Φ1米高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)設計

李　杰，朱　濤，許曉斌，元辰，呂　超

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽　621000;2.北京航天測控技術有限公司，北京　100041)

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Φ1米高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)設計

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000;2.北京航天測控技術有限公司，北京100041)

摘要：為了解決Φ1米量級高超聲速風洞裝備試修矛盾，提高風洞參試效率并拓展風洞技術性能，實現(xiàn)風洞裝備管理信息化和過程質(zhì)量控制精細化，滿足國家高超聲速武器裝備和航天飛行器研制中地面試驗的需求，提出了建設Φ1米量級高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng);文章分析了風洞的設備組成、運行方式、試驗任務特點以及風洞裝備維修保障的現(xiàn)狀，按照“增強的基于狀態(tài)維修”的裝備保障新模式，進行了系統(tǒng)設計架構，明確了硬件系統(tǒng)組成和軟件各模塊的功能;對風洞裝備故障模式分析、基于振動特性分析的診斷和測試技術、基于應變特性分析的診斷和測試技術等關鍵性問題進行了實驗探索與驗證。

關鍵詞：Φ1米高超聲速風洞；自主式保障系統(tǒng)；基于狀態(tài)維修

0引言

Φ1米量級高超聲速風洞是我國口徑最大、試驗能力最強的常規(guī)高超聲速風洞，主要承擔高超聲速武器裝備和航天飛行器的地面試驗任務，是我國新型武器裝備研制的關鍵試驗設備。以往，該風洞的維修工作主要采用定期維修和故障維修相結合的模式，其優(yōu)點是可以有計劃地安排維修活動，故障原因容易診斷。自2013年經(jīng)過搬遷和配套建設以后，風洞設備結構的復雜程度大幅增加，設備智能化水平和技術集成度顯著提高。目前，該風洞的試驗任務非常飽滿，需要風洞能長期持續(xù)地正常運行，上述維修模式已明顯暴露出維修不足和維修過?，F(xiàn)象，難以滿足對裝備維修保障的預見性、及時性、精確性的要求，裝備試修矛盾日益突出。

為了解決風洞裝備試修矛盾，提高風洞參試效率并進一步拓展風洞技術性能，實現(xiàn)風洞裝備管理信息化和過程控制精細化，滿足國家高超聲速武器裝備和航天飛行器研制中地面試驗的需求，提出了建設Φ1米量級高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)。文章分析了風洞的設備組成、運行方式、試驗任務特點以及風洞裝備維修保障的現(xiàn)狀，按照“增強的基于狀態(tài)維修(CBM+)”的裝備保障新模式，進行了系統(tǒng)架構設計，確定了硬件系統(tǒng)組成和軟件各模塊的功能，對關鍵性問題進行了探索性驗證。

1自主式維修保障及其體系架構

自主式維修保障是美國空軍在研制F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)項目時首先提出并應用的一種新型保障模式[1-8]。它是一種能自己管理其相關的軍事器材、設施、人員、采購、維修和運輸?shù)能娛聦嶓w和系統(tǒng)，使裝備具有自動診斷其維修需求并將這些需求通知地面以便維修人員及時采取保障措施的能力。它是基于狀態(tài)維修(CBM)、故障預測與健康管理(PHM)的擴展和優(yōu)化，具有信息化和自動化的特點，有很高的保障質(zhì)量和效率[3]。

CBM是指基于內(nèi)置的傳感器或外置的監(jiān)測設備對設備運行狀態(tài)進行實時的測試，從而對其技術狀況進行實時評估的一整套維修措施。其宗旨是只有在需要維修的客觀證據(jù)時才進行維修，同時保證設備的安全、可靠并降低使用和維修費用。增強的基于狀態(tài)的維修(CBM+)是在CBM基礎上的發(fā)展，將一些新興的和改進的維修技術、方法、程序引入到維修實踐中，其更注重狀態(tài)的監(jiān)測和故障的診斷。CBM+能夠把故障消滅在萌芽狀態(tài)，計劃性更符合實際，其核心是狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和健康預測。

