李　杰，朱　濤，許曉斌，元辰，呂　超

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng)　621000;2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京　100041)

?

Φ1米高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng)621000;2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京100041)

摘要：為了解決Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞裝備試修矛盾，提高風(fēng)洞參試效率并拓展風(fēng)洞技術(shù)性能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞裝備管理信息化和過(guò)程質(zhì)量控制精細(xì)化，滿足國(guó)家高超聲速武器裝備和航天飛行器研制中地面試驗(yàn)的需求，提出了建設(shè)Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng);文章分析了風(fēng)洞的設(shè)備組成、運(yùn)行方式、試驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)以及風(fēng)洞裝備維修保障的現(xiàn)狀，按照“增強(qiáng)的基于狀態(tài)維修”的裝備保障新模式，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，明確了硬件系統(tǒng)組成和軟件各模塊的功能;對(duì)風(fēng)洞裝備故障模式分析、基于振動(dòng)特性分析的診斷和測(cè)試技術(shù)、基于應(yīng)變特性分析的診斷和測(cè)試技術(shù)等關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索與驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：Φ1米高超聲速風(fēng)洞；自主式保障系統(tǒng)；基于狀態(tài)維修

0引言

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞是我國(guó)口徑最大、試驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，主要承擔(dān)高超聲速武器裝備和航天飛行器的地面試驗(yàn)任務(wù)，是我國(guó)新型武器裝備研制的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備。以往，該風(fēng)洞的維修工作主要采用定期維修和故障維修相結(jié)合的模式，其優(yōu)點(diǎn)是可以有計(jì)劃地安排維修活動(dòng)，故障原因容易診斷。自2013年經(jīng)過(guò)搬遷和配套建設(shè)以后，風(fēng)洞設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度大幅增加，設(shè)備智能化水平和技術(shù)集成度顯著提高。目前，該風(fēng)洞的試驗(yàn)任務(wù)非常飽滿，需要風(fēng)洞能長(zhǎng)期持續(xù)地正常運(yùn)行，上述維修模式已明顯暴露出維修不足和維修過(guò)?，F(xiàn)象，難以滿足對(duì)裝備維修保障的預(yù)見(jiàn)性、及時(shí)性、精確性的要求，裝備試修矛盾日益突出。

為了解決風(fēng)洞裝備試修矛盾，提高風(fēng)洞參試效率并進(jìn)一步拓展風(fēng)洞技術(shù)性能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞裝備管理信息化和過(guò)程控制精細(xì)化，滿足國(guó)家高超聲速武器裝備和航天飛行器研制中地面試驗(yàn)的需求，提出了建設(shè)Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)。文章分析了風(fēng)洞的設(shè)備組成、運(yùn)行方式、試驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)以及風(fēng)洞裝備維修保障的現(xiàn)狀，按照“增強(qiáng)的基于狀態(tài)維修(CBM+)”的裝備保障新模式，進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了硬件系統(tǒng)組成和軟件各模塊的功能，對(duì)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了探索性驗(yàn)證。

1自主式維修保障及其體系架構(gòu)

自主式維修保障是美國(guó)空軍在研制F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)項(xiàng)目時(shí)首先提出并應(yīng)用的一種新型保障模式[1-8]。它是一種能自己管理其相關(guān)的軍事器材、設(shè)施、人員、采購(gòu)、維修和運(yùn)輸?shù)能娛聦?shí)體和系統(tǒng)，使裝備具有自動(dòng)診斷其維修需求并將這些需求通知地面以便維修人員及時(shí)采取保障措施的能力。它是基于狀態(tài)維修(CBM)、故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)的擴(kuò)展和優(yōu)化，具有信息化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，有很高的保障質(zhì)量和效率[3]。

CBM是指基于內(nèi)置的傳感器或外置的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)試，從而對(duì)其技術(shù)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估的一整套維修措施。其宗旨是只有在需要維修的客觀證據(jù)時(shí)才進(jìn)行維修，同時(shí)保證設(shè)備的安全、可靠并降低使用和維修費(fèi)用。增強(qiáng)的基于狀態(tài)的維修(CBM+)是在CBM基礎(chǔ)上的發(fā)展，將一些新興的和改進(jìn)的維修技術(shù)、方法、程序引入到維修實(shí)踐中，其更注重狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障的診斷。CBM+能夠把故障消滅在萌芽狀態(tài)，計(jì)劃性更符合實(shí)際，其核心是狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和健康預(yù)測(cè)。

