过大而造成的排气温度过高，对压缩机有着致命的危害，因 此，对压缩机的排气温度必须加以限制，对r 2 2 来说，其排气温度应低于1 5 0 。c ；对 于r 1 3 4 a 应低于1 3 0 。c 。而且，在故障检测与诊断系统的测点布置时，排气温度是个 不可缺少的参数。 ( 4 ) 对动力性能的影响删 如图3 - , 5 所示，由力学知识可知，压缩机组的活塞、连杆、气缸所承受的应力和 吸排气压力差密切相关，其关系如下： j ：海海事人学硕士学位论文船舶冷藏集装箱制冷系统故障遥测及渗断研究 图35 活塞、曲轴及连杆运动示意图 对于活塞来说，假设在周边固定的原板上施加均布荷载，则活塞顶部所受的应力 为 。：墅 4 f 式中f 一活塞项部厚度，m m ； d 一活塞外径，m m ： 口一活塞所承受的压应力，k p a ； 芦一最高压力，其值为1 4 x ( 排气压力 气管压力损失系数，k p a 。 ( 3 2 ) 吸气压力) ，其中，1 4 为排气侧的排 若不计摩擦，在倾斜角口最大时，承受最大压缩力的侧压力为 力2 铲孚彘 。3 式中吼一活塞的侧压力，k p a ； 卜一连杆长度，m m ； l p o 一活塞有效长度，m i l l 。 刑连杆的小头部分来说，由于气体压力的作用，小头部分承受较大的表面压力为 1 海海事大学硕士学位论文船舶冷藏集皱箱制冷系统故障遥测及诊断研究 兰力2 p p 。= 等 ( 3 叫) 式中n 连杆小头部分的表面压力，k p a ： d 一连杆的小内径，m m ； b 一连杆的小头宽度，唧。( 倒角油槽部分扣除) 作用在连杆上的力有因气体的压力( 有时是液击) 引起的压缩力和弯曲力，以及因 活塞部分的惯性力引起的拉伸力，因气体压力产生的压缩力为： ! d 2 d p 。= 竿 。5 ) 式中p 。一压缩应力，k p a ； a 一杆身最小端面积，m m 2 。 众所周知，制冷机可以承受的温度和压力都有一定的限制，比如，当使用磷青铜 或低铅青铜轴瓦时，p ，的设计标准为3 x 1 0 k p a 以下：对于铝合金连杆，活塞销和连 杆小头部分直接滑动，p 。的设计标准为2 1 0 4 k p a 以下。由于各国都是按照各自国 家标准来制造冷藏集装箱制冷机组，因此，无法完全适应特别恶劣的天气气候条件下 运转。在远偏离标准工况运行时，常由于压缩比和压力差增大，使得压缩机处于大负 荷工作状态，使活塞式压缩机的活塞力和连杆轴承应力增加，故容易引起轴承烧研等 故障。 3 4 制冷压缩机部分负荷下的失油和液击 3 4 1 失油问题 目前冷藏集装箱制冷机组中常用的制冷剂为r 2 2 、r 1 3 4 a ，而目前新型机组更多 的是采用r 4 0 4 a 。这些氟利昂工质在常温下与润滑油可完全混溶或有较大的溶解度。 在实际的制冷循环当中，无论采取何种滑油分油方式，总是有小部分的滑泊随着制冷 剂进入蒸发器，液态制冷剂在蒸发器内不断吸热蒸发，由于滑油随着气态制冷剂回油 非