纜松弛補償器液壓系統(tǒng)傳感器布置的仿真分析與優(yōu)化

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

液壓系統(tǒng)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(xiàn)船舶智能化，對船舶液壓系統(tǒng)進行遠程、實時、準確的狀態(tài)監(jiān)測至關重要。傳感器優(yōu)化布置有兩種傳統(tǒng)布置算法：①有效獨立法；②模態(tài)動能法[2-3]。已有的方法并未實時、準確感知液壓系統(tǒng)狀態(tài)[4-5]。液壓系統(tǒng)的故障一般隱蔽性較高，且往往發(fā)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(yōu)化布置方法，對纜松弛補償器液壓系統(tǒng)的傳感器數(shù)量進行優(yōu)化，并對纜松弛補償器液壓系統(tǒng)元件進行故障分析。以節(jié)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(tǒng)故障與傳感器優(yōu)化布置

選取科考船絞車系統(tǒng)纜松弛補償器液壓系統(tǒng)為傳感器布置對象，以纜松弛補償器液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測點的選取進行優(yōu)化設計，將系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測點為傳感器優(yōu)化布置點，進行纜松弛補償器系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布置研究。

1.1 最大故障特征診斷信息熵準則

系統(tǒng)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(jiān)測點的集合；m為元件故障數(shù)量；n為監(jiān)測點數(shù)量。

1.2 系統(tǒng)元件故障及狀態(tài)監(jiān)測點

通過對纜松弛補償器液壓系統(tǒng)可能產(chǎn)生的液壓系統(tǒng)元件故障進行分析，纜松弛補償器液壓系統(tǒng)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(tǒng)工作原理

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

表1 元件故障表

1.3 系統(tǒng)相關性矩陣模型

由于液壓系統(tǒng)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(tǒng)有向圖

1.4 纜松弛補償器液壓系統(tǒng)傳感器布置優(yōu)化

基于最大故障診斷信息熵準則，進行傳感器布置優(yōu)化點選取，并進行傳感器布置優(yōu)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(tǒng)仿真模型。采用故障注入的方法，對節(jié)流閥節(jié)流口堵塞之后的液壓系統(tǒng)參數(shù)變化進行仿真。采用改變節(jié)流閥節(jié)流口直徑的方式，模擬節(jié)流閥節(jié)流口因污染等因素造成的節(jié)流口堵塞的現(xiàn)象。

2.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

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

圖5 纜松弛補償器液壓系統(tǒng)仿真模型

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

不同節(jié)流口直徑下，監(jiān)測點C的壓力，C、D點流量變化見圖6、7。

圖6 不同節(jié)流閥直徑下C點壓力

圖7 不同節(jié)流閥直徑下C、D點流量

由圖6、7可見，節(jié)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(jié)流閥直徑下D點的壓力變化見圖8。

圖8 不同節(jié)流閥直徑下D點壓力

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

不同節(jié)流閥直徑下E點流量變化見圖9，節(jié)流口直徑變化會對E點的流量造成影響。

圖9 不同節(jié)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(jié)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(jié)流口直徑影響。

2.3 傳感器優(yōu)化布置方案對節(jié)流閥故障的識別

依據(jù)故障診斷隔離樹，系統(tǒng)可能的故障為f1～f23。首先對監(jiān)測點A的參數(shù)進行分析。

A點的流量、壓力變化見圖10、11。在節(jié)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(jù)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(jié)流口直徑下A點流量

圖11 1 mm和5 mm節(jié)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(jié)流口直徑下N點流量

圖13 1 mm和5 mm節(jié)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(tǒng)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(jié)流口直徑下B點流量

圖15 1 mm和5 mm節(jié)流口直徑下B點壓力

在兩種不同的節(jié)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(shù)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(jié)流口直徑減小，J點的流量也隨之減小，故障對J點的參數(shù)有影響。

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

3 結論

通過上述傳感器優(yōu)化布置方案的設計及對節(jié)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(shù)量優(yōu)化方案能夠更快速地檢測到故障位置，滿足故障診斷監(jiān)測的要求。但是對于液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測來說，傳感器的布置與參數(shù)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(shù)進行測量，獲得故障對參數(shù)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(tǒng)的可靠性與安全性，提高船舶智能化水平奠定基礎。