導(dǎo)彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)傳感器布置方案的研究

陳偉，李偉，宋漢強(qiáng)

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

作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，液壓起豎系統(tǒng)承擔(dān)著承載武器主體，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射的重要作用，為提高整個(gè)武器系統(tǒng)性能，保證導(dǎo)彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，對(duì)其進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)極為必要。進(jìn)行全面正確的狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要大量的傳感器，過少的傳感器會(huì)造成監(jiān)測(cè)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(cè)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(huì)影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，所以進(jìn)行傳感器優(yōu)化布置是進(jìn)行有效狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)難點(diǎn)工作。

對(duì)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(shí)驗(yàn)分析［2－3］，通過仿真的手段進(jìn)行傳感器布局的研究相對(duì)比較少。但是對(duì)于液壓系統(tǒng)這類耦合性比較強(qiáng)的系統(tǒng)，很難進(jìn)行全面的故障狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在裝備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也存在著成本較大、實(shí)施困難的問題，而通過仿真的手段可以大大降低實(shí)驗(yàn)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(dǎo)彈發(fā)射車的液壓起豎系統(tǒng)為具體研究對(duì)象，結(jié)合裝備的實(shí)際情況，利用故障仿真的方法分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)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(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 液壓起豎系統(tǒng)

導(dǎo)彈發(fā)射車起豎液壓系統(tǒng)用來實(shí)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(dòng)力源模塊和起豎模塊，動(dòng)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(shí)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(shí)，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(dòng)起豎油缸伸出，完成起豎動(dòng)作，其中疊加式液控單向閥用以保持起豎后的精度?；仄綍r(shí)，通過手動(dòng)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(shí)的平穩(wěn)性和安全性。其中，分流集流閥保證兩個(gè)液壓油缸在實(shí)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(yùn)行存在強(qiáng)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(fù)雜工作環(huán)境，結(jié)合實(shí)際發(fā)射車使用環(huán)境可以得知，傳感器可以的布局點(diǎn)存在著數(shù)量多、難度大的特點(diǎn)，并且其各處的信號(hào)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(jìn)一步研究了系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，對(duì)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量研究，分析系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的響應(yīng)，使得后續(xù)傳感器的布置成為了一種實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的手段，提前將故障診斷部件需求以及測(cè)點(diǎn)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(diǎn)處的信號(hào)特征和數(shù)據(jù)，利用AMESim進(jìn)行系統(tǒng)仿真，通過故障注入，對(duì)系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行模擬，并測(cè)得各故障對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。進(jìn)而為導(dǎo)彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估、故障診斷與定位奠定技術(shù)基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖1所示液壓系統(tǒng)的準(zhǔn)確仿真，以標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)中的模型作為基礎(chǔ)，應(yīng)用HCD設(shè)計(jì)和二次組裝技術(shù)，建立準(zhǔn)確的仿真模型［4，5］，并根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射車實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，將二者進(jìn)行幅值以及趨勢(shì)上的比對(duì)，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(hào)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(shí)間關(guān)系，活塞桿收回位移與時(shí)間關(guān)系，兩缸位移差3種信息，這3種信息可以用來評(píng)價(jià)起豎系統(tǒng)液路閥件發(fā)生堵塞、滲漏和不同步問題。

