循环冲击作用下缺陷飞机液压管路微泄漏故障诊断

2020-07-14郭长虹王阔强权凌霄

液压与气动 2020年7期

郭长虹，高静，王阔强，李涛，权凌霄,2

(1．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004；2．燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛 066004；3．中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210)

引言

飞机液压管路系统具有多、散、乱、长、杂的特点[1]，多是管路和接头的数量多，以C919飞机为例，其液压管路有1186根；长是管路总长长，C919管路总长为884 m；乱是指管路空间构型复杂，且连接形式多样；散是指管路遍布机身、发动机吊挂和平尾等各个部位；杂是指工作环境复杂(大变形、高压力、强振动和温度多变)。液压管路系统故障占飞机元件类故障一半以上的比例[2]。

循环压力冲击是导致飞机液压管路系统泄漏的主要因素之一[3]。阀的快速启闭和执行机构的快速动作都会在管路中形成压力冲击，而且随着飞机液压系统向高压、高速和高功重比方向发展，管路中的压力冲击更加剧烈，进而给飞机安全运行带来巨大挑战。而对于工程使用的飞机液压管路，加工或者安装工作都会难以避免地在其表面形成微缺陷。在循环压力冲击作用下，这些微缺陷会逐渐形成非贯穿裂纹，但是随着裂纹处应力的循环作用，会扩展成贯穿性微裂纹，导致管路产生微泄漏。根据美国伊顿公司对我国民机管路装配要求，所有装机管路的表面微缺陷不得大于壁厚的10%。

循环压力冲击作用时管路中的流体属于非稳定流动，因此，其流固耦合振动规律极为复杂，难以准确预测和测量。此外，由于微缺陷造成的微泄漏早期表征指标极其不明显，因此检测难度较大[3]。管道微泄漏检测方法主要有直接检测法、声学检测法、支持向量机检测法、神经网络检测法、负压波检测法等[4]。负压波检测法具有定位精度较高、价格相对便宜、检测速度快、检测所需的设备少和检测灵敏度较高等优点，因此得到广泛关注[5]。

国内外在采用负压波法实现对输液管道泄漏的检测及定位方面开展了很多的研究工作。MA等[6]基于负压波检测法，通过小波变换提取气体泄漏信号，实现了气体管路泄漏的检测及定位。MIJAIL等[7]采用负压波检测法检测泄漏输水管道的压力信号，通过最小值搜索法、互相关法和小波变换法分别对泄漏点进行定位，并对比了3种方法对泄漏位置的预测精度。ZHANG等[8]提出基于负压波法采用压电陶瓷传感器和多个时间卷积的高分辨率泄漏定位方法，并通过实验验证了该方法对于泄漏定位的优越性。王正等[9]提出了基于多压力传感器负压波的管道泄漏检测方法，并通过仿真验证了该泄漏检测方法能降低系统漏报率、提高泄漏定位精度。许永勃[10]提出了负压波波速的线性修正模型并开发了一套负压波泄漏检测系统，并且对系统进行测试验证了该系统的可靠性。

以带有贯穿性微裂纹的飞机液压直管路为对象，基于负压波检测法搭建测试系统，并采用AMESim软件建立仿真模型，对泄漏故障进行仿真；进一步通过Daubechies小波系中5类小波函数分别对管路压力仿真结果进行分解，选取最优小波函数分解结果定位信号中的奇异点位置，最后开展实验研究，验证上述分析结果。

1 负压波理论

1.1 负压波定位原理

负压波定位原理，是基于负压波在管路流体中的的传播速度以及负压波从泄漏位置处传播到管路两端传感器的时间差来定位泄漏位置，负压波定位原理图如图1所示。

图1 负压波定位原理图

其中，A,B为压力变送器的安装位置，S12为2个压力变送器安装距离，X为A到管路泄漏位置的距离，υ为负压波在管路流体中的传播速度，t1和t2分别为负压波从管路泄漏位置处传到A和B的时间，υ0为管路流体速度，t12为2个压力变送器检测到负压波的时间差。t1，t2，t12和X分别表示为：

(1)

(2)

(3)

负压波在油液中的传播速度一般为1000～1200 m/s，这种负压波可以通过装在管路两端的压力变送器测得。管路内流体速度通常为10 m/s左右，负压波速远大于管流速度，所以式(3)可以简化为：

(4)

根据式(4)可知，管路中的泄漏位置主要和负压波的传播速度以及2个传感器先后检测到负压波的时间差有关。因此，通过负压波法定位管路泄漏位置时，只需要知道负压波在管流中的传播速度以及管路两端压力变送器先后检测到负压波的时间差，就能确定管路泄漏位置。

1.2 负压波波速计算

在实际工况下，负压波波速是由多个因素决定的。负压波计算公式为[11]：

(5)