Φ1米量級高超聲速風洞是一座暫沖吹吸式常規(guī)高超聲速風洞，由高壓氣源和真空系統(tǒng)、蓄熱式加熱器、噴管、試驗段、擴壓器、冷卻器等組成，并配套風洞運行控制和監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、模型機構系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等設備。其中高壓氣源和真空系統(tǒng)由電動截止閥、氣動快速球閥、電液調(diào)壓閥、液壓角式熱閥、真空閘板閥等80余臺套各類閥門以及高壓、真空管道和連接法蘭組成，實現(xiàn)風洞的快速啟閉和壓力溫度的精確調(diào)控。模型機構由步進電機、渦輪蝸桿以及液壓裝置驅(qū)動，實現(xiàn)風洞吹風時試驗模型的運動控制和姿態(tài)調(diào)整。風洞各馬赫數(shù)噴管的出口直徑均為1 m，最大流量160 kg/s，運行時間最長80 s，風洞設備要承受較大的沖擊載荷和振動，容易造成設備疲勞而引發(fā)故障。

Φ1米量級高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)選取故障頻率較高或設備風險系數(shù)較大的DN250氣動快速球閥、GCD2000真空閘板閥、DN150電液調(diào)壓閥、高壓管道彎頭、噴管、擴壓器、模型機構等關鍵設備和重點部位作為監(jiān)測對象。維修保障系統(tǒng)按照OSA-CBM標準，通過7個模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能，如圖1所示。

圖1自主式維修保障系統(tǒng)的體系結構圖

從體系架構和邏輯層次上采用面向?qū)ο蟮姆植际浇Y構，自下而上劃分為4個層次，即傳感器層、數(shù)據(jù)采集層、業(yè)務層和表示層，如圖2所示。

傳感器層負責完成DN250氣動快速球閥、模型機構等風洞關鍵設備和重點部位的振動、應變、位移等技術狀態(tài)參數(shù)的采集和傳輸，包括振動、應變、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等不同類型的傳感器。

數(shù)據(jù)采集層完成對所有傳感器輸出信號及其他信息的轉(zhuǎn)換處理。根據(jù)設備工作方式和傳感器輸出信號的實際特點，選擇合適的數(shù)據(jù)采集板卡，并融合風洞現(xiàn)行主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中已經(jīng)采集的壓力、溫度、設備開閉狀態(tài)信號等必要數(shù)據(jù)。采集設備按照Modbus/TCP協(xié)議、OPC協(xié)議等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊和交互。

圖2　自主式維修保障系統(tǒng)的系統(tǒng)架構

業(yè)務層完成系統(tǒng)業(yè)務應用層面的工作，包括數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)監(jiān)測、性能評估、壽命預測和決策支持等模塊。數(shù)據(jù)管理模塊對系統(tǒng)網(wǎng)絡中的全部數(shù)據(jù)進行組織管理，包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、裝備數(shù)據(jù)庫等。狀態(tài)監(jiān)測模塊通過界面的模型開發(fā)和組態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結果、統(tǒng)計結果、預測結果以及維修保障的人機交互和終端顯示。性能評估模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行分析評價，包括針對設備建立故障模型，采用故障推理機進行推理，診斷和定位故障。決策支持模塊在性能評估、故障診斷和預測的基礎上，實現(xiàn)與風洞業(yè)務流程相結合的多要素綜合維修決策，形成最佳維修策略。

表示層直接體現(xiàn)用戶應用，包括用戶接入認證、信息瀏覽、信息發(fā)布、服務定位和維修流程管理等內(nèi)容。

2系統(tǒng)硬件設計

Φ1米量級高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件設備包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、服務器系統(tǒng)、終端顯控設備和供配電裝置等，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件組成圖