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞是一座暫沖吹吸式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，由高壓氣源和真空系統(tǒng)、蓄熱式加熱器、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器、冷卻器等組成，并配套風(fēng)洞運(yùn)行控制和監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、模型機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等設(shè)備。其中高壓氣源和真空系統(tǒng)由電動(dòng)截止閥、氣動(dòng)快速球閥、電液調(diào)壓閥、液壓角式熱閥、真空閘板閥等80余臺(tái)套各類閥門(mén)以及高壓、真空管道和連接法蘭組成，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的快速啟閉和壓力溫度的精確調(diào)控。模型機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、渦輪蝸桿以及液壓裝置驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞吹風(fēng)時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)控制和姿態(tài)調(diào)整。風(fēng)洞各馬赫數(shù)噴管的出口直徑均為1 m，最大流量160 kg/s，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)80 s，風(fēng)洞設(shè)備要承受較大的沖擊載荷和振動(dòng)，容易造成設(shè)備疲勞而引發(fā)故障。

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)選取故障頻率較高或設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較大的DN250氣動(dòng)快速球閥、GCD2000真空閘板閥、DN150電液調(diào)壓閥、高壓管道彎頭、噴管、擴(kuò)壓器、模型機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備和重點(diǎn)部位作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。維修保障系統(tǒng)按照OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)7個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如圖1所示。

圖1自主式維修保障系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

從體系架構(gòu)和邏輯層次上采用面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)，自下而上劃分為4個(gè)層次，即傳感器層、數(shù)據(jù)采集層、業(yè)務(wù)層和表示層，如圖2所示。

傳感器層負(fù)責(zé)完成DN250氣動(dòng)快速球閥、模型機(jī)構(gòu)等風(fēng)洞關(guān)鍵設(shè)備和重點(diǎn)部位的振動(dòng)、應(yīng)變、位移等技術(shù)狀態(tài)參數(shù)的采集和傳輸，包括振動(dòng)、應(yīng)變、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等不同類型的傳感器。

數(shù)據(jù)采集層完成對(duì)所有傳感器輸出信號(hào)及其他信息的轉(zhuǎn)換處理。根據(jù)設(shè)備工作方式和傳感器輸出信號(hào)的實(shí)際特點(diǎn)，選擇合適的數(shù)據(jù)采集板卡，并融合風(fēng)洞現(xiàn)行主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中已經(jīng)采集的壓力、溫度、設(shè)備開(kāi)閉狀態(tài)信號(hào)等必要數(shù)據(jù)。采集設(shè)備按照Modbus/TCP協(xié)議、OPC協(xié)議等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊和交互。

圖2　自主式維修保障系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

業(yè)務(wù)層完成系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用層面的工作，包括數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)和決策支持等模塊。數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、裝備數(shù)據(jù)庫(kù)等。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)界面的模型開(kāi)發(fā)和組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果、統(tǒng)計(jì)結(jié)果、預(yù)測(cè)結(jié)果以及維修保障的人機(jī)交互和終端顯示。性能評(píng)估模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，包括針對(duì)設(shè)備建立故障模型，采用故障推理機(jī)進(jìn)行推理，診斷和定位故障。決策支持模塊在性能評(píng)估、故障診斷和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與風(fēng)洞業(yè)務(wù)流程相結(jié)合的多要素綜合維修決策，形成最佳維修策略。

表示層直接體現(xiàn)用戶應(yīng)用，包括用戶接入認(rèn)證、信息瀏覽、信息發(fā)布、服務(wù)定位和維修流程管理等內(nèi)容。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件設(shè)備包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器系統(tǒng)、終端顯控設(shè)備和供配電裝置等，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件組成圖

傳感器系統(tǒng)即為分布在關(guān)鍵閥門(mén)、模型機(jī)構(gòu)、高壓管道彎頭等重點(diǎn)部位的各種傳感器，如振動(dòng)加速度傳感器、應(yīng)變計(jì)、溫度傳感器、位移傳感器等，完成設(shè)備狀態(tài)感知和信號(hào)輸出。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，每個(gè)設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成與之對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)的模式轉(zhuǎn)換和調(diào)理工作，并將采集數(shù)據(jù)經(jīng)信息網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器系統(tǒng)中。

