王 冬 劉建業(yè)

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 200016)

艦船操舵系統(tǒng)的故障樹診斷方法*

王 冬 劉建業(yè)

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 200016)

艦船操舵系統(tǒng)系統(tǒng)維修難度大,故障不易排除,因此故障診斷技術(shù)在該領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。論文根據(jù)艦船操舵系統(tǒng)的一般故障模式,采取了故障樹的診斷方法,結(jié)合故障樹分析法建立了故障診斷專家系統(tǒng),提高了故障診斷水平。

艦船操舵; 維修; 故障樹

Class Number TN97

1 引言

艦船操舵系統(tǒng)是艦船航行的重要系統(tǒng)之一,是艦船安全航行的重要保障。近年來(lái),隨著科技的不斷進(jìn)步,我國(guó)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的操舵系統(tǒng)性能不斷提高,結(jié)構(gòu)與功能越來(lái)越復(fù)雜。但是艦船操舵系統(tǒng)工作環(huán)境極端惡劣,在此基礎(chǔ)上追求高性能必然會(huì)影響操舵系統(tǒng)的可靠性。由于我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)依然薄弱,加之對(duì)研制過程中的規(guī)律認(rèn)識(shí)不足,往往在追求高性能的同時(shí)犧牲了質(zhì)量和可靠性指標(biāo)方面的要求,導(dǎo)致我國(guó)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的艦船操舵系統(tǒng)總體的可靠性較差,故障率較高。因此如何快速診斷出故障,以保證艦船的安全航行就成為一個(gè)重要的問題。本文通過對(duì)艦船操舵系統(tǒng)故障模式的分析,運(yùn)用故障樹的分析方法,找到故障模式的原因與傳播路徑,從而為準(zhǔn)確的故障定位和及時(shí)的診斷維修創(chuàng)造條件,對(duì)提高艦船操舵系統(tǒng)和整個(gè)艦船的可靠性、維修性和安全性具有重大意義[1]。

2 艦船操舵系統(tǒng)的組成

艦船操舵系統(tǒng)是控制艦船航行的主要手段,為了保證航行安全,一般采用雙系統(tǒng)交互工作。在組成上,由主操臺(tái)、啟動(dòng)器、液壓舵機(jī)、反饋機(jī)構(gòu)等分機(jī)構(gòu)成。各分機(jī)通過連接電纜組成艦船操舵系統(tǒng),由主操臺(tái)控制各分機(jī)協(xié)同工作,最終輸出需要的舵角以控制艦船航向。

· 主操臺(tái):整套系統(tǒng)的核心。由航向跟蹤系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)等模塊組成。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各部件的工作,通過選擇合適的操縱方式控制艦船航向[2]。

· 啟動(dòng)器:聯(lián)接380V船電,輸出110V交流和24V直流電到主操臺(tái),并通過主操臺(tái)分配給各分機(jī)。

· 液壓舵機(jī):操舵系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),由主操臺(tái)控制啟動(dòng)器啟動(dòng)液壓舵機(jī),為舵葉提供液壓源。

· 反饋機(jī)構(gòu):反饋實(shí)際舵角,在主操臺(tái)顯示或在隨動(dòng)操縱方式工況下輸出反饋信號(hào)。

2.1 操舵系統(tǒng)故障模型分析

對(duì)于艦船操舵系統(tǒng),要精確地建立其數(shù)學(xué)模型有時(shí)是很困難的。這時(shí)可以考慮建立系統(tǒng)的故障過程模型。本文選用故障樹分析法[3]。

故障樹分析法是一種由果到因的演繹推理方法。根據(jù)分析人員對(duì)研究對(duì)象原理的深刻把握,盡可能多的提出系統(tǒng)故障,并逐級(jí)分析故障原因,形成樹狀推理圖。故障樹分析主要應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,擁有直觀、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn),但復(fù)雜系統(tǒng)的建樹過程復(fù)雜,為避免在建樹過程中出現(xiàn)錯(cuò)漏和脫節(jié),對(duì)分析人員要求很高。