傳感器系統(tǒng)即為分布在關鍵閥門、模型機構、高壓管道彎頭等重點部位的各種傳感器，如振動加速度傳感器、應變計、溫度傳感器、位移傳感器等，完成設備狀態(tài)感知和信號輸出。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個數(shù)據(jù)采集設備組成，每個設備為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，完成與之對應的傳感器信號的模式轉(zhuǎn)換和調(diào)理工作，并將采集數(shù)據(jù)經(jīng)信息網(wǎng)絡上傳至服務器系統(tǒng)中。

圖4　數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡拓撲圖

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡采用光纖環(huán)網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備連接在一起，與服務器系統(tǒng)和終端顯示系統(tǒng)組成維修保障局域網(wǎng)，并通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)收發(fā)機與風洞現(xiàn)行測控局域網(wǎng)之間連接。在所級科研網(wǎng)中增加裝備管理服務器，支持與科研網(wǎng)中的其他設備互聯(lián)互通。實現(xiàn)與測控間其他設備的信息互聯(lián)網(wǎng)絡，如試驗管理機、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等，交互指令或數(shù)據(jù)，測控間局域網(wǎng)依賴于三層交換機構建，滿足用戶數(shù)和傳輸?shù)囊蟆?/p>

服務器系統(tǒng)包括實時數(shù)據(jù)庫服務器、歷史數(shù)據(jù)庫服務器、業(yè)務數(shù)據(jù)庫服務器、Web應用服務器、裝備管理服務器、磁盤陣列、三層交換機、客戶端工作站等，為軟件功能平臺的運行提供物理載體,實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)安全可靠地存儲、提取和分析。各服務器之間的控制關系和數(shù)據(jù)交互關系如圖5所示。

圖5　服務器系統(tǒng)控制關系和數(shù)據(jù)交互關系示意圖

終端顯控系統(tǒng)實現(xiàn)各種信息和數(shù)據(jù)結果在測控間內(nèi)的集中狀態(tài)顯示和監(jiān)控。供配電系統(tǒng)實現(xiàn)對自主式維修保障系統(tǒng)中各個組成單元的統(tǒng)一安全地供配電。

3系統(tǒng)軟件設計

按照OSA-CBM開放式體系架構，風洞自主式維修保障系統(tǒng)的工作流程為：前端傳感器和數(shù)據(jù)采集設備完成風洞關鍵部位的狀態(tài)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給實時數(shù)據(jù)庫，由實時數(shù)據(jù)庫完成風洞運行狀態(tài)的實時收集、存儲和發(fā)布顯示；通過對實時數(shù)據(jù)庫的訪問和整理，得到歷史數(shù)據(jù)庫，在故障診斷和故障預測方法的支持下，完成設備的故障診斷和預測，形成故障設備的維修需求信息；在裝備數(shù)據(jù)庫中的人力資源、備品備件、試驗計劃等信息的支持下，形成最佳維修策略；在裝備管理服務器中完成維修流程的上報、審批、組織實施和總結驗收。

按照“狀態(tài)監(jiān)測—故障診斷—性能評估—動態(tài)管理”的模式，系統(tǒng)軟件平臺包括數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理軟件包、技術狀態(tài)管理軟件包、裝備信息化管理軟件包、數(shù)據(jù)庫管理軟件包等4個軟件包和實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、裝備數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、系統(tǒng)信息庫、維修決策庫等6個數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件組成及工作原理

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理軟件負責設備狀態(tài)采集軟件的配置和維護，實現(xiàn)OPC、ModBus等數(shù)據(jù)協(xié)議到自主式維修保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，負責數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)庫的保存，進行實時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡分發(fā)，完成歷史數(shù)據(jù)的壓縮存儲和查詢處理等工作。

狀態(tài)監(jiān)測軟件負責風洞試驗設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測與顯示，對監(jiān)測信息進行初步診斷與分析，得到設備的早期預警或報警信息，實現(xiàn)風洞運行的全過程、全自動的網(wǎng)絡化健康狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)風洞試驗設備的故障診斷結論的實時顯示，并能夠?qū)⑺袪顟B(tài)數(shù)據(jù)保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。

