陳偉，李偉，宋漢強

(1.海軍航空工程學院，山東煙臺264001;2.中國人民解放軍總裝備部，北京 100034)

作為導彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，液壓起豎系統(tǒng)承擔著承載武器主體，實現(xiàn)導彈發(fā)射的重要作用，為提高整個武器系統(tǒng)性能，保證導彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)的運行可靠性，對其進行有效的狀態(tài)監(jiān)測極為必要。進行全面正確的狀態(tài)監(jiān)測需要大量的傳感器，過少的傳感器會造成監(jiān)測信息不全面，且傳感器的類型、數(shù)量和位置不同直接影響狀態(tài)監(jiān)測效果［1］。雖然傳感器數(shù)量越多，能夠獲取的信息量就大，但是分析、處理信息的工程量就越大，會影響監(jiān)測系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，所以進行傳感器優(yōu)化布置是進行有效狀態(tài)監(jiān)測的一項難點工作。

對于傳感器的布置優(yōu)化問題，目前采用的方法主要是通過原理分析和實驗分析［2－3］，通過仿真的手段進行傳感器布局的研究相對比較少。但是對于液壓系統(tǒng)這類耦合性比較強的系統(tǒng)，很難進行全面的故障狀態(tài)的實驗測試，在裝備上進行實驗也存在著成本較大、實施困難的問題，而通過仿真的手段可以大大降低實驗的成本，能夠得到大量的故障數(shù)據(jù)，可為后續(xù)健康管理系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)。

文中以導彈發(fā)射車的液壓起豎系統(tǒng)為具體研究對象，結(jié)合裝備的實際情況，利用故障仿真的方法分析各監(jiān)測點信號特性，并選擇和優(yōu)化布置傳感器，為開展發(fā)射車液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1 液壓起豎系統(tǒng)

導彈發(fā)射車起豎液壓系統(tǒng)用來實現(xiàn)起落架的起豎和回平，其組成和工作原理如圖1所示。包括動力源模塊和起豎模塊，動力源模塊為起豎模塊提供液壓能，主要包括泵、溢流閥等元件;起豎模塊通過閥件的控制實現(xiàn)起豎、保壓和回平功能，主要包括液壓缸、單向節(jié)流閥、液壓鎖、分流集流閥、換向閥等元件。

圖1 液壓起豎系統(tǒng)原理圖

起豎時，油液從換向閥片流出后通過平衡閥、分流集流閥、液控單向閥和節(jié)流閥，推動起豎油缸伸出，完成起豎動作，其中疊加式液控單向閥用以保持起豎后的精度?；仄綍r，通過手動或電氣系統(tǒng)控制PSL型多路換向閥組中的起豎油缸控制閥，控制起豎油缸縮回。由平衡閥保證其液壓缸下落時的平穩(wěn)性和安全性。其中，分流集流閥保證兩個液壓油缸在實際系統(tǒng)中的同步，避免設(shè)備受力不平衡而損壞。

分析發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)原理圖中可以看出，其運行存在強關(guān)聯(lián)性，圖中的線條表示其中的管路，并且管路存在很大程度的彎曲等復雜工作環(huán)境，結(jié)合實際發(fā)射車使用環(huán)境可以得知，傳感器可以的布局點存在著數(shù)量多、難度大的特點，并且其各處的信號特征均不清楚，在這樣的背景下，采用建模和仿真的方式無疑是明智的選擇。其故障診斷流程及建模仿真過程示意圖見圖2。

圖2 傳感器布置示意圖

與傳統(tǒng)的手段相比，通過仿真的方法進一步研究了系統(tǒng)的運行機制，對測點的數(shù)據(jù)進行定量研究，分析系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的響應，使得后續(xù)傳感器的布置成為了一種實驗和驗證的手段，提前將故障診斷部件需求以及測點參數(shù)需求提煉出來，為后續(xù)的開發(fā)提供了技術(shù)積累。

2 仿真建模與參數(shù)設(shè)置

為了獲取液壓系統(tǒng)各點處的信號特征和數(shù)據(jù)，利用AMESim進行系統(tǒng)仿真，通過故障注入，對系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障狀態(tài)進行模擬，并測得各故障對應的測點數(shù)據(jù)。進而為導彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)的狀態(tài)評估、故障診斷與定位奠定技術(shù)基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)對圖1所示液壓系統(tǒng)的準確仿真，以標準元件庫中的模型作為基礎(chǔ)，應用HCD設(shè)計和二次組裝技術(shù)，建立準確的仿真模型［4，5］，并根據(jù)導彈發(fā)射車實際運行情況設(shè)計仿真參數(shù)，主要仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示，需要說明的是，其中所有管路和閥件的臨界雷諾數(shù)均為1 100。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3 傳感器信號特征與作用分析

