电源方舱电动机加油泵故障诊断及系统实现∗

古明江 胡光波

（中国人民解放军91640部队 湛江 524064）

1 引言

电源方舱电动机加油泵是装配在电源方舱中进行电动机加油的机械设备，它是保障电源方舱能持续供电和稳定运行的关键部件。由于电源方舱长期在野外工作，且处于高负荷的发电状态，加油泵容易出现突发性故障，电源方舱电动机加油泵的结构复杂且工况环境恶劣，使得故障检测诊断的难度较大。然而一旦加油泵出现故障，将会导致电源方舱发电中断，甚至会导致方舱供电设备损坏和武器装备损坏，无法保障野外作战任务的顺利完成［1］。因此，需要研究一套有效的电源方舱电动机加油泵的故障诊断分析方法，设计故障智能检测系统，及时排除各类故障，保障电源方舱及供电系统的稳定可靠运行。研究电源方舱电动机加油泵的故障优化诊断方法，同样在发电机故障诊断、机电一体化设备的故障分析等应用领域中具有广阔的应用前景，相关的故障分析方法研究受到人们的极大重视［2］。

当前，对电源方舱电动机加油泵的故障诊断方法研究主要采用人工检测方法，结合相应的检测设备，进行加油泵的故障诊断分析，并辅助使用测功仪来进行监测，然而这种模式并不能很好地监测电源方舱电动机加油泵，存在着效率低、发现问题慢、误判率高等情况，在电源方舱电动机加油泵故障检测和诊断中的实际应用效能不高［3］，对此，相关学者进行了故障诊断的智能分析方法研究，其中，文献［4］中提出一种基于倾斜因子K均值优化数据聚类分析的故障诊断方法，采用大数据分析方法进行加油泵和电机泵的实时故障分析和检测，提高了检测的时效性，但该方法需要大量的先验数据作为支撑，当缺乏前期的数据采集时，故障诊断效果不好；文献［5］中提出一种改进的井下直线电机泵故障检测仪硬件系统设计方法，采用了基于ARM920T内核的S3C2440A芯片进行电机泵故障检测，整个硬件平台由传感器模块、数据采集模块、主控模块三部分组成，实现了电机泵故障诊断，该故障检测仪不能对复杂工况下的电机加油泵进行有效检测，其系统的集成性不高。

针对上述问题，本文提出一种基于三相异步电动机巡线检测的电源方舱电动机加油泵故障优化诊断方法。首先分析电动机加油泵的工作原理，提取电机加油泵的输出电流、电压、油泵进出口压强等参量为故障诊断的特征量。然后在嵌入式平台下进行故障检测仪的硬件设计和软件开发，结合特征提取和信号谱分析结果实现故障诊断。最后进行系统测试，得出有效性结论。

2 电动机加油泵的工作原理及故障现象分析

2.1 电源方舱电动机加油泵工作原理

电源方舱电动机加油泵是属于电潜式往复泵技术的一种，主要由直线电机、动子、定子、抽油泵、泵筒、电缆、泄油阀以及控制系统等部分组成，在电源方舱中将柱塞式抽油泵和直线电机结合为一体，直线电机动子与抽油泵的柱塞相连接，通过柱塞抽油泵实现电动机加油泵的抽油和加油功能，套管通过游梁式抽油机潜入地下油套管油液中，利用电缆传输电能给直线电机，通过低速A/D将峰值电压进行量化，在分析器荧光屏上显示电动机加油泵的对应的加油量［6］。设备接备启用时发现加油泵故障，自动加注管路燃油向外喷出，影响装备正常运行，针对这种现象，需要进行故障诊断电源方舱电动机加油泵常见故障及检修方法见表1。

表1 电源方舱电动机加油泵常见故障

2.2 故障现象及故障原因分析

电源方舱在启用过程中，对发电方舱正常自动加注燃油过程中，燃油顺着加油管路喷出，无法正常加注燃油，导致装备不能正常运行［7］。根据故障现象分析，故障原因有两个方面：

