基于AMESim的液壓啟閉機油缸故障建模與仿真

馬賽平，倪剛亮，汪晟杰

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于AMESim的液壓啟閉機油缸故障建模與仿真

馬賽平1，倪剛亮1，汪晟杰2

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

以某型液壓啟閉機油缸作為研究對象，運用AMESim仿真軟件建立了其液壓系統(tǒng)的仿真模型。通過向仿真模型中引入故障信息，對液壓啟閉機油缸的泄漏故障進行了仿真分析。仿真結(jié)果與實際情況基本吻合，驗證了仿真模型的正確性，并在此基礎(chǔ)上進一步給出了不同泄漏間隙高度影響下的液壓缸泄漏對比曲線，從而為液壓啟閉機液壓缸的設(shè)計優(yōu)化與故障診斷提供了理論依據(jù)。

液壓缸；內(nèi)泄漏； AMEsim軟件；建模與仿真

液壓啟閉機性能的優(yōu)劣直接影響著閘門的運行情況，其對水利工程的安全運行起著關(guān)鍵的作用。據(jù)統(tǒng)計，70%的工程機械故障是由液壓系統(tǒng)故障引起的[2]，然而由于液壓系統(tǒng)封閉、多樣的特點，使得液壓系統(tǒng)的故障難以診斷。液壓缸作為液壓啟閉機的執(zhí)行機構(gòu)，油缸質(zhì)量的好壞往往直接決定著啟閉機性能的優(yōu)劣。因此，對液壓缸進行分析建模，實現(xiàn)對其的故障診斷具有重要的研究及實用價值。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機仿真在機械、液壓等領(lǐng)域獲得了越來越多的工程應(yīng)用。計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠預(yù)測液壓系統(tǒng)性能，有效縮短設(shè)計周期，而且可以對系統(tǒng)進行整體的分析與評估，從而為系統(tǒng)的改進和優(yōu)化提供幫助，最終達到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的目的[3]。通過計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)對液壓缸的故障診斷，對提高液壓啟閉機工作可靠性和安全性具有重要意義。

1 液壓缸的泄漏故障及檢測方法

在實際工程應(yīng)用中，因為液壓缸故障而導(dǎo)致機械系統(tǒng)無法正常運行的情況屢見不鮮。液壓缸的故障基本可以歸納為油缸動作不靈、泄漏以及缸體的損壞，其中由于液壓缸泄漏而引發(fā)的機械故障約占33%[4]。泄漏故障不僅會造成油液損耗和環(huán)境污染，還會導(dǎo)致油溫升高，影響液壓系統(tǒng)的效率和性能。

液壓缸的泄漏故障主要是由間隙、溫升和壓差引起的，按泄漏發(fā)生部位可分為內(nèi)泄漏和外泄漏。外泄漏較易發(fā)現(xiàn)，檢測時通常通過觀察活塞桿及缸體密封處的滲漏情況來判斷。而內(nèi)泄漏則難以觀察，由于液壓缸的封閉式結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)泄漏故障具有一定的隱蔽性。傳統(tǒng)的液壓缸內(nèi)泄漏檢測方法主要分為流量檢測和壓力檢測兩種。流量檢測是通過對液壓缸進油和出油流量的比較實現(xiàn)故障的判斷。而壓力檢測則是通過監(jiān)測液壓缸工作腔壓力是否存在異常下降的情況，從而判斷內(nèi)泄漏故障的發(fā)生?，F(xiàn)行液壓缸試驗的國家及行業(yè)標準中對液壓缸內(nèi)泄漏的試驗項目均采用流量檢測的方法實現(xiàn)。

采用傳統(tǒng)的量杯測量法進行液壓缸內(nèi)泄漏的檢測，測量精確度容易受量杯精度和人為因素的影響。改用高精度流量傳感器，測量液壓缸進油與出油的流量差，雖然能達到較高的測量精度，但也存在著成本增加、安裝不便和影響系統(tǒng)工作性能的缺點。壓力檢測方法雖然不存在上述問題，但容易受到油源壓力脈動以及液壓系統(tǒng)運行過程中液壓沖擊等因素的嚴重干擾[5]。利用計算機仿真技術(shù)進行液壓缸的故障仿真為液壓缸的故障診斷和設(shè)計優(yōu)化提供了一條新途徑，對于液壓系統(tǒng)的可靠性分析和故障診斷具有一定的指導(dǎo)意義。

2 液壓缸的故障建模及仿真

2.1建模仿真軟件AMESim簡介

AMESim軟件是比利時LMS公司的一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，廣泛應(yīng)用于液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析[6]。軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，通過修改模型及其參數(shù)可方便地進行穩(wěn)態(tài)及動態(tài)仿真計算，并分析仿真結(jié)果，非常適合于機械及液壓系統(tǒng)的建模、仿真。AMESim軟件提供了豐富、多樣的模型庫，用戶可以在模型庫中選用合適的模塊來創(chuàng)建對應(yīng)的仿真模型。液壓庫為液壓系統(tǒng)的建模仿真提供了常見液壓元件模塊，當液壓庫提供的元件無法滿足建模需要時，通過液壓元件設(shè)計庫(即HCD庫)可自主搭建液壓元件的精確模型，同時準確考慮液壓元件動態(tài)響應(yīng)和幾何參數(shù)改變對元件性能的影響。

