邢寶林

（北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

0 引言

民航飛機工業(yè)制造技術(shù)發(fā)展非常的迅速，其自身的液壓系統(tǒng)和整個飛機的機械、電子以及電控系統(tǒng)耦合在一起，液壓系統(tǒng)主要負責飛機的起落架、升降以及方向機的動力控制，其液壓管路為動力的輸出提供了分配、傳輸以及轉(zhuǎn)向的重要功能[1]。由于飛機的液壓系統(tǒng)常年處于頻繁且高負荷工況下，且液壓管路分支復(fù)雜、長度長、構(gòu)型復(fù)雜、組件之間耦合連結(jié)，導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的頻率特別的高。液壓管路的故障診斷也非常的復(fù)雜，其故障類型大致有液壓管路液壓油泄漏、液力沖擊過大、液壓管路卡滯以及液壓管路組件脫落等，最為常見的是液壓管路泄漏故障，該類故障主要是由于飛機液壓管路經(jīng)常受到液壓沖擊，加上裝配加工工藝的缺陷導(dǎo)致的裂紋、折痕以及脫落[2]。

1 課題研究背景、目的及意義

液壓系統(tǒng)是大型機械設(shè)備的動力支持系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋能源等機械工程領(lǐng)域。管道系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)的動力傳遞手段，長期工作在高壓、高振動的環(huán)境中，極易發(fā)生故障，影響整個液壓系統(tǒng)的正常運行，甚至可能導(dǎo)致嚴重的安全事故。例如，在航空航天領(lǐng)域，文獻表明，液壓系統(tǒng)故障約占中國軍用飛機故障的30%，液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致的飛行事故占中國民用飛機事故的36.7%，其中管道系統(tǒng)故障率最高。美國B-1轟炸機、F-15 和F-18 戰(zhàn)斗機以及俄羅斯SU-27 戰(zhàn)斗機因液壓管道系統(tǒng)破裂和支撐夾具失效而發(fā)生重大事故，波音757-200 商用飛機也多次發(fā)生管道故障。各種事故表明，液壓管道系統(tǒng)的健康狀況對整機設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。高壓環(huán)境中的劇烈振動是導(dǎo)致液壓管道系統(tǒng)失效的重要因素，失效的主要表現(xiàn)形式包括松動附著、管道損壞和漏油。不同的故障會對管道系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，不同的故障往往需要采取不同的措施，不同的故障往往具有不同的特點。液壓軟管一般用夾子或軟管夾子固定，在振動作用下，夾子或軟管夾子的固定螺釘會受到圓形的橫向載荷，長時間會使夾子或軟管夾子放松甚至斷裂，降低其在軟管上的支撐性能，導(dǎo)致更強烈的異常振動。此外，振動過程中的疲勞、磨損和腐蝕等不良因素會導(dǎo)致管道損壞，從而擴散到裂紋失效甚至導(dǎo)致漏油。因此，在實際條件下檢測管道系統(tǒng)的故障，確定故障的類型和位置就顯得尤為重要，而研究管道系統(tǒng)的故障機制，各種故障的特征表現(xiàn)，以及故障的識別和相應(yīng)的定位方法是重要的前提。關(guān)于液壓管道故障機制的理論研究很多，故障識別和定位技術(shù)一直是液壓管道故障診斷的關(guān)鍵和挑戰(zhàn)，其中有效的故障特征提取方法是研究的重中之重。在復(fù)雜的內(nèi)部和外部激勵環(huán)境中，傳感器信號具有不穩(wěn)定、非線性的特點，故障診斷方法往往適用于其他機械結(jié)構(gòu)，在液壓管道中難以發(fā)揮作用，這給液壓管道故障信號的處理帶來了巨大的困難，國內(nèi)外研究人員不斷探索基于信號處理的液壓管道故障診斷方法。大多數(shù)現(xiàn)有的研究成果集中在時間，頻率和頻率的時間域，但對信號的相位特性的研究很少。相關(guān)研究表明，該相在結(jié)構(gòu)故障診斷中具有獨特的優(yōu)勢，因此研究液壓傳動故障信號的相特性，并在此基礎(chǔ)上進行故障識別和定位研究，對開辟液壓傳動故障診斷的新方向具有重要意義[3]。

2 分布式故障檢修系統(tǒng)

