机载液压系统健康管理系统的优化措施

机载液压系统健康管理（PHM）平台功能需求如图9-18所示。

机载液压系统PHM平台界面分为两个主要的模块：

（1）液压系统健康状态监测模块 其功能是以示波器的形式显示传感器采集到的数据。

（2）液压系统故障诊断模块 它包括两部分内容：一是故障在线诊断，一是故障回放模块。故障在线诊断由于诊断算法是基于频谱分析进行的，所以准确地说应该是半实时的诊断；每当系统采集并保存好一组传感器数据，在线诊断模块就会读取该组数据文件，依据事先写好的故障诊断算法程序对液压泵源系统进行故障诊断，最终给出诊断结果，并以示波器的形式显示出相应的诊断波形。故障回放模块是完全离线的诊断方式，与字面意思相同，其目的是将过去积累的故障数据根据用户的需求重新进行诊断，并给出相应的结果。

机载液压系统PHM平台子界面所要实现的功能主要包括四个方面：数据采集、数据保存、故障诊断和数据接口。

1）数据采集。功能包括采样率设置、传感器信号显示两部分。采样率设置通过研华1716板卡自带的子模块实现。传感器信号显示通过液压系统健康状态监测模块实现。

图9-18 机载液压系统健康管理（PHM）平台功能需求

2）数据保存。功能包括开始/停止保存（指令）、文件默认命名、自动新建文件夹/文件三个部分。开始/停止采集（指令）如字面意思由一个输出真或假的布尔量的开关和Case结构实现。文件默认命名即通过字符串常量、字符串/数字转换函数、日期时间/字符串转换函数、建立文件路径函数相结合实现，以当前系统时间、传感器类型名称、顺序编号组成的默认文件名。自动新建文件夹/文件是通过局部变量计数，分别记录开关开启的时刻和每一组文件写满的时刻，以及Case结构实现。

3）故障诊断。功能包括在线故障诊断和故障回放两大部分，这两部分需实现的功能相似。文件读取主要通过Readfrom Test File函数实现。用户选择文件主要通过文件路径输入控件来实现。数据分析依据相关论文，编写故障诊断程序。诊断结果以LEDS控件和文本显示控件两种形式实现，波形显示实现方式与传感器波形显示方式相同。

4）数据接口。系统数据与显示计算机之间的状态数据传输通过以太网来实现；系统数据与地面管理系统之间的传输通过数传电台模拟空地数据链实现。

机载液压泵源系统PHM平台主界面如图9-19所示。

液压泵目前已知共有五种常见的故障类型，分别是配油盘磨损、入口压力不足、转子轴承故障、柱塞游隙增大和斜盘不对中。下面介绍这五种故障的诊断判据及算法流程，并给出相应诊断结果。

①配流盘磨损。判据：关键是泵的回油流量，随配流盘磨损量的增加回油流量随之增加。原流盘磨损诊断程序流程如图9-20所示。

②入口压力不足。判据：当发生入口压力不足时，出口压力会在幅值上出现大幅度波动，不能维持在一个恒定值。在小流量状态下压力呈现较为规则的正弦变化（图9-21）。依据相关论文，和用Labview对历史故障数据的分析得到，波动频率基本维持在恒定值，通过对其进行频谱分析可以得出这一规律性振动的特征频率，并且与入口压力正常情况下的下流量状态对比，图9-22所示的频谱分析中可以得出小流量下对应的正弦信号的频率约为6.7Hz，但从图9-23中可以看出正常情况下基本没有波动。入口压力不足诊断过程流程如图9-24所示。

图9-19 机载液压泵源系统PHM平台主界面

图9-20 配流盘磨损诊断程序流程

③柱塞游隙增大。判据：柱塞泵在工作过程中，柱塞随缸体的转动不断做往复运动，每转一周柱塞球头便会和球窝发生两次振动冲击，随着工作时间的积累便会出现柱塞游隙增大的故障。依据有关论文和用Labview对历史故障数据的分析得到，当发生柱塞球头游隙增大故障时，无论是轴向还是径向振动的功率谱，在1、2、4、5、7、8倍频处求各个小区间内的最大能量与周围平均能量的比值的和都会变小。故当泵轴向和径向加速度信号同时出现特定倍频点功率谱之和小于阈值（设定为100）时，认为发生故障（图9-25、图9-26）。柱塞游隙增大诊断流程如图9-27所示。

图9-21 入口压力0MPa时小流量时出口压力曲线

图9-22 入口压力0MPa时出口压力在小流量段频谱

图9-23 入口压力正常时出口压力在小流量段频谱

图9-24 入口压力不足诊断过程流程(www.xing528.com)

图9-25 正常信号轴向和径向振动功率谱图

图9-26 柱塞轴向游隙增大后轴向和径向振动功率谱图

图9-27 柱塞游隙增大诊断流程

④斜盘不对中。判据：斜盘不对中造成斜盘窜动，其表现主要是造成径向冲击。依据有关论文和用Labview对历史故障数据的分析得到，当发生斜盘不对中故障时，径向振动的功率谱，在1、2、4、5、7、8倍频处求各个小区间内的最大能量与周围平均能量的比值的和会变小（阈值设为100）。斜盘不对中造成的斜盘窜动造成的是径向冲击，对轴向影响很小，所以斜盘不对中故障中轴向加速度在特征频率附近功率谱的信噪比与正常信号基本相似（图9-28、图9-29）。

图9-28 正常信号轴向和径向振动功率谱图

图9-29 斜盘不对中后轴向和径向振动功率谱图

⑤转子轴承故障。判据：轴承滚子发生故障后，故障部位将诱发轻微的周期性振动，这种振动有其固有的调制频率，即故障特征频率。当只有一个滚动体发生故障时，可以通过式（9-17）计算其故障信号所对应的频率：

式中，f_r为滚柱自转频率；d为滚动体直径；D为轴承节圆直径；α为轴承接触角。

得出特征频率：

即一旦轴承的某一个滚子发生故障，会发生在995.56Hz处。但由于轴承运转过程中有一定的不确定因素的干扰，此频率点可能发生少许偏移，根据经验在分析时设定的故障频率特征区间为[984，1020]Hz。

但是，强大的噪声干扰和系统主要运转部件的振动激励占据了绝对优势，因而轴承故障的特征极容易被淹没。研究表明传统频谱分析方法不能有效提取轴承故障信息，而利用倒谱及包络等先进数据处理方法能有效地把故障信号从噪声中分离出来，从而对液压泵轴承故障进行诊断。倒谱包络方法的分析流程如图9-30所示。单独对径向加速度信号采用倒谱包络的方法进行诊断，正常信号和故障信号倒谱包络分析的图像对比如图9-31、图9-32所示。轴承故障诊断流程如图9-33所示。

（3）健康监测模块界面设计 液压系统健康状态监测界面如图9-34所示。

（4）故障回放模块界面设计 故障回放模块通过对历史故障数据进行处理，实现故障诊断。液压系统故障回放界面如图9-35所示。

图9-30 倒谱包络方法的分析流程

图9-31 正常信号倒谱包络分析

图9-32 故障信号倒谱包络分析