2.2液壓系統(tǒng)分析及建模

“中國特色社會主義文化，源自于中華民族五千多年文明歷史所孕育的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，熔鑄于黨領(lǐng)導(dǎo)人民在革命、建設(shè)、改革中創(chuàng)造的革命文化和社會主義先進文化，植根于中國特色社會主義偉大實踐?！盵2]由此可見，中國特色社會主義文化涵蓋中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、革命文化和社會主義先進文化。

以某型液壓啟閉機液壓缸工作回路作為研究對象，其液壓系統(tǒng)的組成及原理圖如圖1所示。開啟閘門時，來自供油系統(tǒng)的壓力油依次進入換向閥8→單向閥4→液壓缸有桿腔→液壓缸無桿腔→溢流閥10，最后返回油箱，實現(xiàn)閘門的開啟。系統(tǒng)利用閘門的自身重力來完成關(guān)閉動作。當需要關(guān)閉閘門時，電磁方向閥9通電，插裝閥開啟，閘門依靠自重關(guān)閉。在AMESim的草圖模式下，根據(jù)液壓缸工作回路原理，運用液壓庫、液壓元件設(shè)計庫、機械庫和信號庫建立如圖2所示的液壓啟閉機液壓缸工作回路仿真模型。通過引入泄漏模塊并設(shè)置其間隙與接觸長度,可分別模擬液壓缸活塞與缸筒內(nèi)壁間隙的大小和長度，實現(xiàn)對液壓缸內(nèi)泄漏的模擬。

1，7—過濾器；2—變量泵；3—電動機；4，11—單向閥；5—壓力繼電器；6—電磁溢流閥；8，9—電磁換向閥；10，12—溢流閥；13—插裝閥；14—高壓球閥；15—測壓接頭；16—液壓缸

圖2 啟閉機液壓缸工作回路模型

在子模型模式下，參考軟件提供的首選子模型，為搭建好的液壓缸工作回路系統(tǒng)各元件選擇合適的子模型。為了模擬閘門開啟、關(guān)閉時啟閉機液壓缸的工作情況，需要在參數(shù)模式下，根據(jù)實際情況設(shè)定主要元件的參數(shù)。具體設(shè)定情況見表1。最后，進入運行模式，設(shè)置仿真時間、仿真步長和運行方式等運行參數(shù)后，開始仿真。

2.3仿真模型的驗證

為了驗證仿真模型的正確性，模擬閘門啟閉時液壓缸的工作過程，設(shè)置仿真時間為620s，仿真間隔為0.5s，運行類型為單獨運行。運行仿真后，得到液壓缸位移及速度曲線分別如圖3、圖4所示。

表1 啟閉機液壓缸回路元件參數(shù)

圖3 液壓缸位移曲線

圖4 液壓缸速度曲線

由圖3可知，系統(tǒng)運行401.5s后，啟閉機液壓缸完全縮回，閘門打開，電磁換向閥8保持得電狀態(tài)，鎖緊閘門，有效防止閘門的下落。在t=420s時，控制信號改變，電磁換向閥8失電、電磁換向閥9得電，插裝閥13開啟，閘門依靠自重關(guān)閉。位移曲線與啟閉機實際工作情況吻合，證明了利用AMESim搭建啟閉機液壓缸工作回路模型模擬液壓缸實際工作過程的可行性。

單桿活塞式油缸的速度公式如下。

a.有桿腔：

(1)

b.無桿腔：

(2)

式中：v表示速度；q表示流量；D表示活塞直徑；d表示活塞桿直徑；ηV表示容積效率。

根據(jù)表1設(shè)定的參數(shù)，代入速度計算公式(1)可得到閘門開啟時液壓缸活塞的運動速度為0.016 68m/s，與圖4所示運行結(jié)果v=0.016 47m/s基本一致，由于泄漏問題的存在，導(dǎo)致仿真結(jié)果略小于計算值，誤差在允許范圍內(nèi)，從而驗證了該仿真模型的正確性。