圖4　數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接在一起，與服務(wù)器系統(tǒng)和終端顯示系統(tǒng)組成維修保障局域網(wǎng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)收發(fā)機(jī)與風(fēng)洞現(xiàn)行測(cè)控局域網(wǎng)之間連接。在所級(jí)科研網(wǎng)中增加裝備管理服務(wù)器，支持與科研網(wǎng)中的其他設(shè)備互聯(lián)互通。實(shí)現(xiàn)與測(cè)控間其他設(shè)備的信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如試驗(yàn)管理機(jī)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等，交互指令或數(shù)據(jù)，測(cè)控間局域網(wǎng)依賴于三層交換機(jī)構(gòu)建，滿足用戶數(shù)和傳輸?shù)囊蟆?/p>

服務(wù)器系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器、裝備管理服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、三層交換機(jī)、客戶端工作站等，為軟件功能平臺(tái)的運(yùn)行提供物理載體,實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)安全可靠地存儲(chǔ)、提取和分析。各服務(wù)器之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖5所示。

圖5　服務(wù)器系統(tǒng)控制關(guān)系和數(shù)據(jù)交互關(guān)系示意圖

終端顯控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種信息和數(shù)據(jù)結(jié)果在測(cè)控間內(nèi)的集中狀態(tài)顯示和監(jiān)控。供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自主式維修保障系統(tǒng)中各個(gè)組成單元的統(tǒng)一安全地供配電。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照OSA-CBM開(kāi)放式體系架構(gòu)，風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)的工作流程為：前端傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成風(fēng)洞關(guān)鍵部位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)完成風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)收集、存儲(chǔ)和發(fā)布顯示；通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和整理，得到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，在故障診斷和故障預(yù)測(cè)方法的支持下，完成設(shè)備的故障診斷和預(yù)測(cè)，形成故障設(shè)備的維修需求信息；在裝備數(shù)據(jù)庫(kù)中的人力資源、備品備件、試驗(yàn)計(jì)劃等信息的支持下，形成最佳維修策略；在裝備管理服務(wù)器中完成維修流程的上報(bào)、審批、組織實(shí)施和總結(jié)驗(yàn)收。

按照“狀態(tài)監(jiān)測(cè)—故障診斷—性能評(píng)估—?jiǎng)討B(tài)管理”的模式，系統(tǒng)軟件平臺(tái)包括數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理軟件包、技術(shù)狀態(tài)管理軟件包、裝備信息化管理軟件包、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件包等4個(gè)軟件包和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、裝備數(shù)據(jù)庫(kù)、專家知識(shí)庫(kù)、系統(tǒng)信息庫(kù)、維修決策庫(kù)等6個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件組成及工作原理

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理軟件負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)采集軟件的配置和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)OPC、ModBus等數(shù)據(jù)協(xié)議到自主式維修保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)庫(kù)的保存，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)，完成歷史數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)和查詢處理等工作。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件負(fù)責(zé)風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與顯示，對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行初步診斷與分析，得到設(shè)備的早期預(yù)警或報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞運(yùn)行的全過(guò)程、全自動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備的故障診斷結(jié)論的實(shí)時(shí)顯示，并能夠?qū)⑺袪顟B(tài)數(shù)據(jù)保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

故障診斷和故障預(yù)測(cè)軟件采用開(kāi)放式、迭代特征的平臺(tái)框架，能夠?qū)＜蚁到y(tǒng)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則和案例的診斷方法，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立故障模型和預(yù)測(cè)模型，具備可擴(kuò)展的診斷、預(yù)測(cè)引擎，支持預(yù)測(cè)算法的動(dòng)態(tài)調(diào)整與更換，具有實(shí)時(shí)故障診斷、定位、預(yù)測(cè)和報(bào)警能力。