民航飛機液壓管路的裂紋故障診斷是通過識別其裂紋故障特征值，然后經(jīng)過故障濾波后確認故障。首先是需要對輸入信息進行濾波處理，將無效的數(shù)值進行剔除或者替換掉，濾波處理算法采用低通濾波器進行濾波；隨后將裂紋信息和設(shè)定的故障閾值和故障時間做邏輯處理，經(jīng)過故障處理時間后確認液壓管路裂紋故障。在設(shè)計液壓管路裂紋故障診斷的過程中，需要將故障檢測的使能條件和故障清除方式納入算法中，當故障使能狀態(tài)失敗后，其液壓管路裂紋瞬時故障檢測可以繼續(xù)，但是其故障濾波的需要立即停止，等到故障使能條件滿足后進行故障濾波處理；液壓管路裂紋故障是劃分等級的，當出現(xiàn)輕微的裂紋故障只需要進行故障信息上報以及點亮故障信號燈，如果液壓管路出現(xiàn)嚴重的裂紋故障，需要將故障進行存儲，即使自身的裂紋故障恢復(fù)了最終的故障也不能夠自愈清除，需要借助特殊的服務(wù)進行清除。液壓管路裂紋故障檢測采用基于時間的故障確認機制，故障檢測使能條件滿足，當瞬時故障確認后持續(xù)故障確認時間，從而確認故障，當使能條件不滿足，其時間計數(shù)保持不變，裂紋故障狀態(tài)保持；由于嚴重裂紋故障是長存儲故障，在后續(xù)的設(shè)計中將其故障清除方式定義為服務(wù)清除或人工清除，因此在故障濾波過程中，使能條件滿足的條件下，只要故障進行重置動作，無須在經(jīng)過計數(shù)濾波，濾波計數(shù)將會進行清零，故障隨即進行清除。

為了獲取更好的液壓管路裂紋故障信息和提升檢修效率，設(shè)計了分布式的故障檢修系統(tǒng)，其信號的輸入來自于電控單元的裂紋故障特征、確認故障標志位以及經(jīng)過仲裁后的裂紋故障嚴重度[4]。分布式故障檢修系統(tǒng)主要由故障信息處理、故障監(jiān)測仲裁、故障數(shù)據(jù)庫、故障修復(fù)、人機交互模塊等組成，其中，故障數(shù)據(jù)庫中存儲了大量的裂紋故障案例和故障原因，人機交互模塊可以實現(xiàn)故障檢修人員和液壓管路故障監(jiān)測狀態(tài)進行互聯(lián)，故障修復(fù)模塊可以通過處理裂紋故障后將整個系統(tǒng)進行故障重置，恢復(fù)系統(tǒng)的正常功能，確保飛機液壓管路的正常運行，分布式故障檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式故障檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 航空液壓管路故障診斷

3.1 信號分解

分別對液壓直管管路和液壓彎管管路的振動數(shù)據(jù)以及有故障和正常無故障的振動數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有故障的管路振動幅值大于正常無故障的管路的振動幅值但差距不夠明顯，只通過時域圖和頻域圖分析難以對航空液壓管路早期故障進行準確識別。運用深度學(xué)習(xí)的方法進行管路振動數(shù)據(jù)的識別與分類，進而對管路的早期故障進行準確快速識別及預(yù)測。在信號分解開始，先加入相位相反但幅值相同的能夠自適應(yīng)管路振動信號的白噪聲，分解過程中將分解出的模態(tài)分量與原始振動信號進行對比，一直到分量與原始振動信號的相似度非常高即白噪聲的剩余量非常非常小時，停止分解過程，所得到的幾個分量就是所需求的分量[5]。

3.2 裂紋形貌檢查分析

管接頭與管路通過焊接方式進行連接，管路裝配符合要求，裂紋故障靠近焊縫邊緣，裂紋處無明顯外力損傷痕跡，裂紋斷口垂直于管路軸向方向。通過顯微鏡放大觀察：斷口呈灰白色，表面較粗糙，斷口處出現(xiàn)磨損情況，并且可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明該斷口性質(zhì)為疲勞斷裂。疲勞源為管路內(nèi)壁，由管路內(nèi)部延伸至管路外部。通過電鏡放大觀察。可知：管路內(nèi)壁處有明顯的疲勞弧線和放射棱線，證明該處為疲勞源區(qū)。同時，疲勞斷裂區(qū)域未發(fā)現(xiàn)與材質(zhì)和加工工藝相關(guān)的冶金缺陷，可以排除由于材料缺陷導(dǎo)致斷裂的可能。

3.3 傳感器的選擇

航空液壓管路故障診斷傳感器的選擇是航空液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題之一。由于液壓管路在飛行過程中承受著巨大的壓力和振動，因此需要選擇適合的傳感器來進行故障診斷，以確保液壓系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。傳感器的精度和靈敏度是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，液壓管路的壓力、溫度、流量等參數(shù)對系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要，因此需要選擇高精度、高靈敏度的傳感器來監(jiān)測這些參數(shù)。傳感器的可靠性和耐久性也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，液壓管路的故障可能會導(dǎo)致嚴重的后果，因此需要選擇具有高可靠性和耐久性的傳感器來進行故障診斷。傳感器的體積和重量也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，空間和重量都是非常寶貴的資源，因此需要選擇體積小、重量輕的傳感器來滿足系統(tǒng)的要求。傳感器的價格也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，成本也是一個非常關(guān)鍵的因素，因此需要選擇價格合理、性能優(yōu)良的傳感器來進行故障診斷。選擇航空液壓管路故障診斷傳感器需要考慮傳感器的精度、靈敏度、可靠性、耐久性、體積和重量、價格等多個因素，以確保液壓系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[6]。

