艦船操舵系統的故障樹診斷方法*

王 冬 劉建業

(南京航空航天大學自動化學院 南京 200016)

艦船操舵系統的故障樹診斷方法*

王 冬 劉建業

(南京航空航天大學自動化學院 南京 200016)

艦船操舵系統系統維修難度大,故障不易排除,因此故障診斷技術在該領域越來越受到重視。論文根據艦船操舵系統的一般故障模式,采取了故障樹的診斷方法,結合故障樹分析法建立了故障診斷專家系統,提高了故障診斷水平。

艦船操舵; 維修; 故障樹

Class Number TN97

1 引言

艦船操舵系統是艦船航行的重要系統之一,是艦船安全航行的重要保障。近年來,隨著科技的不斷進步,我國設計生產的操舵系統性能不斷提高,結構與功能越來越復雜。但是艦船操舵系統工作環境極端惡劣,在此基礎上追求高性能必然會影響操舵系統的可靠性。由于我國的基礎工業依然薄弱,加之對研制過程中的規律認識不足,往往在追求高性能的同時犧牲了質量和可靠性指標方面的要求,導致我國設計生產的艦船操舵系統總體的可靠性較差,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重要的問題。本文通過對艦船操舵系統故障模式的分析,運用故障樹的分析方法,找到故障模式的原因與傳播路徑,從而為準確的故障定位和及時的診斷維修創造條件,對提高艦船操舵系統和整個艦船的可靠性、維修性和安全性具有重大意義[1]。

2 艦船操舵系統的組成

艦船操舵系統是控制艦船航行的主要手段,為了保證航行安全,一般采用雙系統交互工作。在組成上,由主操臺、啟動器、液壓舵機、反饋機構等分機構成。各分機通過連接電纜組成艦船操舵系統,由主操臺控制各分機協同工作,最終輸出需要的舵角以控制艦船航向。

· 主操臺:整套系統的核心。由航向跟蹤系統、報警系統、隨動控制系統等模塊組成。協調控制系統各部件的工作,通過選擇合適的操縱方式控制艦船航向[2]。

· 啟動器:聯接380V船電,輸出110V交流和24V直流電到主操臺,并通過主操臺分配給各分機。

· 液壓舵機:操舵系統的執行機構,由主操臺控制啟動器啟動液壓舵機,為舵葉提供液壓源。

· 反饋機構:反饋實際舵角,在主操臺顯示或在隨動操縱方式工況下輸出反饋信號。

2.1 操舵系統故障模型分析

對于艦船操舵系統,要精確地建立其數學模型有時是很困難的。這時可以考慮建立系統的故障過程模型。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。根據分析人員對研究對象原理的深刻把握,盡可能多的提出系統故障,并逐級分析故障原因,形成樹狀推理圖。故障樹分析主要應用于系統設計過程中,擁有直觀、靈活、通用等優點,但復雜系統的建樹過程復雜,為避免在建樹過程中出現錯漏和脫節,對分析人員要求很高。

針對艦船操舵系統,根據各分系統功能上的差別,將操舵系統故障模型進行分類研究。

2.2 操舵系統故障模型分類

供電系統故障:供電系統為整個艦船操舵系統供電,如果供電系統故障,整套系統將癱瘓,艦船將無法操縱[4]。

液壓系統故障:當前操舵系統的執行機構一般以液壓系統為主,當液壓系統出現故障,前端電路控制部分失效,對艦船安全影響最大。

航向跟蹤系統故障:操舵系統的航向跟蹤分系統一般來自于艦船的羅經系統,進行實時同步,通過主控制單元計算航差計算出舵葉的打舵角,實現自動操縱。當航向跟蹤系統出現故障,會引起航向跟蹤不穩定,艦船無法穩定的在給定航向航行。

線路故障:艦船操舵系統作為一個復雜系統,為了聯接各分系統,需要大量的聯接電纜,而電纜聯接故障是日常使用中經常發生的故障。

主操縱臺故障:主操縱臺控制整個系統的運行,其中大量的電路板在惡劣的工作環境下,極易出現故障。

3 艦船操舵系統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,也是目前故障診斷中應用最多的方法之一,它建立在對系統的故障經驗庫的基礎之上,將系統級的故障現象(頂事件)與最基本的故障原因(底事件)之間的內在關系表示成樹形的網絡圖,各層事件之間通過“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯關系相關聯。通常把系統的故障狀態稱為頂事件,然后找出系統故障和導致系統故障的諸原因之間的邏輯關系。并將這些邏輯關系用邏輯符號表示出來,由上而下組逐層分解,直到不能分解為止。推導出各故障和各單元故障之間的邏輯關系,利用這些邏輯關系最終找出對應的底層故障原因[5]。

