民航飛機(jī)液壓管路故障檢修系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢寶林

（北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621）

0 引言

民航飛機(jī)工業(yè)制造技術(shù)發(fā)展非常的迅速，其自身的液壓系統(tǒng)和整個(gè)飛機(jī)的機(jī)械、電子以及電控系統(tǒng)耦合在一起，液壓系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)飛機(jī)的起落架、升降以及方向機(jī)的動(dòng)力控制，其液壓管路為動(dòng)力的輸出提供了分配、傳輸以及轉(zhuǎn)向的重要功能[1]。由于飛機(jī)的液壓系統(tǒng)常年處于頻繁且高負(fù)荷工況下，且液壓管路分支復(fù)雜、長度長、構(gòu)型復(fù)雜、組件之間耦合連結(jié)，導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的頻率特別的高。液壓管路的故障診斷也非常的復(fù)雜，其故障類型大致有液壓管路液壓油泄漏、液力沖擊過大、液壓管路卡滯以及液壓管路組件脫落等，最為常見的是液壓管路泄漏故障，該類故障主要是由于飛機(jī)液壓管路經(jīng)常受到液壓沖擊，加上裝配加工工藝的缺陷導(dǎo)致的裂紋、折痕以及脫落[2]。

1 課題研究背景、目的及意義

液壓系統(tǒng)是大型機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力支持系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋能源等機(jī)械工程領(lǐng)域。管道系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞手段，長期工作在高壓、高振動(dòng)的環(huán)境中，極易發(fā)生故障，影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。例如，在航空航天領(lǐng)域，文獻(xiàn)表明，液壓系統(tǒng)故障約占中國軍用飛機(jī)故障的30%，液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致的飛行事故占中國民用飛機(jī)事故的36.7%，其中管道系統(tǒng)故障率最高。美國B-1轟炸機(jī)、F-15 和F-18 戰(zhàn)斗機(jī)以及俄羅斯SU-27 戰(zhàn)斗機(jī)因液壓管道系統(tǒng)破裂和支撐夾具失效而發(fā)生重大事故，波音757-200 商用飛機(jī)也多次發(fā)生管道故障。各種事故表明，液壓管道系統(tǒng)的健康狀況對(duì)整機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。高壓環(huán)境中的劇烈振動(dòng)是導(dǎo)致液壓管道系統(tǒng)失效的重要因素，失效的主要表現(xiàn)形式包括松動(dòng)附著、管道損壞和漏油。不同的故障會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，不同的故障往往需要采取不同的措施，不同的故障往往具有不同的特點(diǎn)。液壓軟管一般用夾子或軟管夾子固定，在振動(dòng)作用下，夾子或軟管夾子的固定螺釘會(huì)受到圓形的橫向載荷，長時(shí)間會(huì)使夾子或軟管夾子放松甚至斷裂，降低其在軟管上的支撐性能，導(dǎo)致更強(qiáng)烈的異常振動(dòng)。此外，振動(dòng)過程中的疲勞、磨損和腐蝕等不良因素會(huì)導(dǎo)致管道損壞，從而擴(kuò)散到裂紋失效甚至導(dǎo)致漏油。因此，在實(shí)際條件下檢測管道系統(tǒng)的故障，確定故障的類型和位置就顯得尤為重要，而研究管道系統(tǒng)的故障機(jī)制，各種故障的特征表現(xiàn)，以及故障的識(shí)別和相應(yīng)的定位方法是重要的前提。關(guān)于液壓管道故障機(jī)制的理論研究很多，故障識(shí)別和定位技術(shù)一直是液壓管道故障診斷的關(guān)鍵和挑戰(zhàn)，其中有效的故障特征提取方法是研究的重中之重。在復(fù)雜的內(nèi)部和外部激勵(lì)環(huán)境中，傳感器信號(hào)具有不穩(wěn)定、非線性的特點(diǎn)，故障診斷方法往往適用于其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，在液壓管道中難以發(fā)揮作用，這給液壓管道故障信號(hào)的處理帶來了巨大的困難，國內(nèi)外研究人員不斷探索基于信號(hào)處理的液壓管道故障診斷方法。大多數(shù)現(xiàn)有的研究成果集中在時(shí)間，頻率和頻率的時(shí)間域，但對(duì)信號(hào)的相位特性的研究很少。相關(guān)研究表明，該相在結(jié)構(gòu)故障診斷中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此研究液壓傳動(dòng)故障信號(hào)的相特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障識(shí)別和定位研究，對(duì)開辟液壓傳動(dòng)故障診斷的新方向具有重要意義[3]。

