趙征凡，付 江，劉婧波，劉永壽

(1.中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)， 北京 100012； 2.西北工業(yè)大學(xué) 工程力學(xué)系， 西安 710129)

液壓系統(tǒng)是火炮裝備供輸彈過(guò)程的重要?jiǎng)恿υ慈猍1]，為彈丸裝填、輸送提供必要的動(dòng)力，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和有效性能直接影響到火炮的作戰(zhàn)效率。液壓系統(tǒng)故障在火炮裝備整機(jī)故障中占有相當(dāng)大的比重，直接影響火炮的正常工作，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隨著現(xiàn)代火炮系統(tǒng)復(fù)雜度提高，傳統(tǒng)的事后維修和計(jì)劃維修能力不足，效率低下，迫切需要改良故障診斷技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。目前，國(guó)內(nèi)外液壓系統(tǒng)故障診斷已經(jīng)取得不少的成果。2009年，Mollazade K針對(duì)液壓系統(tǒng)齒輪泵磨損，使用描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)提取了泵在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)，診斷準(zhǔn)確率超過(guò)90%[2]；2012年Goharrizi A Y等提出了一種檢測(cè)液壓執(zhí)行器泄漏的方法，有效降低了油液的泄漏值[3]；2015年柴凱提出了基于時(shí)頻特征和極限學(xué)習(xí)機(jī)(PCA-KELM)的液壓故障智能診斷方法[4]。液壓系統(tǒng)故障診斷在一些技術(shù)層面有所突破，但缺乏智能的故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)來(lái)提前發(fā)現(xiàn)和處理故障，需要將各種技術(shù)有機(jī)融合起來(lái)，形成綜合的故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)系統(tǒng)[5]。PHM技術(shù)在航空領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，而陸軍裝備健康管理方面依舊采用傳統(tǒng)事后維修和計(jì)劃維修的模式，還未現(xiàn)實(shí)視情維修，嚴(yán)重阻礙了裝備的現(xiàn)代化，同時(shí)，裝備維護(hù)修費(fèi)高、效率低?；诖耍狙芯酷槍?duì)火炮液壓系統(tǒng)開展PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用研究，以更好地控制火炮液壓系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，提高維修效率。

1 火炮液壓系統(tǒng)故障模式與失效機(jī)理

液壓系統(tǒng)故障模式復(fù)雜，故障間相互關(guān)聯(lián)度大，需要明確各個(gè)故障間因果關(guān)系，以便于對(duì)失效原因和失效機(jī)理進(jìn)行分析。故障樹分析法(FT)和故障危害分析表(FMECA)能快速發(fā)現(xiàn)故障間層次性及相互關(guān)系，可將其應(yīng)用于火炮液壓系統(tǒng)故障分析[6]。根據(jù)某型火炮維修手冊(cè)相關(guān)內(nèi)容，針對(duì)火炮液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障模式建立火炮液壓系統(tǒng)故障樹如圖1，并根據(jù)故障樹進(jìn)行故障危害分析，建立故障危害分析FMECA表如表1所示。

由故障樹和故障危害分析，可以得到火炮液壓系統(tǒng)失效機(jī)理?；鹋谝簤合到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)故障主要與壓力、流量、溫度有關(guān)，常見(jiàn)表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)壓力過(guò)低，液壓系統(tǒng)流量損失，液壓系統(tǒng)溫度過(guò)高，液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)不良和液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高等。壓力損失、流量損失帶來(lái)的直接后果為液壓系統(tǒng)缺乏動(dòng)力，難以滿足火炮的精度要求，由于液體具有黏性，在管路中不可避免地存在著摩擦力，所以液體在流動(dòng)過(guò)程中必然要損失一部分能量，損失的能量即為壓力損失；油液溫度變化與液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和油濾有關(guān)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，油液在液壓泵中來(lái)回運(yùn)動(dòng)使得溫度升高；油濾用來(lái)過(guò)濾油液，當(dāng)油液污染嚴(yán)重時(shí)會(huì)使油濾堵塞，被堵塞后的油濾使得液壓油液的黏度增加，系統(tǒng)內(nèi)因摩擦而產(chǎn)生的熱量急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致油溫及系統(tǒng)溫度升高，油濾堵塞也會(huì)使系統(tǒng)供油不足，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率；液壓泵故障主要由泵殼表面磨損和泵體劇烈振動(dòng)組成，由于配油盤變形、滑靴松動(dòng)或泵內(nèi)混入雜物等的影響導(dǎo)致配油盤與缸體、滑靴與斜盤、柱塞與缸孔產(chǎn)生磨損導(dǎo)致液壓泵表面磨損，而液壓泵的振動(dòng)是不可避免的，液壓泵劇烈振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)供油不足，工作效率大大下降，同時(shí)會(huì)加劇液壓泵表面磨損，其主要原因?yàn)槲筒粫郴蛴鸵褐谢烊肟諝?，說(shuō)明液壓系統(tǒng)密封性受到影響，各零件連接處需檢查擰緊[7]。