針對(duì)艦船操舵系統(tǒng),根據(jù)各分系統(tǒng)功能上的差別,將操舵系統(tǒng)故障模型進(jìn)行分類研究。

2.2 操舵系統(tǒng)故障模型分類

供電系統(tǒng)故障:供電系統(tǒng)為整個(gè)艦船操舵系統(tǒng)供電,如果供電系統(tǒng)故障,整套系統(tǒng)將癱瘓,艦船將無(wú)法操縱[4]。

液壓系統(tǒng)故障:當(dāng)前操舵系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般以液壓系統(tǒng)為主,當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障,前端電路控制部分失效,對(duì)艦船安全影響最大。

航向跟蹤系統(tǒng)故障:操舵系統(tǒng)的航向跟蹤分系統(tǒng)一般來(lái)自于艦船的羅經(jīng)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)同步,通過主控制單元計(jì)算航差計(jì)算出舵葉的打舵角,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱。當(dāng)航向跟蹤系統(tǒng)出現(xiàn)故障,會(huì)引起航向跟蹤不穩(wěn)定,艦船無(wú)法穩(wěn)定的在給定航向航行。

線路故障:艦船操舵系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),為了聯(lián)接各分系統(tǒng),需要大量的聯(lián)接電纜,而電纜聯(lián)接故障是日常使用中經(jīng)常發(fā)生的故障。

主操縱臺(tái)故障:主操縱臺(tái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,其中大量的電路板在惡劣的工作環(huán)境下,極易出現(xiàn)故障。

3 艦船操舵系統(tǒng)故障樹的分析和建立

3.1 故障樹分析法

故障樹分析法是一種安全可靠的分析技術(shù),也是目前故障診斷中應(yīng)用最多的方法之一,它建立在對(duì)系統(tǒng)的故障經(jīng)驗(yàn)庫(kù)的基礎(chǔ)之上,將系統(tǒng)級(jí)的故障現(xiàn)象(頂事件)與最基本的故障原因(底事件)之間的內(nèi)在關(guān)系表示成樹形的網(wǎng)絡(luò)圖,各層事件之間通過“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯關(guān)系相關(guān)聯(lián)。通常把系統(tǒng)的故障狀態(tài)稱為頂事件,然后找出系統(tǒng)故障和導(dǎo)致系統(tǒng)故障的諸原因之間的邏輯關(guān)系。并將這些邏輯關(guān)系用邏輯符號(hào)表示出來(lái),由上而下組逐層分解,直到不能分解為止。推導(dǎo)出各故障和各單元故障之間的邏輯關(guān)系,利用這些邏輯關(guān)系最終找出對(duì)應(yīng)的底層故障原因[5]。

3.2 艦船操舵系統(tǒng)故障樹的建立

本文對(duì)艦船操舵系統(tǒng)進(jìn)行分析,根據(jù)以往的維修經(jīng)驗(yàn),建立故障樹。以下是故障樹建立的步驟[6]:

1) 選擇和確定頂事件。頂事件即為故障事件。

2) 分析頂事件。尋找引起頂事件發(fā)生的直接的和必要的原因。

3) 分析每一個(gè)與頂事件直接相聯(lián)系的輸入事件。如果該事件還能進(jìn)一步分解,則將其作為下一級(jí)的輸出事件,如同步驟2)中對(duì)頂事件那樣進(jìn)行處理。

4) 重復(fù)上述步驟,逐級(jí)向下分解,直到所有的輸入事件不能分解為止,建立倒置的故障樹。

圖1 艦船操舵系統(tǒng)故障樹

當(dāng)艦船操舵系統(tǒng)無(wú)法工作或工作時(shí)異常,就要對(duì)其進(jìn)行維修。艦船操舵系統(tǒng)可分為主操縱臺(tái)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、航向跟蹤系統(tǒng)等分系統(tǒng),其主要故障可分為系統(tǒng)失電、液壓閥故障、航向跟蹤故障、主操隨動(dòng)故障四個(gè)部分[8]。

