纜松弛補償器液壓系統傳感器布置的仿真分析與優化

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

液壓系統故障在機械設備整機故障中占有相當大的比例(約39.7%)[1]，實現船舶智能化，對船舶液壓系統進行遠程、實時、準確的狀態監測至關重要。傳感器優化布置有兩種傳統布置算法：①有效獨立法；②模態動能法[2-3]。已有的方法并未實時、準確感知液壓系統狀態[4-5]。液壓系統的故障一般隱蔽性較高，且往往發生在深層內部，因此，提出一種基于最大故障特征診斷信息熵準則的傳感器優化布置方法，對纜松弛補償器液壓系統的傳感器數量進行優化，并對纜松弛補償器液壓系統元件進行故障分析。以節流閥為例，運用AMESim軟件進行故障仿真，驗證傳感器布置的效果，達到快速準確檢測故障的目的。

1 系統故障與傳感器優化布置

選取科考船絞車系統纜松弛補償器液壓系統為傳感器布置對象，以纜松弛補償器液壓系統狀態監測為目的，以相關性模型為基礎，運用最大故障診斷信息熵準則對液壓系統狀態監測點的選取進行優化設計，將系統狀態監測點為傳感器優化布置點，進行纜松弛補償器系統傳感器優化布置研究。

1.1 最大故障特征診斷信息熵準則

系統熵的變化量表示為

I(S|tj)=H(S)-H(S|tj)=

(1)

式中：I(S|tj)為tj的信息熵；H(S)為S的總的信息熵；S為所有元件故障的集合；T為監測點的集合；m為元件故障數量；n為監測點數量。

1.2 系統元件故障及狀態監測點

通過對纜松弛補償器液壓系統可能產生的液壓系統元件故障進行分析，纜松弛補償器液壓系統原理見圖1，得到元件故障見表1。

圖1 纜松弛補償器液壓系統工作原理

對于節流閥5，其主要故障是閥芯卡死導致的流量調節失靈及節流口部分堵塞導致的流量不穩定。因此，需要在節流閥5閥后對節流閥的流量進行監測及在節流閥5的前后壓力進行監測，從而可以判斷節流口的流通面積。

表1 元件故障表

1.3 系統相關性矩陣模型

由于液壓系統故障的傳播特性，因此，使用有向圖來表明故障影響的傳播路徑，見圖2。

圖2 纜松弛補償器液壓系統有向圖

1.4 纜松弛補償器液壓系統傳感器布置優化

基于最大故障診斷信息熵準則，進行傳感器布置優化點選取，并進行傳感器布置優化，得到如圖3、4所示故障診斷隔離樹。

圖3 故障診斷隔離樹

圖4 故障診斷隔離樹子樹

2 仿真驗證

使用AMESim軟件建立纜松弛補償器液壓系統仿真模型。采用故障注入的方法，對節流閥節流口堵塞之后的液壓系統參數變化進行仿真。采用改變節流閥節流口直徑的方式，模擬節流閥節流口因污染等因素造成的節流口堵塞的現象。

2.1 系統仿真模型的建立

根據纜松弛補償器液壓系統的工作原理建立纜松弛補償液壓系統仿真模型，見圖5。圖中元件序號與圖1一致。仿真參數見表2。

圖5 纜松弛補償器液壓系統仿真模型

元件參數設置電機和液壓泵1電機轉速2 r/min液壓泵排量6 L/min蓄能器2充氣壓力4.8 MPa蓄能器容積10 L比例溢流閥7最大安全閥開啟壓力8.0 MPa液壓油缸8活塞/活塞桿直徑132/90 mm活塞行程500 mm溢流閥9最大安全閥開啟壓力13.0 MPa分段線性信號1初始值200 000終值200 000分段線性信號3初始值20 000終值20 000

2.2 仿真驗證

節流口堵塞會使得系統的流量調節失靈。對于纜松弛補償器液壓系統，節流口堵塞的故障將會影響到液壓系統中C、D、E、J 4個監測點的流量或壓力。通過AMESim軟件，采用故障注入的方法，對節流閥節流口堵塞之后的液壓系統參數變化進行仿真。

不同節流口直徑下，監測點C的壓力，C、D點流量變化見圖6、7。

圖6 不同節流閥直徑下C點壓力

圖7 不同節流閥直徑下C、D點流量

由圖6、7可見，節流口直徑變化會對C點的壓力和流量、D點的流量造成影響。

不同節流閥直徑下D點的壓力變化見圖8。

圖8 不同節流閥直徑下D點壓力

當節流口直徑從5 mm變化到1 mm時，D點壓力幾乎一致，節流口直徑變化為0時，D點壓力幾乎為0。

不同節流閥直徑下E點流量變化見圖9，節流口直徑變化會對E點的流量造成影響。

圖9 不同節流閥直徑下E點流量

由于J點的壓力與油箱的壓力相同，故J點壓力不受節流口直徑變化的影響。J點的流量是從E點而來，故J點的流量與E點的流量變化相同，受節流口直徑影響。

2.3 傳感器優化布置方案對節流閥故障的識別

依據故障診斷隔離樹，系統可能的故障為f1～f23。首先對監測點A的參數進行分析。

A點的流量、壓力變化見圖10、11。在節流口直徑為1 mm和5 mm兩種情況下，測得流量基本都保持在12 L/min左右。壓力都在26 s左右達到峰值4.8 MPa，并在2.5 MPa下保持平衡。依據故障診斷隔離樹，可以判斷可能的故障為f3、f8、f9、f11、f12、f13、f14、f17、f18。

圖10 1 mm和5 mm節流口直徑下A點流量

圖11 1 mm和5 mm節流口直徑下A點壓力

對N點進行分析。N點的流量、壓力變化見圖12、13。

圖12 1 mm和5 mm節流口直徑下N點流量

圖13 1 mm和5 mm節流口直徑下N點壓力

由圖12、13可見，N點的壓力及流量均不受故障影響。系統可能的故障為f3、f11、f13、f17。

B點流量與壓力變化見圖14、15。

圖14 1 mm和5 mm節流口直徑下B點流量

圖15 1 mm和5 mm節流口直徑下B點壓力

在兩種不同的節流口直徑下，B點測得的流量都保持在12 L/min左右。顯然，B點的參數變化同樣不隨故障變化而變化，判斷可能的故障為f11、f13、f17。

前文已對J點進行過分析，結果顯示，J點的流量隨著節流口直徑減小，J點的流量也隨之減小，故障對J點的參數有影響。

根據故障診斷隔離樹，確定故障為f11，即節流閥流量調節故障，診斷結果與設置結果一致。經過優化后的傳感器布置方案在通過監測點A、N、B、J這4個監測點達到故障診斷的目的，證明傳感器布置方案對節流閥故障具有診斷效果。

3 結論

通過上述傳感器優化布置方案的設計及對節流閥仿真的結果可以看出，采用基于最大故障診斷信息熵的傳感器數量優化方案能夠更快速地檢測到故障位置，滿足故障診斷監測的要求。但是對于液壓系統的狀態監測來說，傳感器的布置與參數的測量只是開始，未來可以在縮短檢測時間的基礎上對傳感器布置方案參數進行測量，獲得故障對參數造成的影響變化，得到故障診斷的判定準則，并進行實驗驗證。為提高液壓系統的可靠性與安全性，提高船舶智能化水平奠定基礎。