2 某型火炮液壓系統(tǒng)PHM體系構(gòu)建

通過(guò)火炮液壓系統(tǒng)失效機(jī)理分析，針對(duì)失效原因確立檢測(cè)手段，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)和目前廣泛應(yīng)用的灰色預(yù)測(cè)模型，針對(duì)液壓系統(tǒng)中溫度、壓力和油液污染故障特征設(shè)計(jì)了基于某型火炮供輸彈液壓系統(tǒng)的PHM體系構(gòu)架如圖2所示。

該系統(tǒng)硬件由溫度傳感器、壓力傳感器、自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器組成，軟件系統(tǒng)為灰色預(yù)測(cè)模型平臺(tái)。其中，利用溫度傳感器、壓力傳感器、自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器分別采集溫度、壓力和油液的特征數(shù)據(jù)，將溫度傳感器和壓力傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)繪制成溫度變化曲線和壓力變化曲線；對(duì)油液進(jìn)行在線提取(固定間隔采樣)，將所采集油液樣本導(dǎo)入到自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器中進(jìn)行磨損顆粒的含量監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)油液污染度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染度分級(jí)，若油液污染度超過(guò)最大臨界值則直接更換油液。將磨損顆粒含量繪制成磨損顆粒變化曲線與溫度變化，壓力變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入到灰色預(yù)測(cè)模型中，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)測(cè)曲線與磨損顆粒，溫度，壓力臨界值對(duì)比，并產(chǎn)生4種情況，根據(jù)不同情況采取相應(yīng)措施如下：

1) 若溫度較高已經(jīng)達(dá)到臨界值而磨損顆粒含量較少，未達(dá)到臨界值，則可能由于系統(tǒng)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需停機(jī)降溫；

2) 若溫度較高達(dá)到臨界值且磨損顆粒含量達(dá)到臨界值則油液污染嚴(yán)重應(yīng)更換油液；

3) 若壓力過(guò)低低于臨界值但磨損顆粒含量不足則系統(tǒng)漏油，需擰緊連接處零件；

4) 若壓力過(guò)低且磨損顆粒含量超過(guò)臨界值，則油濾堵塞，油液污染嚴(yán)重，需更換油液；

5) 若污染度超過(guò)臨界值，則表明油液內(nèi)磨損顆粒濃度過(guò)高，油液污染嚴(yán)重，需更換油液。

3 某型火炮液壓系統(tǒng)PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)所構(gòu)建火炮液壓系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合液壓系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，選取液壓油的中磨損顆粒濃度、液壓系統(tǒng)內(nèi)溫度、液壓系統(tǒng)壓力作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，分別采用顆粒計(jì)數(shù)器、溫度傳感器、壓力傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1) 顆粒計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

目前常見(jiàn)的自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器分為遮光型、光散射型和電阻型等，不過(guò)國(guó)際上目前通用的唯一納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)方法卻只有遮光型自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器。本PHM系統(tǒng)對(duì)于某型火炮采用遮光性自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行油液的在線監(jiān)測(cè)，采用單片機(jī)計(jì)數(shù)，單片機(jī)可選用MCS51型。MCS51單片機(jī)共有兩個(gè)可編程的計(jì)數(shù)器，可分別用于記錄大于5 μm顆粒和大于15 μm顆粒的數(shù)量[9]。

經(jīng)顆粒計(jì)數(shù)器檢測(cè)后可得到油液中磨損顆粒含量數(shù)據(jù)，將所收集到的顆粒數(shù)據(jù)一部分導(dǎo)入到灰色預(yù)測(cè)模型的平臺(tái)中對(duì)磨損顆粒含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，另一部分用于油液污染度的標(biāo)定[10]。其硬件原理圖設(shè)置如圖3所示。