1）加油管路阀门开关位置不正确。进油管路、回油管路阀门失灵，导致燃油喷出；

2）自动加油泵轴逆时针转动，才造成燃油顺转动方向向往流出。根据先易后难的原则，逐步展开故障分析。

根据对电源方舱电动机加油泵的故障现象分析，归结出故障分析的基本思路为：

1）查看故障发生之前工作参数记录，未发现异常记录现象；同时，对进油管路阀门开关打开，回油管路阀门开关关闭，进行运行检查，故障仍然复现；再次把进油管路阀门开关关闭，回油管路阀门开关打开运行检查故障依旧照样；最后，对进油管路阀门、回油管路阀门开关关闭，此时，油不再向外喷出，电机仍然逆时针转动工作，但油管没有吸力功能，无法自动吸油，因此，可以看出油管阀门开关失灵可能性排除；

2）针对电动机轴逆时针转动现象分析来看很有可能是电动机线路连接与电动机不匹配造成的。经过进一步仔细复查核实；

3）当发现电动机是三相异步电动机，作为电动机是有相位之分，所以才导致电动机轴逆时针转动的主要原因。

根据上述原理分析，进行电源方舱电动机加油泵故障优化诊断方法研究，并进行故障诊断系统优化设计。

3 故障特征提取和信号分析

电源方舱电动机加油泵故障检测诊断的第一步是进行电源方舱电动机加油泵的物理信息采集和信号分析，信号采集来自于装置到电源方舱电动机加油泵各个部分的传感器，采用分布式无线传感器阵列分布形式进行信号采集，提取电机加油泵的输出电流、电压、油泵进出口压强等参量为故障诊断的特征量［8］，设采集振动信号样本特征的测试集为X=[X…，Xk，…，XN]T，将电源方舱电动机加油泵振动信号x(n)分解成若干高阶频谱分量，其中任一训练样本测试集为Xk=[xk1，xk2，…，xkm，…，xkM]，对应的电源方舱电动机加油泵故障信号特征实际输出为

采用匹配滤波检测方法，估计出加油泵的输出压强的特征分布系数â(N)，基于过零点时间尺度不变性进行信号分段调制，得到电源方舱电动机加油泵的输入压强差作为故障信号，信号x(t)的短时傅立叶变换为

上式中，τ为信号采样时间间隔，f为调制频率，t为故障持续时间，计算瞬时频率，得到电源方舱电动机加油泵振动信号的能量密度谱为

通过短时傅立叶变换谱分析方法进行信号特征提取，采集的电源方舱电动机加油泵的特征信号为满足单分量信号物理解释的一类信号，进一步分析故障特征量的波形图和对应信号的频谱图，实现故障特征量提取，为进行故障诊断提供准确的数据输入基础。

4 故障诊断系统的设计与实现

在上述进行了故障诊断系统的原理分析和故障特征提取的基础上，在嵌入式平台下进行故障检测仪的硬件设计和软件开发，系统子模块包括传感器系统、AD采集模块、ARM主控系统模块、控制显示模块，供电系统，采用集成电路设计方法进行系统的硬件设计，在ARM Cortex-M3内核中进行电源方舱电动机加油泵故障诊断系统的嵌入式开发［9］。采用模块化设计和集成电路设计相结合方法实现系统硬件开发，基于FPGA可编程逻辑控制芯片实现故障检测仪的可编程逻辑控制，系统采用上、下机位两部分组成电源方舱电动机加油泵故障诊断系统的稳压模块和功率放大模块，通过A/D转换器和D/A转换器产生脉冲信息，在FPGA核心板中进行集成智能控制。依据提取的电源方舱加油泵的故障特征，本系统选用了四种传感器监测电源方舱电动机加油泵的状态，其中电流传感器是用于测量电源方舱加油泵电机每个冲程的电流大小；绝压传感器是用于测量电源方舱加油泵的油压的绝对值；差压传感器每个冲程下电源方舱加油泵油压的变化量［10～12］。将采集的数据通过信号调理模块进行信息融合处理，并在ARM嵌入式处理器中进行故障特征融合，并输出控制信号进行故障调理，根据上述设计原理，得到本文设计的故障诊断仪的总体结构构架如图1所示。