通過故障分析及整理,艦船操舵系統(tǒng)故障樹如圖1所示。

對(duì)圖1所示故障樹進(jìn)行定型分析。從故障樹可以清晰地看出,導(dǎo)致艦船操舵系統(tǒng)故障的原因主要有四個(gè),但是主操縱臺(tái)工作異常是導(dǎo)致艦船操舵系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。以下是操舵系統(tǒng)故障樹分析細(xì)化的兩個(gè)例子,圖2為舵角跟蹤精度低的細(xì)化故障樹。圖3為反饋系統(tǒng)的細(xì)化故障樹。

圖2 舵角跟蹤精度低的細(xì)化故障樹

圖3 反饋系統(tǒng)的細(xì)化故障樹

4 實(shí)例驗(yàn)證

副操臺(tái)隨動(dòng)操縱工況下,無(wú)法給出給定舵角。該故障屬于復(fù)合故障,可能的故障原因有很多,而出現(xiàn)這種故障的時(shí)候,大多數(shù)是在航行狀態(tài),如果出現(xiàn)故障,很可能導(dǎo)致艦船無(wú)法航行。這種故障艦船操作人員是很難排除的,即使是專業(yè)維修工程師也需要大量的時(shí)間來(lái)排查。利用操舵系統(tǒng)專家診斷系統(tǒng),可以不必依靠專業(yè)工程師維修,通過培訓(xùn)的艦艇操作人員就可快速定位故障,并更換隨船備件,從而避免了對(duì)艦船航行的影響[9]。

圖4 專家診斷系統(tǒng)

以下是整個(gè)故障診斷過程,只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)幾步就可找到故障原因。更換備件后,故障排除。

第一步,在電腦中打開專家診斷系統(tǒng),并選擇復(fù)合故障診斷。如圖4所示。

第二步,部件選擇,選擇付操縱臺(tái),如圖5所示。

圖5 部件選擇

第三步,癥狀選擇,選擇“付操縱臺(tái)隨動(dòng)時(shí)無(wú)法給出給定舵角”,如圖6所示。

第四步,已選擇的癥狀,根據(jù)實(shí)際癥狀選擇“付操隨動(dòng)操舵是無(wú)法給出給定舵角”,如圖7所示。

第五步,單擊“可能的故障原因”,根據(jù)“故障導(dǎo)致的癥狀”內(nèi)顯示的癥狀,找到故障原因”,如圖8所示。

圖6 癥狀選擇

圖7 根據(jù)實(shí)際癥狀選擇

圖8 找到故障原因

第六步,更換控制板,開機(jī)驗(yàn)證后故障排除。

通過故障樹的建立,完成了故障診斷專家系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,相比過去憑借工程師經(jīng)驗(yàn)維修提高了工作效率,節(jié)省了人力。通過培訓(xùn),艦船操作人員就可現(xiàn)場(chǎng)診斷出故障,利用備件修復(fù),大大提高了艦艇的在航率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)艦船操舵系統(tǒng)的分析,結(jié)合維修經(jīng)驗(yàn),利用故障樹診斷方法建立了專家系統(tǒng),對(duì)艦船操舵系統(tǒng)的維修提供了一種新的方法,相比過去依靠維修工程師的經(jīng)驗(yàn),極大地降低了艦船操舵系統(tǒng)維修的門檻。故障樹診斷分析法,為專家系統(tǒng)提供了知識(shí)獲取的便捷方式,結(jié)合專家系統(tǒng)的解釋功能,保證了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)應(yīng)用于艦船操舵系統(tǒng)故障診斷,能夠有效、快速地進(jìn)行故障定位,有很好的應(yīng)用效果[10]。

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Fault Tree Diagnosis Method of Ship Steering System

WANG Dong LIU Jianye

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 200016)

The system of ship steering is difficult to repair, and the failures aren’t easy to solve, so the fault diagnosis technology is more and more important in the field. According to general failure mode in the system of ship steering, the diagnostic method of fault tree analysis is combined by the flt diagnosis expert system, then the fault diagnosis is improved.

ship steering, repair, fault tree

2013年8月8日,

2013年9月23日

王冬,男,碩士研究生,工程師,研究方向:航海儀器測(cè)試。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.033