故障診斷和故障預測軟件采用開放式、迭代特征的平臺框架，能夠?qū)＜蚁到y(tǒng)知識庫進行管理，實現(xiàn)基于規(guī)則和案例的診斷方法，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立故障模型和預測模型，具備可擴展的診斷、預測引擎，支持預測算法的動態(tài)調(diào)整與更換，具有實時故障診斷、定位、預測和報警能力。

裝備保障信息化管理軟件完成裝備的日常管理工作，可實現(xiàn)裝備全壽命周期的狀態(tài)管理和維護，負責裝備維護保養(yǎng)、儀器儀表計量檢定的計劃制定、自動提醒和作業(yè)記錄的全過程管理，實現(xiàn)自主式裝備維修管理的業(yè)務流程，網(wǎng)絡化完成決策生成、上報、審批、組織實施和檢查驗收，具備裝備運行狀態(tài)綜合評價以及管理查詢功能。

4關鍵性問題和探索性試驗

Φ1米量級高超聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)建設中的關鍵性問題主要有風洞裝備故障模式分析、基于振動特性分析的診斷和預測技術、基于應變特性分析的診斷和預測技術等。

4.1風洞裝備故障模式分析

Φ1米量級高超聲速風洞由風洞本體、高壓氣源和真空系統(tǒng)、加熱器系統(tǒng)、冷卻器系統(tǒng)等九個分系統(tǒng)組成，包含280余臺套單體設備和部件。各種設備因性能原理、運行環(huán)境和工作方式的不同而具有不同的故障模式。在狀態(tài)監(jiān)測方式和傳感器選型時，需要著重分析主要監(jiān)測對象的故障機理，判斷故障的產(chǎn)生原因和發(fā)展過程，采用適合的傳感器技術和信號分析技術，提取狀態(tài)特征參數(shù)，以達到實時判斷裝備運行性能和故障惡劣程度的目的。

4.2基于振動特性分析的診斷和測試技術

開展機械或機電系統(tǒng)診斷分析需要豐富的專家經(jīng)驗，采用頻譜分析、相關分析等，提取包含在振動信號中的故障信息。風洞系統(tǒng)的結構復雜，振動特性具有相互關聯(lián)性，當某一位置發(fā)生異常振動時，不可避免會對周圍的機械結構帶來影響；此外，由于本身特性差異，故障的產(chǎn)生還與不同設備對振動烈度的耐受能力有關。以上諸多因素為本項目中進行振動信號的自動分析、故障特征提取、故障診斷和定位帶來困難，是需要解決的關鍵技術之一。為了解決這個問題，建立風洞中不同設備的振動評估閾值體系，發(fā)現(xiàn)潛隱性故障并開故障預測工作，對真空閘板閥、高壓管道彎頭部、調(diào)壓閥、模型機構底座和彎刀等設備和部位進行了振動測試的摸底試驗。

圖7給出測量真空閘板閥在開閉動作時振動信號的傳感器布置示意圖，在電機外殼、連接套、閥體頂部、閥體側面和閥體前面分布安裝振動加速度傳感器。連接套部位的振動傳感器x、y、Z向的頻域信號如圖8所示。由圖可知，頻譜主要集中在2.5 kHz以下，常見峰值出現(xiàn)在1.75 kHz。Y向與x向相似，z方向的振動穩(wěn)定性不如x和y方向，可知在運行期間z方向的結構配合可能會有問題。對z向2.5~8.0 kHz之間的信號進行識別，可能代表著設備的某種異常。

圖7真空閘板閥振動加速度傳感器安裝布置圖

4.3基于應變特性分析的診斷和測試技術

由于應變測試能夠準確檢測到設備的運行過程，利用這一特點可以對有規(guī)律運行的設備進行技術狀態(tài)識別。氣動快速球閥是氣缸驅(qū)動閥桿和閥球轉(zhuǎn)動完成開啟和關閉的。隨著閥門使用次數(shù)的增加，閥球與閥座以及閥桿與連接套之間由于結構磨損呈現(xiàn)出摩擦力增大的趨勢，會導致閥門工作時應力增加。因此，通過測量閥桿或連接套的應力大小能夠反映出閥門內(nèi)部系統(tǒng)的摩擦情況，進行閥門故障診斷和健康預測。