2 分布式故障檢修系統(tǒng)

民航飛機(jī)液壓管路的裂紋故障診斷是通過識(shí)別其裂紋故障特征值，然后經(jīng)過故障濾波后確認(rèn)故障。首先是需要對(duì)輸入信息進(jìn)行濾波處理，將無效的數(shù)值進(jìn)行剔除或者替換掉，濾波處理算法采用低通濾波器進(jìn)行濾波；隨后將裂紋信息和設(shè)定的故障閾值和故障時(shí)間做邏輯處理，經(jīng)過故障處理時(shí)間后確認(rèn)液壓管路裂紋故障。在設(shè)計(jì)液壓管路裂紋故障診斷的過程中，需要將故障檢測的使能條件和故障清除方式納入算法中，當(dāng)故障使能狀態(tài)失敗后，其液壓管路裂紋瞬時(shí)故障檢測可以繼續(xù)，但是其故障濾波的需要立即停止，等到故障使能條件滿足后進(jìn)行故障濾波處理；液壓管路裂紋故障是劃分等級(jí)的，當(dāng)出現(xiàn)輕微的裂紋故障只需要進(jìn)行故障信息上報(bào)以及點(diǎn)亮故障信號(hào)燈，如果液壓管路出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋故障，需要將故障進(jìn)行存儲(chǔ)，即使自身的裂紋故障恢復(fù)了最終的故障也不能夠自愈清除，需要借助特殊的服務(wù)進(jìn)行清除。液壓管路裂紋故障檢測采用基于時(shí)間的故障確認(rèn)機(jī)制，故障檢測使能條件滿足，當(dāng)瞬時(shí)故障確認(rèn)后持續(xù)故障確認(rèn)時(shí)間，從而確認(rèn)故障，當(dāng)使能條件不滿足，其時(shí)間計(jì)數(shù)保持不變，裂紋故障狀態(tài)保持；由于嚴(yán)重裂紋故障是長存儲(chǔ)故障，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中將其故障清除方式定義為服務(wù)清除或人工清除，因此在故障濾波過程中，使能條件滿足的條件下，只要故障進(jìn)行重置動(dòng)作，無須在經(jīng)過計(jì)數(shù)濾波，濾波計(jì)數(shù)將會(huì)進(jìn)行清零，故障隨即進(jìn)行清除。

為了獲取更好的液壓管路裂紋故障信息和提升檢修效率，設(shè)計(jì)了分布式的故障檢修系統(tǒng)，其信號(hào)的輸入來自于電控單元的裂紋故障特征、確認(rèn)故障標(biāo)志位以及經(jīng)過仲裁后的裂紋故障嚴(yán)重度[4]。分布式故障檢修系統(tǒng)主要由故障信息處理、故障監(jiān)測仲裁、故障數(shù)據(jù)庫、故障修復(fù)、人機(jī)交互模塊等組成，其中，故障數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了大量的裂紋故障案例和故障原因，人機(jī)交互模塊可以實(shí)現(xiàn)故障檢修人員和液壓管路故障監(jiān)測狀態(tài)進(jìn)行互聯(lián)，故障修復(fù)模塊可以通過處理裂紋故障后將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障重置，恢復(fù)系統(tǒng)的正常功能，確保飛機(jī)液壓管路的正常運(yùn)行，分布式故障檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式故障檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 航空液壓管路故障診斷

