民航飞机液压管路故障检修系统优化设计

文案|炎左

民航飞机工业制造技术发展非常的迅速，其自身的液压系统和整个飞机的机械、电子以及电控系统耦合在一起，液压系统主要负责飞机的起落架、升降以及方向机的动力控制，其液压管路为动力的输出提供了分配、传输以及转向的重要功能。

由于飞机的液压系统常年处于频繁且高负荷工况下，且液压管路分支复杂、长度长、构型复杂、组件之间耦合连结，导致其出现故障的频率特别的高。液压管路的故障诊断也非常的复杂，其故障类型大致有液压管路液压油泄漏、液力冲击过大、液压管路卡滞以及液压管路组件脱落等，最为常见的是液压管路泄漏故障，该类故障主要是由于飞机液压管路经常受到液压冲击，加上装配加工工艺的缺陷导致的裂纹、折痕以及脱落。

针对飞机液压管路故障诊断的问题，通常采用动力学分析方法、模态分析方法以及流量冲击分析方法等，其中将飞机液压管路作为研究对象，基于管路内瞬变流数学模型，采用ＡＭＥＳｉｍ软件对循环压力冲击载荷下飞机液压管路泄漏故障进行模拟，分析不同泄漏情况对管路压力信号波形的影；然后根据管路压力信号以及小波函数分别对其进行小波分解，从而进行液压管路的泄漏故障诊断。

针对飞机液压管路吸油模块与扩口式直角接头连接处螺纹损坏和接头脱出，导致液压系统漏油的故障，建立了管道有限元动力学模型，进行了管道模态仿真分析并进行了故障检测；建立了液压管道有限元动力学模型，进行了管道流量冲击响应分析并对液压管路进行了故障分析，提出了相应的检修方法和完善措施，从而有效地减小了支架和吸油模块的变形和应力

本文在民航飞机液压管路动力学分析的基础上采用模态分析方法获取故障特征值，构建分布式的液压管路故障检修系统，在已构建的实验环境中验证故障检修系统的稳定性和可靠性。

液压管路动力学分析

民航飞机液压管路裂纹是一种由液压管路环向方向分布的裂纹，液压管路裂纹由于长时间的处于结构性扩展中，微小的裂纹区域极易出现不断增大且其应力强度也是不可控的。通常在液压管路的壁面产生裂纹后，其渗入的液力对液压管路进行振动和冲击。

液压管路裂纹的过程其实质上就是液压管路的相关管壁运动时和油液等流体物质发生摩擦或者振动，随机产生了局部的裂纹或者断裂，在整个液压管路运行过程中，其裂纹的离散特性可以等效的看成一个纵向或横向的旋转弹簧，如图１所示。

假设其在外部液力的激励下，其截面的上下端裂纹动力学如下所示：

其中，8ix，8iy分别表示截面上下端的裂纹；TM，TN分别表示裂纹弯矩；LM，LN，LP，分别表示横向/纵向/补偿单向弹簧弹性刚度。

民航飞机液压管路裂纹在初期的制造装配过程中形成的局部特性，液压管路内部的液压会加重裂纹的扩张，当形成严重的裂纹故障，液压管路已经处于低承载状态，利用模态分析对其液压管路进行提取多工况下的裂纹故障特征以及相应的模态信息，利用设定的故障监测方法进行故障诊断和故障检修服务。

液压管路模态分析

液压管路结构性裂纹故障诊断需要进行模态分析，模态分析的本质是通过液压管路相关模态参数的变化来判断液压管路的裂纹故障，通过分析固有频率的变化趋势以及模态振动识别液压管路是否存在裂纹和其产生的位置信息。假设其两端固支约束边界条件均满足，对液压管路裂纹进行模态函数多项式表示如下：

式中，φN()（X），φM（X），φ（X）分别表示不同高阶的模态函数；Ｌｍ，Ｌｎ，Ｌｓ分别表示高阶模态裂纹状态调节量；Ｆｍｉ，Ｆｎｉ，Ｆｓｉ分别表示不同高阶模态下的液压管路截面模量；εｍΔｈｍ０?１，εｎΔｈｎ０?１，εｓΔｈｓ分别表示液压管路柔度系数。

经过对液压管路裂纹进行模态分析，能够清晰分析出裂纹管路的固有频率、静态失稳边界、载荷冲击状态等对液压管路裂纹的强相关性，因此，在后续的故障监测中，通过对相关频率特征的提取形成故障特征值数据集，液压管路裂纹模态，如图２所示。

分布式故障检修系统

民航飞机液压管路的裂纹故障诊断是通过识别其裂纹故障特征值，然后经过故障滤波后确认故障。首先是需要对输入信息进行滤波处理，将无效的数值进行剔除或者替换掉，滤波处理算法采用低通滤波器进行滤波；随后将裂纹信息和设定的故障阈值和故障时间做逻辑处理，经过故障处理时间后确认液压管路裂纹故障。

在设计液压管路裂纹故障诊断的过程中故障检测的使能条件和故障清除方式纳入到，算需法

要中将，当故障使能状态失败后，其液压管路裂纹瞬时故障检测可以继续，但是其故障滤波的需要立即停止，等到故障使能条件满足后进行故障滤波处理；液压管路裂纹故障是划分等级的，当出现轻微的裂纹故障只需要进行故障信息上报以及点亮故障信号灯，如果液压管路出现严重的裂纹故障，需要将故障进行存储，即使自身的裂纹故障恢复了最终的故障也不能够自愈清除，需要借助特殊的服务进行清除。