裝備保障信息化管理軟件完成裝備的日常管理工作，可實(shí)現(xiàn)裝備全壽命周期的狀態(tài)管理和維護(hù)，負(fù)責(zé)裝備維護(hù)保養(yǎng)、儀器儀表計(jì)量檢定的計(jì)劃制定、自動(dòng)提醒和作業(yè)記錄的全過(guò)程管理，實(shí)現(xiàn)自主式裝備維修管理的業(yè)務(wù)流程，網(wǎng)絡(luò)化完成決策生成、上報(bào)、審批、組織實(shí)施和檢查驗(yàn)收，具備裝備運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)以及管理查詢功能。

4關(guān)鍵性問(wèn)題和探索性試驗(yàn)

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵性問(wèn)題主要有風(fēng)洞裝備故障模式分析、基于振動(dòng)特性分析的診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)、基于應(yīng)變特性分析的診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)等。

4.1風(fēng)洞裝備故障模式分析

Φ1米量級(jí)高超聲速風(fēng)洞由風(fēng)洞本體、高壓氣源和真空系統(tǒng)、加熱器系統(tǒng)、冷卻器系統(tǒng)等九個(gè)分系統(tǒng)組成，包含280余臺(tái)套單體設(shè)備和部件。各種設(shè)備因性能原理、運(yùn)行環(huán)境和工作方式的不同而具有不同的故障模式。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式和傳感器選型時(shí)，需要著重分析主要監(jiān)測(cè)對(duì)象的故障機(jī)理，判斷故障的產(chǎn)生原因和發(fā)展過(guò)程，采用適合的傳感器技術(shù)和信號(hào)分析技術(shù)，提取狀態(tài)特征參數(shù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)判斷裝備運(yùn)行性能和故障惡劣程度的目的。

4.2基于振動(dòng)特性分析的診斷和測(cè)試技術(shù)

開(kāi)展機(jī)械或機(jī)電系統(tǒng)診斷分析需要豐富的專家經(jīng)驗(yàn)，采用頻譜分析、相關(guān)分析等，提取包含在振動(dòng)信號(hào)中的故障信息。風(fēng)洞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)特性具有相互關(guān)聯(lián)性，當(dāng)某一位置發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，不可避免會(huì)對(duì)周?chē)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響；此外，由于本身特性差異，故障的產(chǎn)生還與不同設(shè)備對(duì)振動(dòng)烈度的耐受能力有關(guān)。以上諸多因素為本項(xiàng)目中進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的自動(dòng)分析、故障特征提取、故障診斷和定位帶來(lái)困難，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了解決這個(gè)問(wèn)題，建立風(fēng)洞中不同設(shè)備的振動(dòng)評(píng)估閾值體系，發(fā)現(xiàn)潛隱性故障并開(kāi)故障預(yù)測(cè)工作，對(duì)真空閘板閥、高壓管道彎頭部、調(diào)壓閥、模型機(jī)構(gòu)底座和彎刀等設(shè)備和部位進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試的摸底試驗(yàn)。

圖7給出測(cè)量真空閘板閥在開(kāi)閉動(dòng)作時(shí)振動(dòng)信號(hào)的傳感器布置示意圖，在電機(jī)外殼、連接套、閥體頂部、閥體側(cè)面和閥體前面分布安裝振動(dòng)加速度傳感器。連接套部位的振動(dòng)傳感器x、y、Z向的頻域信號(hào)如圖8所示。由圖可知，頻譜主要集中在2.5 kHz以下，常見(jiàn)峰值出現(xiàn)在1.75 kHz。Y向與x向相似，z方向的振動(dòng)穩(wěn)定性不如x和y方向，可知在運(yùn)行期間z方向的結(jié)構(gòu)配合可能會(huì)有問(wèn)題。對(duì)z向2.5~8.0 kHz之間的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，可能代表著設(shè)備的某種異常。

圖7真空閘板閥振動(dòng)加速度傳感器安裝布置圖

4.3基于應(yīng)變特性分析的診斷和測(cè)試技術(shù)