3.1 信號(hào)分解

分別對(duì)液壓直管管路和液壓彎管管路的振動(dòng)數(shù)據(jù)以及有故障和正常無故障的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有故障的管路振動(dòng)幅值大于正常無故障的管路的振動(dòng)幅值但差距不夠明顯，只通過時(shí)域圖和頻域圖分析難以對(duì)航空液壓管路早期故障進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。運(yùn)用深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行管路振動(dòng)數(shù)據(jù)的識(shí)別與分類，進(jìn)而對(duì)管路的早期故障進(jìn)行準(zhǔn)確快速識(shí)別及預(yù)測。在信號(hào)分解開始，先加入相位相反但幅值相同的能夠自適應(yīng)管路振動(dòng)信號(hào)的白噪聲，分解過程中將分解出的模態(tài)分量與原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，一直到分量與原始振動(dòng)信號(hào)的相似度非常高即白噪聲的剩余量非常非常小時(shí)，停止分解過程，所得到的幾個(gè)分量就是所需求的分量[5]。

3.2 裂紋形貌檢查分析

管接頭與管路通過焊接方式進(jìn)行連接，管路裝配符合要求，裂紋故障靠近焊縫邊緣，裂紋處無明顯外力損傷痕跡，裂紋斷口垂直于管路軸向方向。通過顯微鏡放大觀察：斷口呈灰白色，表面較粗糙，斷口處出現(xiàn)磨損情況，并且可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明該斷口性質(zhì)為疲勞斷裂。疲勞源為管路內(nèi)壁，由管路內(nèi)部延伸至管路外部。通過電鏡放大觀察?？芍汗苈穬?nèi)壁處有明顯的疲勞弧線和放射棱線，證明該處為疲勞源區(qū)。同時(shí)，疲勞斷裂區(qū)域未發(fā)現(xiàn)與材質(zhì)和加工工藝相關(guān)的冶金缺陷，可以排除由于材料缺陷導(dǎo)致斷裂的可能。

3.3 傳感器的選擇

航空液壓管路故障診斷傳感器的選擇是航空液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題之一。由于液壓管路在飛行過程中承受著巨大的壓力和振動(dòng)，因此需要選擇適合的傳感器來進(jìn)行故障診斷，以確保液壓系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。傳感器的精度和靈敏度是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，液壓管路的壓力、溫度、流量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，因此需要選擇高精度、高靈敏度的傳感器來監(jiān)測這些參數(shù)。傳感器的可靠性和耐久性也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，液壓管路的故障可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此需要選擇具有高可靠性和耐久性的傳感器來進(jìn)行故障診斷。傳感器的體積和重量也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，空間和重量都是非常寶貴的資源，因此需要選擇體積小、重量輕的傳感器來滿足系統(tǒng)的要求。傳感器的價(jià)格也是選擇傳感器的重要考慮因素。在航空液壓系統(tǒng)中，成本也是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，因此需要選擇價(jià)格合理、性能優(yōu)良的傳感器來進(jìn)行故障診斷。選擇航空液壓管路故障診斷傳感器需要考慮傳感器的精度、靈敏度、可靠性、耐久性、體積和重量、價(jià)格等多個(gè)因素，以確保液壓系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[6]。

3.4 管路振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理

航空液壓管路故障診斷中，管路振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于液壓管路在飛行過程中承受著巨大的壓力和振動(dòng)，因此需要對(duì)采集到的管路振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以提取有用信息和減少干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)故障檢測和診斷。預(yù)處理需要進(jìn)行濾波處理。由于管路振動(dòng)信號(hào)中可能存在各種干擾信號(hào)，如噪聲、電磁干擾等，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以減少干擾信號(hào)的影響。一般采用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等，以保留信號(hào)的主要頻率成分。預(yù)處理需要進(jìn)行降采樣處理。由于管路振動(dòng)信號(hào)采集頻率可能很高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量龐大，因此需要進(jìn)行降采樣處理，以減少數(shù)據(jù)量和計(jì)算量。一般采用抽樣定理進(jìn)行降采樣處理，即在不失真的情況下降低采樣率，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)量和計(jì)算量的目的。預(yù)處理需要進(jìn)行特征提取處理。由于管路振動(dòng)信號(hào)中包含了大量的信息，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取處理，以提取有用的信息和減少冗余信息。一般采用時(shí)域分析、頻域分析、小波分析等方法進(jìn)行特征提取處理，如計(jì)算信號(hào)的均值、方差、峰值、頻譜等參數(shù)，以提取有用的信息。預(yù)處理需要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。由于管路振動(dòng)信號(hào)可能存在不同幅值和不同單位的情況，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，以保證數(shù)據(jù)具有可比性。一般采用最大最小值歸一化、z-score 標(biāo)準(zhǔn)化等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，以確保數(shù)據(jù)具有可比性。航空液壓管路故障診斷中，管路振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理需要進(jìn)行濾波處理、降采樣處理、特征提取處理和數(shù)據(jù)歸一化處理，以提取有用信息和減少干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)故障檢測和診斷。