式中，υ为负压波波速；K为液压油体积弹性系数；E为管路材料的弹性模量；D为管路直径；ρ为液压油密度；e为管壁厚度；c1为与管路约束条件有关的修正系数。

根据管路约束条件的不同，修正系数ci(i=1,2,3)会取不同的值。管路的约束条件分为3种情况，分别为一端固支和一端自由约束、两端固支约束、两端采用膨胀接头连接约束。不同约束条件下的修正系数如表1所示。

表1 管路约束分类

其中，μ为管路材料泊松比。

实验采用不锈钢管路，其弹性模量为190 GPa，泊松比为0.27。管路直径为20 mm，壁厚为1 mm。由于D/e<25，且在实际实验中阀块和不锈钢管路通过软管连接，可认为管路和阀块之间为挠性连接，即修正系数c1为1。由此可以得到负压波在飞机液压管路中的速度为1073.8 m/s。

2 循环压力冲击载荷下管路泄漏故障仿真分析

循环液压冲击载荷作用下的管流属于瞬变流，根据水力学相关理论，管路中的瞬变流数学模型可以通过下式表示[12]。

(6)

式中，p为水击压力水头(下游压力)；v为管道断面平均流速；H为水力压头；a为水击波传播速度；g为重力加速度；x和t分别为位置以及时间坐标；JS为恒定稳态摩阻；JU为非恒定稳态摩阻。

求解管路中瞬变流数学模型时，通常采用数值计算方法。目前常用的数值计算方法有特征线法、有限差分法和有限体积法。其中，特征线法计算精度高、边界条件处理简单。AMESim软件就是基于特征线法的原理开发，为此通过AMESim软件对循环压力冲击载荷下管路泄漏故障进行仿真分析。

通常是根据试验件的工作环境来选取合适的脉冲波形。一般梯形波用于压力平缓的液压件，如软管、充气蓄能器等；正弦波用于存在水锤现象的液压件，如阀、硬管等。实验管路为不锈钢管路，因此选取正弦波来模拟压力冲击现象。正弦波技术要求[13]如图2所示。

图2 管壳单元应力状态

利用AMESim软件搭建好的仿真模型如图3所示，AMESim仿真模型包括液压泵、溢流阀、蓄能器、比例阀、传感器等液压元件。液压泵为系统提供能源动力；溢流阀起稳定系统压力的作用；通过PID调节比例阀开口度大小来实现被测管路内压力周期性的变化；被测管路两端装有传感器，可以监测被测管路进出口的压力变化情况，也可以通过外接测控系统实现管路内压力数据的采集。

图3 含管路故障模块的AMESim仿真模型

目前利用AMESim软件模拟管路泄漏时，一般是在泄漏点位置处增加旁路的方式注入。其中，管路故障模块主要由阶跃信号和节流阀组成。通过设置阶跃信号中的时间来控制节流阀的启闭，进而模拟管路泄漏发生的时间；通过设置节流阀中的开口直径来控制管路泄漏口大小，进而模拟管路的不同泄漏情况。含管路故障模块的AMESim仿真模型如图3所示。

仿真分析的主要参数设置如下：设置泄漏位置距管路左端传感器的距离为1.76 m，泄漏位置距管路右端的距离为1.3 m，仿真时间为10 s，时间步长为0.001 s，阶跃信号中的时间为6.5 s。当节流阀开口直径为1, 1.5 mm时，通过图3中的仿真模型对管路中的压力分别进行仿真分析。提取仿真结果中压力曲线并进行对比，如图4所示。

图4 不同泄漏情况下管路压力曲线

从图4中的曲线可以看出，管路在6.5 s时发生泄漏。当管路发生泄漏后，随着节流阀开口的增加，管路中压力幅值较无泄漏时相比会急剧减小。这是由于泄漏而造成液压系统中能量损失，从而导致系统中的压力变小。从结果中还可以看出，当管路发生泄漏时，管路中的压力曲线会出现奇异性。且随着节流阀开口的增加，曲线的奇异性会越来越明显。

Daubechies小波系检测信号奇异性的效果最好[14]。Daubechies小波系中包含多种小波函数，分别为db1, db2, db3, db4和db5等小波函数。选择合适小波函数对信号奇异性进行检测时，一般的方法是采用5种小波函数分别对信号进行分解，对比各个小波函数对信号奇异点的分解结果，选择分解效果最好的小波函数。对节流阀开口直径为1.5 mm下的压力曲线进行5类小波函数分解，如图5所示。

图5 压力曲线经小波函数分解细节图

通过对比图5a～图5e可知，采用db5小波函数检测压力曲线中的奇异性效果最好。通过db5小波函数分解后的细节图可以清楚的看出奇异点的位置，其幅值较大而且很窄，很容易辨识。根据分解的结果检测曲线中的奇异性，捉曲线中的奇异点。

根据db5小波函数对压力曲线的分解结果，利用MATLAB软件中数据游标选项的自动定位数据顶点功能，自动选择各层细节信号中的模极大值点。各层细节图中的模极大值点就对应着管路压力曲线的奇异点。图中的模极大值坐标信息如图6所示。