3.2 艦船操舵系統故障樹的建立

本文對艦船操舵系統進行分析,根據以往的維修經驗,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。尋找引起頂事件發生的直接的和必要的原因。

3) 分析每一個與頂事件直接相聯系的輸入事件。如果該事件還能進一步分解,則將其作為下一級的輸出事件,如同步驟2)中對頂事件那樣進行處理。

4) 重復上述步驟,逐級向下分解,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 艦船操舵系統故障樹

當艦船操舵系統無法工作或工作時異常,就要對其進行維修。艦船操舵系統可分為主操縱臺、電源系統、液壓系統、航向跟蹤系統等分系統,其主要故障可分為系統失電、液壓閥故障、航向跟蹤故障、主操隨動故障四個部分[8]。

通過故障分析及整理,艦船操舵系統故障樹如圖1所示。

對圖1所示故障樹進行定型分析。從故障樹可以清晰地看出,導致艦船操舵系統故障的原因主要有四個,但是主操縱臺工作異常是導致艦船操舵系統發生故障的主要原因。以下是操舵系統故障樹分析細化的兩個例子,圖2為舵角跟蹤精度低的細化故障樹。圖3為反饋系統的細化故障樹。

圖2 舵角跟蹤精度低的細化故障樹

圖3 反饋系統的細化故障樹

4 實例驗證

副操臺隨動操縱工況下,無法給出給定舵角。該故障屬于復合故障,可能的故障原因有很多,而出現這種故障的時候,大多數是在航行狀態,如果出現故障,很可能導致艦船無法航行。這種故障艦船操作人員是很難排除的,即使是專業維修工程師也需要大量的時間來排查。利用操舵系統專家診斷系統,可以不必依靠專業工程師維修,通過培訓的艦艇操作人員就可快速定位故障,并更換隨船備件,從而避免了對艦船航行的影響[9]。

圖4 專家診斷系統

以下是整個故障診斷過程,只需輕點鼠標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,并選擇復合故障診斷。如圖4所示。

第二步,部件選擇,選擇付操縱臺,如圖5所示。

圖5 部件選擇

第三步,癥狀選擇,選擇“付操縱臺隨動時無法給出給定舵角”,如圖6所示。

第四步,已選擇的癥狀,根據實際癥狀選擇“付操隨動操舵是無法給出給定舵角”,如圖7所示。

第五步,單擊“可能的故障原因”,根據“故障導致的癥狀”內顯示的癥狀,找到故障原因”,如圖8所示。

圖6 癥狀選擇

圖7 根據實際癥狀選擇

圖8 找到故障原因

第六步,更換控制板,開機驗證后故障排除。

通過故障樹的建立,完成了故障診斷專家系統。通過實驗驗證,相比過去憑借工程師經驗維修提高了工作效率,節省了人力。通過培訓,艦船操作人員就可現場診斷出故障,利用備件修復,大大提高了艦艇的在航率。

5 結語

本文通過對艦船操舵系統的分析,結合維修經驗,利用故障樹診斷方法建立了專家系統,對艦船操舵系統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驗,極大地降低了艦船操舵系統維修的門檻。故障樹診斷分析法,為專家系統提供了知識獲取的便捷方式,結合專家系統的解釋功能,保證了診斷結果的準確性。實踐證明,該系統應用于艦船操舵系統故障診斷,能夠有效、快速地進行故障定位,有很好的應用效果[10]。

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[5] 宋斌,王軍,張培海,等.模糊遺傳算法的神經網絡方法在變壓器故障診斷中的研究[J].華中電力,2004,17(6):17-21.

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[11] 李琳,程昌銀.模糊神經網絡故障診斷研究[J].武漢理工大學學報(信息與工程管理版),2002,24(1):15-17.

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:航海儀器測試。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.033