船舶液压系统流动介质边界层感知点优化布置理论及其状态模型研究

Marine hydraulic systems are characterized by internal power supplies and limited access for sensor measurements. As such, they pose special challenges for state estimation and failure detection. Online condition monitoring, state perception and prediction for marine hydraulic systems are therefore critical for efficient and reliable operation of those systems. Based on the boundary layer state characteristics of hydraulic system, this project focuses on characterizing the relationships of the state parameters between the fluid medium in the boundary layer and the hydraulic system. Through the modeling effort, we will attempt to discover the fundamental relationship between the sensor configuration in the fluid medium in the boundary layer and the detectability of the hydraulic system state. The research will explore the optimal sensor placement of the hydraulic system and develop the state perception model. Finally, the state perception physical model will provide the theoretical foundation for real-time visualization of the state for marine hydraulic systems. The models established in this project will be exploited to develop tools for failure detection and condition monitoring of marine hydraulic systems, dramatically enhancing reliability and intelligence of vessels for which those hydraulic systems are operating.

由于船舶液压系统内部动力传递封闭，参数可测性差，故障信息难以提取，状态感知困难，因此船舶液压系统实时状态监测、系统状态感知和预测问题是船舶液压领域中持续研究并亟待解决的问题。本项目基于液压系统流动介质边界层状态特征，建立流动介质边界层状态参数与液压系统状态参数的耦合关系模型，揭示流动介质边界层传感器布置参数与液压系统状态检测效果之间的理论关系，探索液压系统传感器阵列布置规则，构建液压系统状态感知模型，研制船舶液压系统状态感知实体模型，以实现船舶液压系统远程、实时可视化状态检测与感知。建立船舶液压系统状态感知模型并进行状态感知对提高船舶液压系统的可靠性和船舶智能化水平具有重要意义，为船舶液压系统实时状态监测和故障诊断及智能船舶奠定理论基础。

为解决传统液压系统监测中，不能完全反应系统潜在隐患和系统状态的缺点，并在尽量少地使用传感器种类、数量的前提下，实现液压系统状态监测，并快速的对液压系统的故障进行诊断是十分必要的。.通过探究液压系统状态参数和边界层参数之间的关系，提出了利用管路边界层参数来对液压系统状态进行监测的方法，发现了边界层厚度会随着系统温度的增加而减少，在层流与湍流转折的临界温度下，边界层厚度会随着系统温度增加而突然增大然后慢慢减小，管路近壁面区域的速度梯度的突变极值会随着水份污染等级的增大而增大，边界层压力梯度的突变极值会随着颗粒污染等级的增大而增大，并随着颗粒直径的增加边界层压力梯度的突变极值而增大。通过对液压系统中气泡对边界层动态参数（即边界层速度梯度）的影响进行研究，提出了一种新的液压系统空气污染监测方法，获得了气泡在液压油中流动的流型变化规律，得到了90°弯管对边界层速度梯度的影响规律以及不同直径的气泡对弯管边界层的速度梯度影响规律。以缆松弛补偿器的液压系统为研究对象，进行潜在故障分析，获得所有故障诊断需要的监测点和传感器种类，建立了缆松弛补偿器液压系统的有向图，分析故障传播路径和各元件的故障-监测点的相关性，从而建立“故障-监测点”矩阵模型，基于最大故障诊断信息熵和故障诊断时间的优化，获得了传感器优化布置方案，该传感器布置方案不仅实现了数量上的优化，而且明显缩短故障诊断的时间。.通过对边界层参数与液压系统状态的关系分析，表明它们之间存在密切的关系，研究结果为监测缆松弛补偿器液压系统的状态奠定了基础，优化后的传感器布置具有故障诊断的效果，对缆松弛补偿器液压系统能有状态监测和故障诊断作用。