图6 极大值点坐标信息

从分解细节图中可以很清楚的看到压力曲线奇异点的发生位置，利用MATLAB选择所有模极大值点坐标导入MATLAB工作区，最后形成模极大值点坐标信息。其中4类细节信号分别对应4个模极大值点，4个模极大值点对应的时间分别为6.503，6.502，6.5，6.501 s，通过计算可以得到管路压力曲线中奇异点发生的时间为6.5015 s。因此说明通过小波函数能精准的检测压力曲线的奇异性，同时还能准确的捕捉曲线的奇异点。

3 循环压力冲击载荷下管路泄漏故障实验

3.1 实验测试方案

实验开始前，将管路1、管路2、和截止阀通过三通管接头进行联接，然后将其安装在实验台架上；压力变送器1和压力变送器2分别安装在进油和回油阀块上，以测取管路两端压力信号。安装好的实验管路及压力变送器如图7示。

图7 实验管路及压力变送器安装图

由于在实验过程中对管路内压力通过比例阀对其进行闭环控制，因此通过LabVIEW对比例阀的控制程序进行设计和编程。

3.2 管路泄漏实验结果分析

输入信号为最大压力3.5 MPa、最小压力0.5 MPa、波形频率为0.5 Hz的正弦波。当PID参数Kp=0.4，Ki=0.15时，系统的控制效果较理想。在LabVIEW数据采集程序中设置中采样时间为10 s，采样频率为1000 Hz。

在实验过程中，由于噪声或其他干扰的存在，因此采集到的压力曲线存在较多毛刺。为便于分析实验数据，因此利用MATLAB时频分析工具箱中的Soft Thresholding(软阙值)命令对实验数据进行去噪处理，将实验曲线中的高频波形过滤掉。对压力变送器1采集到的压力数据通过软阙值命令进行去噪处理，得到压力曲线1，如图8所示。

图8 压力曲线1

通过图8中的压力曲线可以看出，管路泄漏发生的时间大概在7 s时，此时管路中压力曲线会出现较大的奇异性。为计算出负压波从泄漏位置传播到压力变送器1的时间，首先通过db1, db2, db3, db4和db5小波函数分别对压力曲线1进行分解，根据这5类小波函数对压力曲线1的分解结果，选取最优分解结果求解压力曲线中奇异点发生的时间，就可以得到负压波从泄漏位置传播到压力变送器1的时间。对压力曲线1进行5类小波函数分解，其分解细节图如图9所示。

图9 压力曲线1经小波函数分解细节图

通过对比图9a～图9e中各个分解细节图可知，对比结果与上一章中的结果相同。通过db5小波函数对循环压力冲击载荷下管路泄漏时的压力曲线进行分解，得到的分解细节图检测曲线奇异性效果最好。

利用MATLAB软件数据游标选项的自动定位数据顶点功能，自动选择db5小波函数分解细节图中的模极大值点。其中分解细节图中的模极大值点坐标信息如图10所示。

图10 模极大值点坐标信息

通过图10可以看出，压力曲线1经db5小波函数分解后可以得到4个模极大值点坐标信息。根据前文可知，模极大值点对应的时间和压力曲线中奇异点发生的时间相同。在采集压力信号过程中，可能会存在噪声或者其他干扰，因此模极大值点的奇异性可能是噪声信号引起的。为此需要对这4个点的奇异性通过奇异性判别法则进行判别。

在实际采集到的管路压力信号中，会伴随着各式各样的噪声信号，同样会引起信号奇异性的出现。为了区分压力信号和噪声信号，可以通过求解Lipschitz指数来判断压力信号和噪声信号的奇异性。对采集到的管路压力信号利用MATLAB软件对其进行4层小波分解，得到各层最大细节系数分别为d1，d2，d3，d4，信号奇异性的判别法则为：

根据信号奇异性判别法则对这4个模极大值点的奇异性进行判别，通过计算得到4个模极大值点的奇异性均由压力信号引起。

对压力变送器2采集到的压力数据通过软阙值命令进行去噪处理，得到压力曲线2，如图11所示。

图11 压力曲线2

选取db5小波函数对压力曲线2进行小波分解，其分解细节图如图12所示。

图12 压力曲线2经db5小波函数分解细节图

通过图12可以看出，压力曲线2经db5小波函数分解后可以得到4个模极大值点坐标信息。通过奇异性判别法则计算得到4个模极大值点的奇异性均由压力信号引起。通过计算可以得到负压波从泄漏位置传播到压力变送器2的时间为6.971 s。

负压波从泄漏位置传播到压力变送器1和2的时间分别为6.97175 s和6.971 s，由此可以得到两者时间差为0.00075 s。已知压力变送器1和压力变送器2的距离为3.06 m，负压波波速为1073.8 m/s，根据负压波定位公式可以计算出泄漏位置距压力变送器1的距离为1.9 m。实际泄漏位置距压力变送器1的距离为1.76 m，定位误差约为8%。