液压管路裂纹故障检测采用基于时间的故障确认机制，故障检测使能条件满足，当瞬时故障确认后持续故障确认时间，从而确认故障，当使能条件不满足，其时间计数保持不变，裂纹故障状态保持；由于严重裂纹故障是长存储故障，在后续的设计中将其故障清除方式定义为服务清除或人工清除，因此在故障滤波过程中，使能条件满足的条件下，只要故障进行重置动作，无需在经过计数滤波，滤波计数将会进行清零，故障随即进行清除，如图３所示。

其中，故障数据库中存储了大量的裂纹故障案例和故障原因，人机交互模块可以实现故障检修人员和液压管路故障监测状态进行互联，故障修复模块可以通过处理裂纹故障后将整个系统进行故障重置，恢复系统的正常功能，确保飞机液压管路的正常运行，如图４所示。

实验设计

为了验证所设计的民航飞机液压管路分布式故障检修系统的可靠性和稳定性，构建了以液压管路和液压泵站为实验主体的故障检修实验环境，其中，数据采集设备负责采集液压管路和液压泵以及电控单元的数据，ＮＩ板卡负责注入相应的工况信息和故障参数，整个实验平台增加了标定接口，可以通过实时的标定实现相应的功能，整体的故障检修实验环境如图５所示。

图６是液压管路裂纹不同截面的频率实验结果，通过注入不同的工况来观测液压管路的裂纹截面状态，从图中可以看出来，截面频率最高能够在工况注入后急速的保持在５９７Ｈｚ，其中截面２的频率保持的最为稳定，在通过人机交互界面操作工况注入后其裂纹的故障特征较为明显。

图７是不同的模态频率阶数对应的截面阻尼比，可以看出不同的截面在高速注入状态下，其不同的阶数模态固有频率大致在４５～１００Ｈｚ之间，其与１／２／３／４／５阶数的真实频率比，可以发现在绝对误差允许的范围内，实验反馈的真实频率还是偏小。

在经过多次的故障注入测试后可以检测出液压管路的实际裂纹等级，从而获取到其故障诊断结果，从而验证了分布式故障检修系统能够很好地识别液压管路的裂纹故障和其真实的故障特征，为民航飞机液压管路裂纹故障检修提供了很好的参考和借鉴。

不足之处与改进建议

基于实际气体状态方程（范德瓦尔方程）的充气量计算与实际充气结果基本一致；高压容器放气过程中压力和温度在前期急剧下降，后期大部分时间趋于缓慢变化，表明放气过程中压力和温度变化主要集中在前期。

环境温度的降低，对定容定量容器放气时间的影响不大，相较于整个放气时长，该影响可以忽略；在不同温度下，随着温度的降低，定容定量容器放气过程中压力和温度变化的速率也随之降低，但放气一段时间后压力和温度基本趋于一致，后续可以通过试验进一步进行验证。

本研究中所采集的数据较为有限，可能未能充分覆盖实际操作情况。在未来工作中，应加强对数据的采集与分析工作，以提高优化设计方案的准确性和可靠性。

所采用的优化算法仅是基于现有文献综述的选择，缺乏对不同算法的比较和验证。在后续研究中，可以探究更多的优化算法，并通过对比实验来评估其鲁棒性和性能。

未来的研究工作中，应通过更广泛的数据采集和更深入的数据分析，确保所设计的优化方案能够充分适应不同操作条件和实际情况。

探索更多的优化算法，当前研究中所采用的优化算法可能不是最优选择，在后续工作中可以考虑其他优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，并进行比较研究，以获得更好的优化结果。

验证与实践应用，对于提出的优化设计方案，应进行实际验证与应用，以验证其可行性和实用性。并进一步收集反馈数据，以便进一步改进和完善设计方案。

通过以上改进建议的实施，将能够进一步提升民航飞机液压管路故障检修系统的效率和可靠性，为飞机维修人员提供更好的操作支持。

总结

民航飞机液压管路系统由于受到液力的冲击容易出现裂纹，针对液压管路的裂纹故障诊断，对民航飞机液压管路进行了动力学分析和模态分析，获取相应的故障特征值，构建了液压管路裂纹故障特征库，采用基于计数的持续性故障滤波算法，构建了人机界面、故障数据库、故障修复的分布式故障检修系统，在模拟的实验平台中验证了分布式故障检修设计方法的可靠性和稳定性。

民航飞机液压管路系统表面产生的缺陷极易受到液力冲击，导致液压管路出现裂纹，针对飞机液压管路系统故障诊断问题，在民航飞机液压管路动力学分析的基础上，利用频率切割法对管路进行模态分析，获取相关的故障特征值，构建基于故障特征和故障阈值分段处理的飞机液压管路故障检修系统，对故障检修人机交互功能进行优化。

从而获取详细的故障原因和故障定位信息，通过在已构建的液压管路故障模拟试验台进行试验，试验结果表明该优化设计方法能够快速的定位液压管路的故障特征和故障部件位置。

总之，民航飞机液压管路故障检修系统的优化设计仍然是一个具有挑战性和潜力的研究领域。未来的工作应传承本研究的成果，继续推进技术创新，提高系统的智能化水平、提升维修效率，为民航行业的发展和飞行安全提供更好的支持。