船舶主推进系统故障预测与健康管理设计_马剑

第43卷增刊2011年7月　　　　南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Jo urnal o f Nanjing Univ ersity o f Aeronautics &Astronautics 　　　　V o l.43No.S

　Jul.2011船舶主推进系统故障预测与健康管理设计

马　剑1　吕　琛1　陶来发1　邱伯华2　黄雅琳2

(1.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院,北京,100191;

2.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部,北京,100094)

摘要:随着装备系统复杂性、综合化、智能化程度的不断增加,其可靠性、维修性、测试性,保障性、安全性以及寿命周期费用的问题越来越受到人们的重视,为故障预测与健康管理(P HM )技术的产生发展提供了契机。本文首先简要介绍了P HM 的内涵、功能及结构。在此基础上,以船舶主推进系统为研究对象,从体系结构、应用功能组成两个方面开展船舶主推进系统的P HM 初步设计。最后,重点针对其中的设备健康检查模块,从工作原理、模块组成及功能实现流程等方面进行了详细设计。

关键词:故障预测与健康管理(P HM );P HM 体系结构;船舶主推进系统;健康检查

中图分类号:T P806　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1005-2615(2011)S-0119-06

　基金项目:国家自然科学基金(61074083,50705005)资助项目;国防技术基础支持项目。

　收稿日期:2011-01-30;修订日期:2011-03-20

　通讯作者:吕琛,男,副教授,博士生导师,E -mail :luchen @buaa .edu .cn 。Design of Prognostics and Health Management for Marine

Main Propulsion System

Ma J ian 1,Lu ¨Chen 1,Tao Laif a 1,Qiu Bohua 2,Huang Yalin 2

(1.Schoo l o f Reliability and Sy stems Engineering ,Beij ing U niv er sity of Aero nautics

a nd Astro na utics,Beijing ,100191,China;2.System Engineering Research Institute,

China Sta te Shipbuilding Co rpor atio n,Beijing ,100094,China )

Abstract

:Alo ng w ith the complex ,integ ra ted and intelligent development trend o f equipment systems ,their reliability ,maintainability ,testability ,suppo rtability ,safety and life cy cle co st (LCC )pro blem s a re being paid m ore and mo re a ttentions with the naissance and dev elo pment chance for prog no stics and health ma nagement (PHM )tech nologies.Firstly ,the co nnotatio n,functionalities and a rchitecture of PHM are introduced .Then ,aiming a t the selected ma rine main pro pulsion system ,the preliminary re-search and desig n w o rk fo r a PHM system are given,in terms of architecture and functio nalities.Final-ly ,health ex amina tion module,as a key pa rt o f PHM algo rithm s,is also described a nd designed,includ-ing its w o rking principle ,module elem ents a nd implementatio n pro cess .

Key words :prog nostics a nd health ma nagement (PHM );PHM architecture ;marine main pro pulsio n

system;health examinatio n

　　现代战争的新型作战模式对武器装备的作战

效能以及敏捷、准确和经济的持续保障能力提出了

很高的需求。随着武器装备复杂性、综合化、智能化

程度的不断提高,现役武器装备普遍存在虚警率较

高,能复现率、重测合格率较低等问题。导致其诊断和修复时间过长,测试设备以及计划维修次数过多,使武器装备使用和保障费用大大超过采购成本[1-2]。在该背景下,美国军方提出了面向新一代武器装备(如JSF F-35先进战斗机)的预测与健康状态管理(Prog nostics and health manag em ent,DOI:10.16356/j.1005-2615.2011.s1.045

PHM)技术,并已将PHM作为采购武器系统的一项要求[3]。

PHM代表了一种方法的转变,即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测,反应式的通信转向先导式的3R(即在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动)。PHM的引入是为了了解和预报故障何时可能发生;或在出现始料未及的故障时触发一种简单的维修活动,从而实现自主式保障,降低使用和保障费用[4]。

船舶动力系统为船舶提供各种能量,是船舶的重要组成部分,而且船舶约60%～80%的故障发生在动力装置上[5]。主推进系统是动力系统的重要组成部分,其性能对整船性能和效能的发挥,以及船舶使命任务的达成具有十分重要的影响,因而对船舶动力系统采用PHM技术具有十分重要的意义。本文选择船舶主推进系统中常见的单机单桨型推进系统的关键设备——柴油机、齿轮箱、传动轴和调距桨作为设计构建PHM系统的对象,为后续其他系统的PHM设计以及全船PHM系统的设计提供借鉴作用。

1　PHM介绍

PHM的重点是利用先进的传感器(如涡流传感器、小功率无线综合微型传感器和无线微动力系统M EM S等)的集成,并借助各种算法(如Gabo r 变换、快速傅里叶变换及离散傅里叶变换等)和智能模型(如专家系统、神经网络及模糊逻辑等)来预测、监控和管理武器装备的状态,并根据诊断/预测信息、可用保障资源和装备使用需求对维修活动做出适当的决策[3]。PHM包含下列主要功能:(1)故障检测;(2)故障隔离;(3)故障预测;(4)残余使用寿命预计;(5)部件寿命跟踪;(6)性能降级趋势跟踪;(7)保证期跟踪;(8)故障选择性报告,只通知立即需要驾驶员知道的信息,将其余信息通报给维修人员;(9)辅助决策和资源管理;(10)容错;(11)信息融合和推理机;(12)信息管理,将准确的信息在准确的时间通报给准确的人员[6]。

以典型的F-35的PHM体系结构为例,飞机PHM系统体系结构一般分为三个层次:成员级、区域级、平台级。同样,整个飞机可视为平台级对象;将飞机的主要系统和设备按照功能和任务类别可划分为众多的区域级对象,如机电系统 …… 此处隐藏：5645字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……