一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法技术

本发明专利技术提供一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线监测方法，属于柱塞泵状态监测领域，主要包括：(A)获取航空柱塞泵的出口压力信号；(B)实时读取出口压力数据，进行数据预处理；(C)对处理后的出口压力数据进行频谱分析；(D)根据频谱图确定主轴转速；(E)依据主轴转速与压力脉动频率特性计算各频谱峰理论频率；(F)对比柱塞泵理论频率特性与实时频谱图，判断航空柱塞泵系统状态。本发明专利技术基于航空柱塞泵高转速、高功重比、高可靠性的技术背景，通过出口压力脉动信号的频谱特性，建立了一种只需获取出口压力脉动信号即可实现航空柱塞泵在线状态监测的方法，解决了航空柱塞泵在有限传感器下难以进行在线状态监测的难题。器下难以进行在线状态监测的难题。器下难以进行在线状态监测的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法


[0001]本专利技术属于柱塞泵状态监测领域，涉及一种航空柱塞泵在线状态监测方法，具体涉及一种基于出口压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线监测方法。

技术介绍

[0002]轴向柱塞泵具有结构紧凑、转动惯量小、流量大、易于变量控制等优点，是众多液压装备高功率密度动力源最广泛的选择对象，广泛应用于航空航天、特种车辆、海洋船舶等领域。随着飞机液压系统向着高速化、高压化和智能化方向发展，航空柱塞泵的性能和可靠性迎来了严峻的挑战，柱塞泵性能下降、功能失效的情况时有发生。当柱塞泵性能下降时，往往伴随着系统多状态参数的变化，如温度、振动、流量和压力等，不采取合适的维修策略将最终导致其功能失效。但目前国内外航空柱塞泵系统上均未配备在线监测系统，无法获取柱塞泵的实时状态参数，对其性能进行监测，限制了航空柱塞泵的寿命与可靠性。为了实现航空柱塞泵的在线监测，提供合理化视情维修策略，应采取措施建立航空柱塞泵在线状态监测方法，突破现有技术难题，实现柱塞泵的实时在线监测。实际工程中的柱塞泵监测技术，主要采用信号处理的方法进行。但是由于飞机液压系统高可靠性的要求，安装传感器类型及数量有限，无法采集丰富的样本数据进行状态监测。因此，有必要研究一种高效可行的监测方法。
[0003]专利文献CN115392322A(申请号:202211128078.2)公开了一种基于压力脉动相似性的柱塞泵异常检测方法和系统。包括以下步骤：S1：在柱塞泵的出口安装高频响压力传感器，采集柱塞泵出口的压力信号；S2：判断采集的压力信号是否发生有趋势项的变化，若发生变化则采用去趋势算法去掉低频变化的趋势项；S3：对出口压力信号进行异常点去除；S4：对压力传感器的信号进行傅里叶变换，得到压力信号的频谱，判断频谱幅值最高的频率是否为柱塞泵的运动基频或其倍频，若是则判断柱塞泵正常，执行步骤S5～S7，否则输出柱塞泵异常或未能采集到正常的柱塞泵压力脉动信号；S5：对压力信号进行归一化处理；S6：对归一化后的出口压力信号，计算基于压力脉动相似性的柱塞泵健康因子；S7：根据计算得到的健康因子，根据预设阈值判断柱塞泵是否正常。但该方法需通过转速、压力传感器共同获取柱塞泵当前信息，方可展开后续研究，未能充分利用压力脉动本身具有的独特规律。同时，转速较低情况下的柱塞泵性能状态与实际航空柱塞泵的高转速运行工况不符，使用较多的传感器降低了飞机液压系统的可靠性，这些原因均导致该专利中的方法难以实际应用于航空柱塞泵的在线监测系统中。
[0004]本专利技术基于以上问题及航空柱塞泵在线状态监测的实际需求，提出了一种基于压力脉动频率特性的航空柱塞泵在线监测方法，该方法只需要通过获取航空柱塞泵出口压力脉动信号即可完成状态监测任务，且监测效率高、响应快，适用于实时在线监测系统，能够解决飞机液压系统有限传感器问题。在航空柱塞泵的状态监测中，振动信号受机匣影响较大不易采集，流量信号由于采集装置有活动部件无法安装，温度信号为稳态信号不适用于实时监测，而压力传感器体积小重量轻、无活动部件，适用于复杂工况下航空柱塞泵状态信
号的采集。专利技术人通过对压力脉动信号的理论分析与试验研究得知：正常状态下的航空柱塞泵出口压力脉动频谱呈现出明显的规律性，因此，只要通过监测脉动频率这一指标即可完成对航空柱塞泵的状态监测，无需安装额外的传感设备，减轻飞行设备负载的同时提高了状态监测的可靠性。因此，本专利提出了一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线监测方法，从而为航空柱塞泵的智能维护提供理论指导。