3.5 零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制

零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制是制造業(yè)中的一個(gè)重要問題，涉及零件的設(shè)計(jì)、加工、裝配等多個(gè)環(huán)節(jié)。制造精度指的是零件加工后與設(shè)計(jì)要求之間的差異程度，協(xié)調(diào)度則是指多個(gè)零件在裝配時(shí)的匹配程度。為了確保零件的質(zhì)量和裝配精度，需要對(duì)零件制造精度及協(xié)調(diào)度進(jìn)行控制。零件制造精度控制需要從設(shè)計(jì)階段開始。在設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)零件的用途和要求，確定零件的尺寸、公差、表面光潔度等參數(shù)，并制定相應(yīng)的加工工藝和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還需要考慮材料的選擇和熱處理等因素對(duì)零件精度的影響。零件加工過程中需要采用合適的加工技術(shù)和設(shè)備。不同的加工技術(shù)和設(shè)備對(duì)零件精度有不同的影響，因此需要選擇適合的加工技術(shù)和設(shè)備，以達(dá)到要求的制造精度。同時(shí)，加工過程中還需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)，以確保零件的精度符合要求。零件裝配過程中需要進(jìn)行協(xié)調(diào)度控制。在零件裝配過程中，不同零件之間的匹配程度對(duì)整個(gè)裝配質(zhì)量有重要影響。因此，需要采用適當(dāng)?shù)难b配工藝和方法，如配合加工、調(diào)整裝配等，以提高零件之間的協(xié)調(diào)度。同時(shí)，還需要進(jìn)行嚴(yán)格的裝配檢驗(yàn)和調(diào)試，以確保裝配精度符合要求。需要采用先進(jìn)的制造技術(shù)和管理方法，如數(shù)字化制造、智能制造、全面質(zhì)量管理等，以提高零件制造精度和協(xié)調(diào)度控制的水平。這些技術(shù)和方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、數(shù)據(jù)化的生產(chǎn)過程，并通過全面質(zhì)量管理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。零件制造精度及協(xié)調(diào)度控制是制造業(yè)中的一個(gè)重要問題，需要從設(shè)計(jì)、加工、裝配等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制[6]。通過采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法，可以提高零件制造精度和協(xié)調(diào)度控制的水平，為制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

對(duì)基于多模塊TPC 的空間輸出并聯(lián)供電系統(tǒng)的功率分配控制策略進(jìn)行研究，將光伏端和蓄電池端電壓作為各自模塊的能量信息，引入下垂控制環(huán)路中，構(gòu)造出自主調(diào)節(jié)的能量協(xié)調(diào)控制下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)各模塊PV陣列能量的最大化利用與蓄電池能量的平衡。搭建了兩臺(tái)500W 的非隔離TPC 構(gòu)成的輸出并聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了SISO，DI，DO 等不同工作模式下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、以及工作模式動(dòng)態(tài)切換波形和單模塊光伏端熱插拔的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析正確性，該能量協(xié)調(diào)控制策略可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的優(yōu)化分配，有效提高系統(tǒng)能效與可靠性，并且輸出并聯(lián)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平滑的工作模式切換、動(dòng)態(tài)性能良好。