国内外液压系统故障诊断历史及优化方案

1.国外故障诊断技术的发展

众所周知，设备在运行过程中承受载荷，长期运行后会出现温升、振动或噪声等“毛病”，如何察觉到该毛病就是简单的设备故障诊断问题^[1]。早在20世纪40年代，人们就开始根据摸、听、看等手段观察结构的疲劳裂纹大小和振动/噪声异常，来实施材料疲劳更换和机构维修^[2]。到了50年代后期，人们开始尝试在复杂装备关键部件上施加传感器，通过检测各种参量，如热、力、转速、振动等，实现大型复杂设备的故障检测和诊断^[3]，如美国就率先于50年代开始研究飞机发动机自动测试系统和故障诊断装置^[4，5]。1961年，美国开始推行阿波罗登月计划，由于出现了一系列设备故障造成了事故，1967年美国宇航局（NASA）倡导并成立了美国机械故障预防小组（Mechanical Failures Prevention Group，MF-PG），从事故障机理、检测、诊断及预报技术的研究^[6]。1971年该小组划归美国国家标准局（NIST）领导，下设故障机理研究、检测诊断和预测技术、可靠性设计和材料耐久性评价4个小组。同时美国机械工程师学会（ASME）在锅炉压力容器^[7]上成功地应用了声发射诊断技术。英国在20世纪60年代，以T.M.Hunt为首的Bath大学和以R.Acollacott为首的英国机器保健和状态监测协会（U.K.Mechanical Health Monitoring Center）最先开始研究故障诊断技术^[8]。1982年曼彻斯特大学等创立了沃森工业维修公司（WIMU）、Michael Neale and Associte公司等研制监测系统、诊断仪器和开发信号处理技术，主要针对汽车和飞机发动机故障监测和诊断^[8]。日本新日铁公司自1971年开始研究故障诊断技术，1976年生产出便携式液压故障诊断仪^[9]。这时故障诊断方法大多还处于直接参数（振动、压力、流量等）测量和基于信号处理的阶段。20世纪80年代初期至90年代末，液压系统故障诊断技术的发展如日中天，通过在液压能源系统上安装加速度传感器和压力传感器，实现了液压泵故障诊断^[10]。加拿大的Tatge和Winston研究了用于卫星跟踪天线驱动的液压系统的故障诊断^[11]装置；WangL.M.等开发了专家系统研究稳态液压伺服系统的故障检测及诊断；1991年英国Wales大学的Cardiff研究了液压系统基于多层感知机（MLP）的神经网络故障诊断方法^[12]；1998年Bath大学的W.J.Growther发表了题为“Fault Diagnosisofa Hydraulic Actua-tor Circuit Using Neural Networks”的学术论文，主要对二阶液压舵机系统的输出向量空间进行神经网络故障诊断^[13]；Angel.Chr在1999年的文章“Online Expert System for Fault Diag-nosisin Hydraulic Systems”中主要就动态建模专家系统进行了研究，并开发了相应的软件^[14]。

设备故障诊断技术在欧洲一些国家也取得了很大的进展，如瑞典的SPM轴承监测技术、挪威的船舶监测技术、丹麦的振动分析与声发射技术等^[8]。日本在钢铁、化工、铁路等领域故障诊断技术也发展迅速，三菱重工、川崎重工、日立制作所等企业也研制出许多实用的故障诊断仪器和软件，极大地推进了机械故障监测与诊断的发展^[9]。

自20世纪60年代初美国率先开展设备故障诊断技术研究以来，故障诊断技术逐渐成熟，并于1967年开始用于航空航天、核能、电力、铁路运输、工程机械等领域。特别是最近几年，基于网络化技术的远程监测和诊断、趋势分析、状态监测系统等保障了重大设备的安全连续运行、排除了大型设备的复杂故障，为设备的预知维修提供了可靠依据，所获得的经济效益非常显著。据日本统计，在采用了状态监测与故障诊断技术后，事故率减少75%，维修费用减少25%～50%。

飞机液压系统是为飞机起飞、操纵、起落架收放和刹车等提供能源的关键系统，要求在整个飞行过程中可以连续可靠地运行，因此飞机液压系统状态检测与故障诊断的发展，对飞机健康管理技术的发展起到了重要的推动作用。据统计，采用状态监测与诊断技术后，世界航班的旅客公里死亡率从20世纪60年代的0.6降到70年代的0.2^[15]。飞机健康管理系统与传统的故障检测与诊断系统不同，它代表一种转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测转变；从反应式的通信转向先导式的在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动。PHM的实现将使原来由事件主宰的事后维修或时间相关的定时维修被基于状态的视情维修所取代，它可以诊断飞机自身的健康状况，并在事故发生前预测故障，进而实现自主式保障，达到提高飞机的任务可靠性和安全性、降低使用和保障费用的目标。故障预测与健康管理技术可以做到：①及时发现故障，给出故障信息，并明确故障的部位、类型和程度，同时自动隔离故障；②预测装备的运行状态和使用寿命及故障的发生和发展；③针对故障的不同部位、类型和程度，给出相应的处理方案；④自动对故障进行消除、补偿、切换和修复，以保证装备出现故障时的性能尽可能接近原来正常时的性能，或以牺牲部分性能为代价来保证其继续完成规定功能；⑤指导装备的维修策略，既可减少因过度维修而引起的费用上升，也可防止因维修不足而导致事故的发生，从而提高装备的利用率。