當(dāng)換向閥出現(xiàn)閥芯開啟不到位問題時(shí)［7］，液路中液阻增大，流量降低，使液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度降低，致使伸出過程時(shí)間變長(zhǎng)，如圖3所示。在正常狀態(tài)，系統(tǒng)起豎時(shí)間是37 s，而隨著閥芯開口的降低，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。因此，可以利用正常起豎時(shí)間30～47 s這一時(shí)間段的位移量評(píng)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(jìn)行對(duì)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(dǎo)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?；仄綍r(shí)間為273 s時(shí)刻的位移量評(píng)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(jìn)入兩個(gè)油缸的流量，一旦出現(xiàn)不平衡故障時(shí)，導(dǎo)致起豎油缸不同步，就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)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(huì)表現(xiàn)明顯，位移偏差會(huì)使發(fā)射架產(chǎn)生應(yīng)力扭矩，甚至破壞裝備，這在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行中是嚴(yán)格不允許的。因此，可以利用兩缸活塞位移差評(píng)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(shí)承受負(fù)載壓力，活塞桿運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)達(dá)到最大壓力，而在回平時(shí)直接連接油箱，壓力接近于0，如圖6所示。當(dāng)換向閥發(fā)生閥芯開啟不到位故障時(shí)，伸出過程變慢，最大壓力發(fā)生的時(shí)間滯后，可以利用這種最大壓力發(fā)生時(shí)間進(jìn)行換向閥的狀態(tài)評(píng)估。當(dāng)換向閥A口傳感器之后的元件發(fā)生故障，導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)變慢時(shí)，雖然最大壓力發(fā)生時(shí)間同樣偏離正常狀態(tài)發(fā)生時(shí)間，但是由于后續(xù)元件的節(jié)流作用，壓力將增大，導(dǎo)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(fù)載和溢流閥調(diào)定壓力值，當(dāng)負(fù)載小于溢流閥調(diào)定壓力時(shí)直接反應(yīng)負(fù)載大小，當(dāng)大于溢流閥調(diào)定壓力值時(shí)，則穩(wěn)定在溢流壓力值，而溢流閥故障時(shí)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(shí)間進(jìn)行故障定位和元件狀態(tài)評(píng)估。

圖7 溢流閥壓力

3.4 K點(diǎn)壓力傳感器

K點(diǎn)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(shí)發(fā)揮作用，活塞桿伸出過程中壓力保持與換向閥A點(diǎn)壓力基本一致，此時(shí)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，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(shí)，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(diǎn)壓力計(jì)算出平衡閥前后壓力差，用評(píng)估量平衡狀態(tài)，節(jié)流口不同堵塞程度時(shí)，K點(diǎn)傳感器采集信號(hào)如圖8所示。因此，可利用K點(diǎn)壓力信號(hào)評(píng)估平衡閥狀態(tài)。

圖8 平衡閥上端壓力

3.5 M、N點(diǎn)流量傳感器

分流集流閥上端出口處M、N點(diǎn)進(jìn)行流量和壓力采集，流量直接反應(yīng)油缸運(yùn)動(dòng)速度，因此也可以利用兩點(diǎn)的流量值、流量變化情況、流程差進(jìn)行液壓起豎系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估和故障定位，其功能與油缸活塞位移相近，但是不能獨(dú)立表征油缸內(nèi)泄漏故障，只有與壓力信號(hào)聯(lián)合使用時(shí)才能對(duì)液壓缸故障進(jìn)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(fù)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(yīng)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(diǎn)壓力傳感器

分流集流閥上端出口壓力最直接反應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)壓力與M、N點(diǎn)壓力差也發(fā)生了很大的變化，如圖11所示，根據(jù)這個(gè)壓力差可以評(píng)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(duì)導(dǎo)彈發(fā)射車液壓起豎系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，不同類型和位置的傳感器對(duì)各種故障敏感性不一樣，所包含的信息也存在一定的重復(fù)，其中有些傳感器不能獨(dú)立進(jìn)行狀態(tài)評(píng)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(diǎn)考慮以下幾點(diǎn):

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

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

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

(4)所選特征參數(shù)的檢測(cè)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(duì)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(jì)5個(gè)傳感器進(jìn)行整系統(tǒng)的全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過仿真結(jié)果可知，選定的5個(gè)傳感器布置點(diǎn)可以滿足整個(gè)液壓起豎系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷，從經(jīng)濟(jì)上也是一個(gè)可行的方案，另外，根據(jù)發(fā)射車實(shí)際考察，這5個(gè)傳感器的供電、布線方案也能相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了傳感器優(yōu)化布置方案可行。

5 結(jié)束語

針對(duì)導(dǎo)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(cè)點(diǎn)信號(hào)特征，在分析信號(hào)作用基礎(chǔ)上進(jìn)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(cè)，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(yùn)用其他優(yōu)化方法進(jìn)行傳感器布置方案的進(jìn)一步優(yōu)化。

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