2) 傳感器設(shè)計(jì)

對(duì)于供輸彈液壓系統(tǒng)內(nèi)的溫度和壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，可以直接在液壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器，將溫度傳感器安裝于油路中用以監(jiān)測(cè)油液的實(shí)時(shí)溫度[11]，查詢相關(guān)手冊(cè)得知，供輸彈液壓系統(tǒng)油液溫度需控制在50～130 ℃，則報(bào)警溫度需設(shè)置為130 ℃。液壓系統(tǒng)的壓力測(cè)量相對(duì)較為方便，一般液壓系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)有預(yù)留的接口來(lái)安裝壓力傳感器，或通過(guò)在管路中加入三通接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，查詢相關(guān)手冊(cè)得知，供輸彈液壓系統(tǒng)系統(tǒng)工作壓力應(yīng)控制在0.08～0.4 MPa，則最低報(bào)警壓力應(yīng)設(shè)0.08 MPa。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如果一個(gè)系統(tǒng)具有層次、結(jié)構(gòu)關(guān)系的模糊性，動(dòng)態(tài)變化的隨機(jī)性，指標(biāo)數(shù)據(jù)的不完備性，則稱為灰色性，將這種系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)[12]。而故障數(shù)據(jù)如磨損顆粒的發(fā)展趨勢(shì)，溫度的變化趨勢(shì)，壓力的變化趨勢(shì)，滿足灰色系統(tǒng)的特點(diǎn)，故灰色模型的預(yù)測(cè)方法可以應(yīng)用到故障預(yù)測(cè)方面。本系統(tǒng)預(yù)測(cè)平臺(tái)采用灰色預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的預(yù)測(cè)功能。

灰色模型是通過(guò)少量的、不完全信息，建立灰色微分預(yù)測(cè)模型，對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)作模糊性長(zhǎng)期描述。其基本思想是先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累加，消除數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，再對(duì)數(shù)據(jù)建立一階微分方程模型，擬合曲線并進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。其基本步驟如下：

設(shè)原始數(shù)據(jù)序列x(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(N)}，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加得到一個(gè)新的數(shù)列

x(1)={x(1)(1),x(1)(2),…，x(1)(N)}

定義x(1)的灰導(dǎo)數(shù)為

dx(1)(k)=x(0)(k)=x(1)(k)-x(1)(k-1)

得到解的離散形式為

最后對(duì)所得預(yù)測(cè)值進(jìn)行精度檢驗(yàn)，常見(jiàn)的檢驗(yàn)方法有殘差檢驗(yàn)、后驗(yàn)差檢驗(yàn)和關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)的方法，本研究選用殘差檢驗(yàn)方法，即對(duì)模型值和實(shí)際值得殘差進(jìn)行逐點(diǎn)檢驗(yàn)，可得到殘差合格模型[13]。

以某型火炮供輸彈液壓系統(tǒng)中所測(cè)溫度、壓力和磨損顆粒濃度數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)序列，根據(jù)灰色預(yù)測(cè)模型建模步驟，擬合預(yù)測(cè)曲線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力和磨損顆粒濃度的預(yù)測(cè)，并在閾值處設(shè)置報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)了PHM系統(tǒng)提前發(fā)現(xiàn)故障并視情維修的功能。

4 結(jié)論

根據(jù)火炮液壓系統(tǒng)失效機(jī)理、故障模式等特征，綜合分析設(shè)計(jì)了針對(duì)液壓系統(tǒng)故障的PHM體系結(jié)構(gòu)，將PHM體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用到子系統(tǒng)級(jí)。對(duì)所構(gòu)建PHM體系結(jié)構(gòu)從硬件到軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。選用遮光性顆粒計(jì)數(shù)器和先進(jìn)溫度、壓力傳感器構(gòu)成硬件基礎(chǔ)；以灰色預(yù)測(cè)模型理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于溫度、壓力、磨損顆粒濃度的預(yù)測(cè)平臺(tái)軟件，真正實(shí)現(xiàn)了PHM系統(tǒng)的預(yù)測(cè)功能，達(dá)到了國(guó)外綜合診斷、預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的同類水平[14]。所構(gòu)建PHM體系結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于某型火炮，實(shí)現(xiàn)了故障預(yù)測(cè)和視情維修。