在复杂武器装备故障预测与健康管理方面，欧美各军兵种一直走在前列，20世纪70年代A-7E攻击机的发动机监控系统可以称得上是PHM的最早雏形。美军的F-35“闪电Ⅱ”联合攻击机、F-22A“猛禽”隐形战斗机、B-2“幽灵”隐形轰炸机、RQ-4A“全球鹰”无人侦察机、F-15B“鹰”教练机、C-130“大力神”运输机、美陆军的RQ-7A/B“影子200”战术无人机系统、欧洲EF-2000“台风”战斗机、法国“阵风”多用途超音速战斗机等先进战斗机，以及英国的“山猫”多用途直升机、美国的CH-47“支奴干”运输直升机、UH-60“黑鹰”多用途直升机和AH-64“阿帕奇”武装直升机等均采用了故障预测与健康管理系统。以上这些世界上新研制并服役部队的先进战斗机除了具有优越的性能之外，共同特点之一是配备有一整套故障预测与健康管理系统。通过机载健康管理和通用的地面诊断维修和保障信息系统，为地面维修人员快速准确维修飞机提供必要的信息和支持。美国波音公司将健康管理系统应用于民航领域，开发了飞机状态管理系统；欧洲空中客车公司也同期研制了中央维护系统；中国商飞公司的ARJ也开发了中央维护系统。美国ARINC公司与NASA兰利研究中心合作，研制了与PHM类似的原型机系统——“飞机状态分析与管理系统（Aircraft Condition Analysis and Management System，ACAMS）”，其功能在NASA的B757飞机上成功地进行了飞行试验演示验证，并已申请了美国专利。NASA正在考虑采用Qual-tech公司开发的综合系统健康管理（Integrated System Health Management，ISHM）方案对航天飞机进行健康监控、诊断推理和最优查故，以求降低危及航天任务安全的系统故障。据波音初步估计，通过PHM可使航空公司节省约25%因航班延误和取消而导致的费用，并可以大大减少维修保障费用，如JSF飞机的维修保障费用比F-16降低约30%。(www.xing528.com)

2.国内液压系统故障诊断技术的发展

国内机械故障诊断研究始于20世纪70年代末，尽管起步较晚但发展迅速。1983年国家经委发出通知，要求各企业应根据生产的需要逐步采用状态监测和故障诊断技术，发展以状态监测为基础的预防性维修。1986年浙江大学诸葛起等开展了液压能源系统的故障诊断，采用振动信号进行了液压系统的故障诊断^[16]；1992年燕山大学的赵永凯等、上海大学邱泽鳞和陆元章等也利用振动信号进行了液压故障诊断研究^[17]；1993年中国矿业大学夏志新等研究了液压泵的污染磨损监测^[18]。1994年北京航空航天大学王少萍开始开展液压泵的状态检测与故障诊断研究，并相继利用压力脉动参数（等效流量和等效阻抗）、振动信号、压力信号及神经网络方法、小波方法、鲁棒智能检测与诊断方法实现了液压系统、液压泵、液压舵机等的故障诊断^[19]。

目前，我国液压装备保障仍采用定期维修和事后维修制度，大量的人力、物力和财力都投入到故障检测、诊断和修复中，它仅是被动的维修方式，不能准确预测在未来任务阶段何时出现故障、出现什么故障、如何避免和快速实施维修，因此造成大量的过度维修。进入21世纪，随着我国大型飞机研制计划的逐步实施，飞机液压系统故障预测与健康管理技术成为制约我国飞机液压系统可靠性和寿命的瓶颈。目前，我国自行研制的飞机液压系统仅能实现液压系统压力监控，离准确故障定位、故障预测和自主后勤保障尚有很大的距离。为了提高飞机系统的可靠性和综合保障能力，在我国新一代大型军用运输机和大型客机的研制中，均明确提出要装备飞机液压系统故障预测和健康管理系统，以适应二级维护体制的需要，从而使大型客机永保“健康”，以及保证大型运输机处于“战备完好”状态，进而提高我国武器装备的作战能力和综合保障能力。

与此同时，我国船舶、核能、电力、交通和工程机械等行业对故障预测与健康管理系统的需要也越来越迫切，特别对于投资巨大、结构复杂、可靠性要求高的工程系统，迫切需要能够及时捕获故障先兆信息、准确进行故障定位，以及进行故障预测与对故障的防范，避免故障蔓延及传递造成灾难性事故发生，安全顺利完成任务。