根據(jù)液壓起豎系統(tǒng)原理圖1建立仿真模型，圖1中10為壓力傳感器，用以采集泵的出口液壓油工作壓力，在模型中選用同一點的壓力數(shù)據(jù)，將二者進行幅值以及趨勢上的比對，發(fā)現(xiàn)二者有很高的相似度，保證了模型的可信性。為滿足故障診斷需要，可以分別在泵出口設(shè)置壓力、流量傳感器，在換向閥各口設(shè)置壓力傳感器，在平衡閥前后設(shè)置壓力傳感器，在分流集流閥前后設(shè)置壓力、流量傳感器，在液壓缸前設(shè)置壓力、流量傳感器，在液壓缸活塞桿處設(shè)置位移、速度傳感器，各傳感器能夠采集的信號具有各自的特征和作用，通過分析，為制定傳感器布置方案提供依據(jù)［6］。

3.1 活塞桿位移傳感器

利用活塞桿位移傳感器，可以采集活塞桿伸出位移與時間關(guān)系，活塞桿收回位移與時間關(guān)系，兩缸位移差3種信息，這3種信息可以用來評價起豎系統(tǒng)液路閥件發(fā)生堵塞、滲漏和不同步問題。

當換向閥出現(xiàn)閥芯開啟不到位問題時［7］，液路中液阻增大，流量降低，使液壓缸活塞桿的運動速度降低，致使伸出過程時間變長，如圖3所示。在正常狀態(tài)，系統(tǒng)起豎時間是37 s，而隨著閥芯開口的降低，系統(tǒng)的響應時間逐漸變長。因此，可以利用正常起豎時間30～47 s這一時間段的位移量評估起豎過程的狀態(tài)，診斷換向閥閥芯開啟程度。將伸出的位移量與仿真得到的數(shù)據(jù)進行對比，可以用來診斷換向閥閥芯的開口量的故障狀況。

圖3 油缸活塞桿伸出過程位移仿真結(jié)果

由于平衡閥控制油路中的節(jié)流孔較小，容易導致平衡閥不能完全開啟，引起油缸活塞下降速度變慢，甚至不下降，如圖4所示。因此，可以利用正常回平時間為273 s時刻的位移量評估回平過程的狀態(tài)，診斷平衡閥堵塞程度。

圖4 油缸活塞桿回平過程位移仿真結(jié)果

分流集流閥用于分配進入兩個油缸的流量，一旦出現(xiàn)不平衡故障時，導致起豎油缸不同步，就會導致兩個油缸活塞桿伸出位移出現(xiàn)偏差，如圖5所示。在正常狀態(tài)，兩缸的位移差能夠保持基本一致，但是一側(cè)節(jié)流孔故障后，兩缸的位移差就會表現(xiàn)明顯，位移偏差會使發(fā)射架產(chǎn)生應力扭矩，甚至破壞裝備，這在實際系統(tǒng)的運行中是嚴格不允許的。因此，可以利用兩缸活塞位移差評估分流集流閥狀態(tài)。

圖5 兩缸位移誤差

3.2 換向閥A口壓力傳感器

換向閥A口在油缸伸出時承受負載壓力，活塞桿運動結(jié)束時達到最大壓力，而在回平時直接連接油箱，壓力接近于0，如圖6所示。當換向閥發(fā)生閥芯開啟不到位故障時，伸出過程變慢，最大壓力發(fā)生的時間滯后，可以利用這種最大壓力發(fā)生時間進行換向閥的狀態(tài)評估。當換向閥A口傳感器之后的元件發(fā)生故障，導致活塞運動變慢時，雖然最大壓力發(fā)生時間同樣偏離正常狀態(tài)發(fā)生時間，但是由于后續(xù)元件的節(jié)流作用，壓力將增大，導致伸出過程中A口壓力值大于正常值，從而可以利用壓力幅值定位故障。

圖6 起豎階段換向閥A口壓力

3.3 泵出口壓力傳感器

泵出口壓力取決于負載和溢流閥調(diào)定壓力值，當負載小于溢流閥調(diào)定壓力時直接反應負載大小，當大于溢流閥調(diào)定壓力值時，則穩(wěn)定在溢流壓力值，而溢流閥故障時最大壓力值將偏離調(diào)定值。以換向閥閥芯開啟不到位為例，該壓力傳感器采集壓力情況如圖7所示，可以利用壓力幅值、最大壓力出現(xiàn)時間進行故障定位和元件狀態(tài)評估。