3 液壓缸內(nèi)泄漏故障仿真分析

液壓缸內(nèi)泄漏主要發(fā)生在活塞與缸筒壁面間的動密封部分和活塞與活塞桿之間的靜密封部分，由于活塞與活塞桿裝配時留有一定的過盈量,兩者間的密封屬于固定密封，只要設(shè)計合理，加工得當，此處的泄漏完全可以防止。然而，在工作過程中活塞與缸筒壁面常處于相對運動狀態(tài)，使用中的磨損會不斷加大兩者間的間隙，影響密封性能，造成嚴重的內(nèi)泄漏問題。因此，在仿真中忽略了液壓缸活塞與活塞桿間靜密封處的泄漏，通過引入泄漏模塊，設(shè)置液壓缸活塞與壁面間的間隙大小及接觸長度，主要考慮活塞與缸筒內(nèi)壁處的內(nèi)泄漏。

啟閉機液壓缸的內(nèi)泄漏曲線如圖5所示。從圖中可看出，在閘門開啟階段啟閉機液壓缸的內(nèi)泄漏量約為0.3mL/min，當閘門完全開啟后，隨著壓力的升高，曲線出現(xiàn)了少許波動，內(nèi)泄漏量也有所減少；在閘門關(guān)閉階段，油液向與之前相反的方向泄漏。

圖5 液壓缸內(nèi)泄漏曲線

同心環(huán)形間隙流量計算公式為

q=πdh3Δp/12μl

其中:q為泄漏量；d為活塞直徑；h為間隙高度；Δp為壓力差；μ為油液動力粘度；l為活塞長度。根據(jù)公式計算得到的泄漏量約為0.27mL/min，與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了利用軟件模擬液壓缸內(nèi)泄漏故障的可行性。

由公式可知，液壓缸內(nèi)泄漏與間隙高度的3次方成正比關(guān)系，利用AMESim的批運行功能[4]，設(shè)置油液的動力粘度為0.051Pa·s，以泄漏模塊的間隙為控制參數(shù)，仿真得到不同間隙高度條件下，液壓缸內(nèi)泄漏曲線和位移曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同間隙高度液壓缸泄漏曲線

由仿真曲線可知，當油液粘度一定時，不同間隙高度引起的泄漏量也不同，隨著間隙的增大，液壓缸的內(nèi)泄漏越來越嚴重。當泄漏間隙達到0.3mm時，啟閉機的運行受到明顯的影響，由于內(nèi)泄漏故障的存在，閘門的開啟速度顯著降低。

4 結(jié)束語

本文利用AMESim對啟閉機液壓缸進行了仿真研究，在驗證了液壓缸故障仿真可行性的基礎(chǔ)上，通過仿真獲得了不同泄漏間隙條件下的內(nèi)泄漏情況，并將泄漏對液壓缸運行過程的影響進行了量化，為液壓缸的故障檢測和預(yù)防提供了一條新途徑。綜上可知，基于AMESim的液壓缸故障仿真為液壓缸的設(shè)計優(yōu)化和故障診斷提供了有效的依據(jù)，對提高液壓系統(tǒng)可靠性和安全性具有參考價值。

圖7 不同間隙高度液壓缸位移曲線

[1] 寧辰校，張戌社，羅占興．液壓啟閉機同步控制研究[J]．液壓與氣動，2012(12)：57-60.

[2] 王世明．工程機械液壓系統(tǒng)故障監(jiān)測診斷技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]．機床與液壓，2009，37(2)：175-180.

[3] 劉少輝，林少芬，劉國印，等．工程機械液壓系統(tǒng)試驗臺的動態(tài)特性仿真研究[J]．機床與液壓，2009，37(3)：138-140.

[4] 周小軍，姜樂華，高經(jīng)緯．基于AMESim的液壓缸內(nèi)泄漏仿真分析[J]．機床與液壓，2012，40(23)：147-150.

[5] 姜萬錄，周京干，朱勇，等．液壓缸內(nèi)泄漏故障的敏感特征參數(shù)選擇的實驗研究[J]．液壓與氣動，2014(3)：119-124.

[6] 付永領(lǐng)，祁曉野．LMS Imagine. Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

ModelingandsimulationforfaultofhydraulichoistcylinderbasedonAMESim

MA Saiping1, NI Gangliang1, WANG Shengjie2

(1.Yangzhou Jiangdu Yongjian Co., Ltd., Jiangsu Yangzhou, 225200,China)(2.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

Aiming at the hydraulic hoist cylinder, it establishes the simulation model of the hydraulic system based on AMESim software. Injecting fault information into the model, it uses the simulation model to emulate the leakage fault of hydraulic hoist cylinder. Comparing the simulation result with the actual situation, it verifies the correctness of the simulation model. From further simulation analysis, it proposes the leakage contrast curves of the hydraulic cylinder influenced with the leakage gap size. This provides theoretical basis for hydraulic hoist cylinder design optimization and fault diagnosis.

hydraulic cylinder; inner leakage; AMESim software; modeling and simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.006

2014-12-02

江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項目(BA2014130)

馬賽平(1968—)，男，江蘇揚州人，揚州市江都永堅有限公司工程師，主要研究方向為機械與液壓系統(tǒng)設(shè)計。

TH137.5

A

2095-509X(2014)12-0024-04