由于應(yīng)變測(cè)試能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，利用這一特點(diǎn)可以對(duì)有規(guī)律運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)識(shí)別。氣動(dòng)快速球閥是氣缸驅(qū)動(dòng)閥桿和閥球轉(zhuǎn)動(dòng)完成開(kāi)啟和關(guān)閉的。隨著閥門(mén)使用次數(shù)的增加，閥球與閥座以及閥桿與連接套之間由于結(jié)構(gòu)磨損呈現(xiàn)出摩擦力增大的趨勢(shì)，會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)工作時(shí)應(yīng)力增加。因此，通過(guò)測(cè)量閥桿或連接套的應(yīng)力大小能夠反映出閥門(mén)內(nèi)部系統(tǒng)的摩擦情況，進(jìn)行閥門(mén)故障診斷和健康預(yù)測(cè)。

圖8　連接套部位振動(dòng)傳感器頻域信號(hào)

圖9給出氣動(dòng)快速球閥應(yīng)變計(jì)安裝布置圖，在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)的應(yīng)變信號(hào)和主應(yīng)力曲線如圖10所示。

圖9氣動(dòng)快速球閥應(yīng)變計(jì)安裝布置圖

圖10　氣動(dòng)快速球閥開(kāi)啟時(shí)應(yīng)變計(jì)信號(hào)和主應(yīng)力曲線

由圖10可知，閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中有氣缸引導(dǎo)閥切換、氣缸充氣、閥球開(kāi)始動(dòng)作、流動(dòng)通道建立、閥門(mén)全部打開(kāi)等幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程可以劃分為4個(gè)階段。對(duì)各個(gè)階段的歷時(shí)、應(yīng)變峰值等情況進(jìn)行辨識(shí)提取，以各個(gè)參數(shù)的當(dāng)前值作為基準(zhǔn)，建立性能評(píng)估專家系統(tǒng)，形成多條故障診斷規(guī)則，由故障規(guī)則推理機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，從而得出故障診斷結(jié)論。

當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)發(fā)生顯著偏移時(shí)，表面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性發(fā)生了變化，根據(jù)數(shù)值的變化趨勢(shì)，采用一定的預(yù)測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)相應(yīng)結(jié)構(gòu)部件的性能變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張寶珍. 21世紀(jì)的保障方案-JSF的自主式后勤[J]. 工程與技術(shù), 2003 (01):27-30.

[2]Dreyer S L, Autonomic logistics-developing an implementation approach for an existing military weapon system [J]. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2006, 9(4):16-21.

[3]張寶珍. 國(guó)外綜合診斷、預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2008, 16(5):591-594.

[4]毛京明,胥家常. 一種新的自主式武器裝備后勤保障系統(tǒng)[J]. 兵工自動(dòng)化, 2009, 28(7):23-27.

[5]曹艷華,陳春良,宋敬華. 裝甲裝備自主式保障關(guān)鍵要素分析[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010， 24(2):7-11.

[6]陶來(lái)發(fā),樊煥貞,呂琛,等. 機(jī)電系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與分析[J]. 控制工程， 2011，18(4):636-639.

[7]趙中敏,張圣文. 大型數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理自主式保障系統(tǒng)[J]. 機(jī)床電器， 2013(3):52-55.

[8]趙洋,馬颯颯,趙國(guó)順,等. 無(wú)人機(jī)裝備自主式保障系統(tǒng)研究[J]. 信息技術(shù), 2013 (8):181-184.

Design of Autonomic Logistics System on Φ1m HWT

Li Jie1, Zhu Tao1, Xu Xiaobin1, Man Yuanchen2, Lv Chao1

(1. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang621000, China;2. Beijing Aerospace Measurement & Control Corp., Beijing100041, China)

Abstract:It is put forward to build an autonomic logistics system on Φ1m hypersonic wind tunnel(HWT) for solving the contradiction between the testing task and maintenance of equipments, for increasing the test efficiency and technical capabilities, and for realizing the informational equipment management and the refined quality control. The components, operation mode, task characteristics and problems in current maintenance support of the Φ1m HWT is analyzed in this paper. The autonomic logistics system is designed to confirm the component of the hardware and the function of the software based on the CBM+. Some pivotal problems are discussed and validated through the experiments such as failure mode analyzing, the diagnoses and testing technique based on vibration characteristic analysis and strain characteristic analysis.

Keywords：Φ1m hypersonic wind tunnel; autonomic logistics system; CBM+

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0126-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.034

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李杰(1979-)，男，河南范縣人，研究生，助理研究員，主要從事高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)和運(yùn)行控制技術(shù)方向的研究。

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-09-14。