根据图1总体构造进行系统硬件开发设计，其中AD采集模块由两个部分构成，一是加油泵故障信号调理部分，二是故障信号的采集芯片部分，将采集的电源方舱加油泵故障信号经过信号调理以后的模拟信号转换为数字信号，主控模块选择三星公司的S3C2440A芯片为主控芯片，基于STARX和STARTY两条总线构成通信模块和控制程序加载模块，系统采用上、下机位两部分组成电源方舱电动机加油泵故障诊断系统的信号处理终端，设定采样时钟频率为12MHz、电压为3.2V，选择好合适输出电平，通过CPLD编程方法进行故障中断复位，最优根据逻辑PLC电路设计方法进行故障诊断系统的硬件集成设计，得到设计的硬件电路如图2所示。

图2 中，收发转换模块有3个多通道缓冲串口McBSPs通过AD采集系统将传感器采集的油压信号和电源信号传回ARM主控系统，在三相异步电动机电源线路中进行故障巡检，结合特征提取和信号谱分析结果实现故障诊断。结合图2电路图分析得知，本文研究的电源方舱电动机加油泵的故障问题发生在三相异步电动机电源线路连接方面相位不正确。故障排除方法是查找电动机电源线与接线盒z05线路转接处32、33、34三条电源线路之间相位不正确，把32与33电源线调换位置后，重新进行操作运行，此时观察电动机轴顺时针转动，油泵有吸力，恢复正常自动加油功能，故障问题终于得到排除。

5 系统测试分析

为了测试本文方法在实现电源方舱电动机加油泵故障诊断分析中的应用性能，进行系统调试和仿真实验分析，系统测试的开发平台是Visual DSP＋＋4.5，采用Matlab 7仿真工具进行故障信号处理的程序开发设计，使用Linux的源程序进行故障诊断系统的软件开发，在宿主机上建立Qt/Em⁃bedded for ARM的开发编译环境，编译基于ARM平台的QWT库，在安装目录中输入命令source in⁃stall-qt-embedded-arm.sh，开始编译、安装故障诊断程序。采用GUI设计故障分析的面向对象层，即用户界面，包络参数设置界面、特征波形显示界面和故障显示界面，用户界面模块包括参数输入和数据存储两个部分，进入界面后，点击“键盘”按键，在界面的顶部会出现一个标准的软键盘，调用内核中的AD7656.ko驱动模块，开始AD采集，得到电源方舱电动机加油泵的原始物理数据采集结果如图3所示。

以图3采集的数据为输入参量，输入到本文设计的故障诊断系统中，进行故障特征提取，实现故障诊断，得到故障特征提取结果如图4所示。

分析图4结果得知，采用本文方法进行电源方舱的故障诊断分析，能准确提取到反映电源方舱故障信息的特征量，实现故障性质的准确判断分析。最后，以加油泵回油管路阀门故障、油管阀门开关失灵、机线路连接与电动机不匹配等故障类别为实例，进行故障诊断分析，得到各类故障的准确判决分类结果如图5所示。分析图5得知，采用本文方法进行故障类别判定，能有效诊断出电动机加油泵的各类故障类别，故障判决的准确度为98.7%，相比传统方法提高25.4%，时间开销缩短12.6%，统计结果说明了本文方法在提高故障准确性和时效性方面的优越性。

6 结语

本文研究电源方舱发动机加油泵的故障优化诊断和系统设计问题，提出一种基于多参量故障特征提取和嵌入式开发的电源方舱电动机加油泵故障诊断及系统设计方法。分析电动机加油泵的工作原理，提取电机加油泵的输出电流、电压、油泵进出口压强等多维参量作为故障分析的原始特征量，分析故障特征量的波形图和对应信号的频谱图。在嵌入式平台下进行故障检测仪的硬件设计和软件开发，进行故障诊断系统的硬件集成电路设计，结合特征提取和信号谱分析结果实现故障诊断。研究表明，采用本文方法进行电源方舱电动机加油泵故障诊断的实时性和准确性较好，能实现对加油泵回油管路阀门故障、油管阀门开关失灵、机线路连接与电动机不匹配等故障种类的有效排除，具有很好的可靠性。

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