圖7 溢流閥壓力

3.4 K點壓力傳感器

K點壓力傳感器布置在圖1所示的平衡閥上端位置，由于平衡閥僅在活塞回平時發(fā)揮作用，活塞桿伸出過程中壓力保持與換向閥A點壓力基本一致，此時出現(xiàn)較大偏差時，則可以斷定由單向閥造成?；钊麠U回平過程中，平衡閥下端經(jīng)換向閥后接入油箱，壓力基本為0，換向閥故障時，平衡閥下端壓力即為換向閥A口壓力，這就是可以利用K點壓力計算出平衡閥前后壓力差，用評估量平衡狀態(tài)，節(jié)流口不同堵塞程度時，K點傳感器采集信號如圖8所示。因此，可利用K點壓力信號評估平衡閥狀態(tài)。

圖8 平衡閥上端壓力

3.5 M、N點流量傳感器

分流集流閥上端出口處M、N點進行流量和壓力采集，流量直接反應油缸運動速度，因此也可以利用兩點的流量值、流量變化情況、流程差進行液壓起豎系統(tǒng)的狀態(tài)評估和故障定位，其功能與油缸活塞位移相近，但是不能獨立表征油缸內(nèi)泄漏故障，只有與壓力信號聯(lián)合使用時才能對液壓缸故障進行定位。以分流集流閥發(fā)生不同步問題為例，M、N處流量差如圖9所示，在起豎階段，分流集流閥根據(jù)負載的變化情況分派M、N兩口的流量，在正常情況下，M口和N口的流量差應接近0，M口故障后，流入兩缸的流量有了明顯的差異。

圖9 M、N口流量差

3.6 M、N點壓力傳感器

分流集流閥上端出口壓力最直接反應油缸壓力情況，能夠表征液壓起豎系統(tǒng)總體健康狀態(tài)，能夠表征兩缸是否壓力平衡。以兩點壓力不平衡為例，M口和N口壓力差仿真結(jié)果如圖10所示，與流量差的分析過程一樣，在故障后表現(xiàn)出明顯的差異。另外，分流集流閥故障后，K點壓力與M、N點壓力差也發(fā)生了很大的變化，如圖11所示，根據(jù)這個壓力差可以評估故障狀態(tài)和定位故障位置。

圖10 pM－pN變換曲線

圖11 分流集流閥K口和M口壓力差

4 傳感器選擇與優(yōu)化

由以上仿真結(jié)果集分析可知，針對導彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測時，不同類型和位置的傳感器對各種故障敏感性不一樣，所包含的信息也存在一定的重復，其中有些傳感器不能獨立進行狀態(tài)評估和故障診斷，也有一些傳感器功能接近，為此可以通過有效的優(yōu)化得到最佳傳感器布置方案。選擇和優(yōu)化過程中重點考慮以下幾點:

(1)選取那些對系統(tǒng)狀態(tài)變化影響最為敏感的參數(shù)作為檢測量;

(2)不同的特征信號所容納的信息量大小是不同的，所以應選擇那些最能反映系統(tǒng)工作狀態(tài)的參數(shù)作為檢測量;

(3)所選特征參數(shù)應便于測量和分析，盡量選擇不拆卸就可檢測的特征參數(shù);

(4)所選特征參數(shù)的檢測不干擾系統(tǒng)的正常工作;

(5)優(yōu)先選擇那些有助于盡早發(fā)現(xiàn)故障的參數(shù)。

綜上所述，結(jié)合建模仿真的結(jié)果以及5條基本的原則，對于圖1所示液壓系統(tǒng)，可以通過設(shè)置泵出口壓力傳感器、換向閥A口壓力傳感器、K處壓力傳感器、M口壓力流量一體傳感器、N口壓力流量一體傳感器共計5個傳感器進行整系統(tǒng)的全面狀態(tài)監(jiān)測。通過仿真結(jié)果可知，選定的5個傳感器布置點可以滿足整個液壓起豎系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷，從經(jīng)濟上也是一個可行的方案，另外，根據(jù)發(fā)射車實際考察，這5個傳感器的供電、布線方案也能相對比較容易實現(xiàn)，通過實驗研究，驗證了傳感器優(yōu)化布置方案可行。

5 結(jié)束語

針對導彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)情況，利用仿真手段獲取液壓系統(tǒng)各觀測點信號特征，在分析信號作用基礎(chǔ)上進行傳感器的選擇和優(yōu)化，確定傳感器布置方案，為裝備的狀態(tài)監(jiān)測，以及健康管理奠定基礎(chǔ)。另外，在此基礎(chǔ)上，可以結(jié)合液壓系統(tǒng)的解析模型，運用其他優(yōu)化方法進行傳感器布置方案的進一步優(yōu)化。

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