圖8　連接套部位振動傳感器頻域信號

圖9給出氣動快速球閥應變計安裝布置圖，在閥門開啟時的應變信號和主應力曲線如圖10所示。

圖9氣動快速球閥應變計安裝布置圖

圖10　氣動快速球閥開啟時應變計信號和主應力曲線

由圖10可知，閥門開啟過程中有氣缸引導閥切換、氣缸充氣、閥球開始動作、流動通道建立、閥門全部打開等幾個時刻點，整個過程可以劃分為4個階段。對各個階段的歷時、應變峰值等情況進行辨識提取，以各個參數(shù)的當前值作為基準，建立性能評估專家系統(tǒng)，形成多條故障診斷規(guī)則，由故障規(guī)則推理機對實時采集到的數(shù)據(jù)進行判別，從而得出故障診斷結論。

當系統(tǒng)的某個參數(shù)發(fā)生顯著偏移時，表面系統(tǒng)結構特性發(fā)生了變化，根據(jù)數(shù)值的變化趨勢，采用一定的預測算法來預測相應結構部件的性能變化趨勢。

參考文獻：

[1]張寶珍. 21世紀的保障方案-JSF的自主式后勤[J]. 工程與技術, 2003 (01):27-30.

[2]Dreyer S L, Autonomic logistics-developing an implementation approach for an existing military weapon system [J]. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2006, 9(4):16-21.

[3]張寶珍. 國外綜合診斷、預測與健康管理技術的發(fā)展及應用[J]. 計算機測量與控制, 2008, 16(5):591-594.

[4]毛京明,胥家常. 一種新的自主式武器裝備后勤保障系統(tǒng)[J]. 兵工自動化, 2009, 28(7):23-27.

[5]曹艷華,陳春良,宋敬華. 裝甲裝備自主式保障關鍵要素分析[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2010， 24(2):7-11.

[6]陶來發(fā),樊煥貞,呂琛,等. 機電系統(tǒng)故障預測技術的現(xiàn)狀與分析[J]. 控制工程， 2011，18(4):636-639.

[7]趙中敏,張圣文. 大型數(shù)控設備故障預測與健康管理自主式保障系統(tǒng)[J]. 機床電器， 2013(3):52-55.

[8]趙洋,馬颯颯,趙國順,等. 無人機裝備自主式保障系統(tǒng)研究[J]. 信息技術, 2013 (8):181-184.

Design of Autonomic Logistics System on Φ1m HWT

Li Jie1, Zhu Tao1, Xu Xiaobin1, Man Yuanchen2, Lv Chao1

(1. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang621000, China;2. Beijing Aerospace Measurement & Control Corp., Beijing100041, China)

Abstract:It is put forward to build an autonomic logistics system on Φ1m hypersonic wind tunnel(HWT) for solving the contradiction between the testing task and maintenance of equipments, for increasing the test efficiency and technical capabilities, and for realizing the informational equipment management and the refined quality control. The components, operation mode, task characteristics and problems in current maintenance support of the Φ1m HWT is analyzed in this paper. The autonomic logistics system is designed to confirm the component of the hardware and the function of the software based on the CBM+. Some pivotal problems are discussed and validated through the experiments such as failure mode analyzing, the diagnoses and testing technique based on vibration characteristic analysis and strain characteristic analysis.

Keywords：Φ1m hypersonic wind tunnel; autonomic logistics system; CBM+

文章編號：1671-4598(2016)02-0126-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.034

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

作者簡介：李杰(1979-)，男，河南范縣人，研究生，助理研究員，主要從事高超聲速風洞試驗和運行控制技術方向的研究。

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-09-14。