技术实现思路

[0005](一)专利技术的目的
[0006]本专利技术的目的是针对航空柱塞泵复杂工况、监测传感器类型受限的问题，根据压力脉动特征频率的规律，提出一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法，为航空柱塞泵的智能维护提供技术支撑。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术的技术方案是：一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线监测方法，包括以下步骤：
[0009](A)获取航空柱塞泵的出口压力信号；
[0010](B)实时读取出口压力数据，进行数据预处理；
[0011](C)对处理后的出口压力数据进行频谱分析；
[0012](D)根据频谱图确定主轴转速；
[0013](E)依据主轴转速与压力脉动频率特性计算柱塞泵出口压力脉动频谱峰理论频率；
[0014](F)对比柱塞泵理论频率特性与实时频谱图，判断航空柱塞泵系统状态；
[0015]步骤(A)中所述的获取航空柱塞泵的出口压力信号方法如下：
[0016]通过对实际航空柱塞泵系统的分析，匹配对应频率范围的高频压力脉动传感器，加装在柱塞泵出口。在额定转速下建立负载压力，当系统保持稳定状态后，使用数据采集系统实时采集航空柱塞泵出口端的压力信号用于后续分析。
[0017]步骤(B)中所述的实时读取出口压力数据，进行数据预处理方法如下：
[0018]利用Python的xlrd工具包读取压力脉动数据，去除离群点和数据异常点，以1秒为时间窗口，计算窗口内数据的均值μ和方差σ，认为采集数据在(μ
‑
3σ,μ+3σ)范围内为正常数据点，对异常数据不采取直接剔除的方式，而是用相邻最近的两个正常数据点的均值进行替换，以保证数据的连续性，随后固定窗口大小并移动窗口，直到遍历整个采集数据，完成数据预处理。
[0019]步骤(C)中所述的对处理后的出口压力数据进行频谱分析方法如下：
[0020]采取滑动窗口的处理方法，对窗口内的压力脉动信号进行离散傅里叶变换并绘制频谱图，随后固定窗口并移动窗口，直到遍历并处理完全部压力脉动数据，保存结果。
[0021]步骤(D)中所述的根据频谱图确定主轴转速方法如下：
[0022]当柱塞泵运行稳定后，选取任一时刻的压力脉动频谱图进行分析，按照频谱峰的频率大小由低到高排列，靠近纵坐标侧第一个频谱峰对应的频率记为f
z
，确定此频率为主轴转速频率，见式(1)。该方法可以实现通过压力脉动频谱规律直接获取柱塞泵转速信息，即第一频谱峰频率等于转速频率。
[0023]f＝f
z (1)
[0024]步骤(E)中所述的依据主轴转速与压力脉动频率特性计算柱塞泵出口压力脉动频谱峰理论频率方法如下：
[0025]基于步骤(D)中确定的柱塞泵主轴转速，给出式(2)，计算频谱图中后续频谱峰理论频率。其中正常状态下，第二个频谱峰(k＝1)为柱塞泵基频，对应物理意义为柱塞泵出口流量倒灌频率，此频率应为转速频率的柱塞数倍。第三个频谱峰及后续频谱峰皆以倍频的形式表现出来，柱塞泵出口压力脉动频谱峰理论频率应满足式(2)。
[0026]f＝z
×
f
z
×
k (2)
[0027]其中，Z为当前柱塞泵的柱塞数，k＝1,2,3
…
[0028]步骤(F)中所述的判断航空柱塞泵系统状态方法如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)获取航空柱塞泵的出口压力信号；(B)实时读取出口压力数据，进行数据预处理；(C)对处理后的出口压力数据进行频谱分析；(D)根据频谱图确定主轴转速；(E)依据主轴转速与压力脉动频率特性计算柱塞泵出口压力脉动频谱峰理论频率；(F)对比柱塞泵理论频率特性与实时频谱图，判断航空柱塞泵系统状态。2.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法，其特征在于：步骤(A)所述的获取航空柱塞泵的出口压力信号方法为：通过对实际航空柱塞泵系统的分析，匹配对应频率范围的高频压力脉动传感器，加装在柱塞泵出口。在额定转速下建立负载压力，当系统保持稳定状态后，使用数据采集系统实时采集航空柱塞泵出口端的压力信号用于后续分析。3.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法，其特征在于：步骤(B)所述的实时读取出口压力数据，进行数据预处理方法为：利用Python的xlrd工具包读取压力脉动数据，去除离群点和数据异常点，以1秒为时间窗口，计算窗口内数据的均值μ和方差σ，认为采集数据在(μ
‑
3σ,μ+3σ)范围内为正常数据点，对异常数据不采取直接剔除的方式，而是用相邻最近的两个正常数据点的均值进行替换，以保证数据的连续性，随后固定窗口大小并移动窗口，直到遍历整个采集数据，完成数据预处理。4.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞泵在线状态监测方法，其特征在于：步骤(C)中所述的对处理后的出口压力数据进行频谱分析方法为：采取滑动窗口的处理方法，对窗口内的压力脉动信号进行离散傅里叶变换并绘制频谱图，随后固定窗口并移动窗口，直到遍历并处理完全部压力脉动数据，保存结果。5.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的航空柱塞...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，李宇鹏，鲁欢欢，黄炳昊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：