3.4 管路振動信號的預(yù)處理

航空液壓管路故障診斷中，管路振動信號的預(yù)處理是非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于液壓管路在飛行過程中承受著巨大的壓力和振動，因此需要對采集到的管路振動信號進行預(yù)處理，以提取有用信息和減少干擾信號，從而實現(xiàn)故障檢測和診斷。預(yù)處理需要進行濾波處理。由于管路振動信號中可能存在各種干擾信號，如噪聲、電磁干擾等，因此需要對信號進行濾波處理，以減少干擾信號的影響。一般采用數(shù)字濾波器進行濾波處理，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等，以保留信號的主要頻率成分。預(yù)處理需要進行降采樣處理。由于管路振動信號采集頻率可能很高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量龐大，因此需要進行降采樣處理，以減少數(shù)據(jù)量和計算量。一般采用抽樣定理進行降采樣處理，即在不失真的情況下降低采樣率，以達到減少數(shù)據(jù)量和計算量的目的。預(yù)處理需要進行特征提取處理。由于管路振動信號中包含了大量的信息，因此需要對信號進行特征提取處理，以提取有用的信息和減少冗余信息。一般采用時域分析、頻域分析、小波分析等方法進行特征提取處理，如計算信號的均值、方差、峰值、頻譜等參數(shù)，以提取有用的信息。預(yù)處理需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理。由于管路振動信號可能存在不同幅值和不同單位的情況，因此需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理，以保證數(shù)據(jù)具有可比性。一般采用最大最小值歸一化、z-score 標準化等方法進行數(shù)據(jù)歸一化處理，以確保數(shù)據(jù)具有可比性。航空液壓管路故障診斷中，管路振動信號的預(yù)處理需要進行濾波處理、降采樣處理、特征提取處理和數(shù)據(jù)歸一化處理，以提取有用信息和減少干擾信號，從而實現(xiàn)故障檢測和診斷。

3.5 零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制

零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制是制造業(yè)中的一個重要問題，涉及零件的設(shè)計、加工、裝配等多個環(huán)節(jié)。制造精度指的是零件加工后與設(shè)計要求之間的差異程度，協(xié)調(diào)度則是指多個零件在裝配時的匹配程度。為了確保零件的質(zhì)量和裝配精度，需要對零件制造精度及協(xié)調(diào)度進行控制。零件制造精度控制需要從設(shè)計階段開始。在設(shè)計階段，需要根據(jù)零件的用途和要求，確定零件的尺寸、公差、表面光潔度等參數(shù)，并制定相應(yīng)的加工工藝和檢驗標準。同時，還需要考慮材料的選擇和熱處理等因素對零件精度的影響。零件加工過程中需要采用合適的加工技術(shù)和設(shè)備。不同的加工技術(shù)和設(shè)備對零件精度有不同的影響，因此需要選擇適合的加工技術(shù)和設(shè)備，以達到要求的制造精度。同時，加工過程中還需要進行嚴格的質(zhì)量控制和檢驗，以確保零件的精度符合要求。零件裝配過程中需要進行協(xié)調(diào)度控制。在零件裝配過程中，不同零件之間的匹配程度對整個裝配質(zhì)量有重要影響。因此，需要采用適當?shù)难b配工藝和方法，如配合加工、調(diào)整裝配等，以提高零件之間的協(xié)調(diào)度。同時，還需要進行嚴格的裝配檢驗和調(diào)試，以確保裝配精度符合要求。需要采用先進的制造技術(shù)和管理方法，如數(shù)字化制造、智能制造、全面質(zhì)量管理等，以提高零件制造精度和協(xié)調(diào)度控制的水平。這些技術(shù)和方法可以實現(xiàn)自動化、智能化、數(shù)據(jù)化的生產(chǎn)過程，并通過全面質(zhì)量管理的方法實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制是制造業(yè)中的一個重要問題，需要從設(shè)計、加工、裝配等多個環(huán)節(jié)進行控制[6]。通過采用適當?shù)募夹g(shù)和方法，可以提高零件制造精度和協(xié)調(diào)度控制的水平，為制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。

4 結(jié)語

對基于多模塊TPC 的空間輸出并聯(lián)供電系統(tǒng)的功率分配控制策略進行研究，將光伏端和蓄電池端電壓作為各自模塊的能量信息，引入下垂控制環(huán)路中，構(gòu)造出自主調(diào)節(jié)的能量協(xié)調(diào)控制下垂系數(shù)，實現(xiàn)各模塊PV陣列能量的最大化利用與蓄電池能量的平衡。搭建了兩臺500W 的非隔離TPC 構(gòu)成的輸出并聯(lián)實驗平臺進行實驗驗證，給出了SISO，DI，DO 等不同工作模式下的動態(tài)實驗波形與實驗數(shù)據(jù)、以及工作模式動態(tài)切換波形和單模塊光伏端熱插拔的實驗波形。實驗結(jié)果驗證了理論分析正確性，該能量協(xié)調(diào)控制策略可以實現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的優(yōu)化分配，有效提高系統(tǒng)能效與可靠性，并且輸出并聯(lián)系統(tǒng)可以實現(xiàn)平滑的工作模式切換、動態(tài)性能良好。