基于AMESim的柱塞泵內(nèi)泄漏故障注入研究

尚澤譯，龍　江

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢，618307)

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基于AMESim的柱塞泵內(nèi)泄漏故障注入研究

尚澤譯，龍江

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢，618307)

摘要：在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中構(gòu)建軸向斜盤式壓力補(bǔ)償柱塞泵模型，根據(jù)故障注入思想，通過(guò)分析柱塞泵內(nèi)泄漏故障成因，將AMESim中的泄漏子模型BAF02的直徑方向間隙作為影響柱塞泵內(nèi)泄漏的主要參數(shù)。通過(guò)增大該徑向間隙，模擬柱塞泵因磨損而引起的活塞與缸體間隙增大，從而給柱塞泵模型注入內(nèi)泄漏故障。運(yùn)行仿真后，得到不同徑向間隙值對(duì)柱塞泵輸出壓力和輸出流量的影響情況。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作為柱塞泵泄漏故障識(shí)別的數(shù)據(jù)源，研究方法為柱塞泵的故障注入探索提供了參考。

關(guān)鍵詞：柱塞泵；內(nèi)泄漏；故障注入；AMESim仿真

航空液壓設(shè)備故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)隨著人工智能技術(shù)、高性能傳感器、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)的發(fā)展有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。故障診斷與預(yù)測(cè)需要基于故障數(shù)據(jù)，然而，某些元件的故障數(shù)據(jù)樣本很有限。為了獲得故障數(shù)據(jù)，給研究對(duì)象引入故障，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或仿真，獲得故障數(shù)據(jù)樣本以開(kāi)展故障診斷研究已成為一種行之有效的方法。

柱塞泵是液壓系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況惡劣，輸出特性要求較高的核心元件，是固液耦合、剛?cè)狁詈献饔玫姆蔷€性壓力元件。液壓泵、馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中最容易損壞的元件，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，液壓故障60%以上是由液壓泵、馬達(dá)引起的[1-2]。柱塞泵結(jié)構(gòu)形式多樣，故障特征量和很多中間環(huán)節(jié)信息難以提取，而且液壓系統(tǒng)故障多因素耦合和傳遞路徑復(fù)雜，單純采用信號(hào)處理方法往往難以有效溯源，存在故障機(jī)理不清、智能診斷系統(tǒng)薄弱和辨識(shí)方法不足等問(wèn)題[3]。

本文針對(duì)柱塞泵內(nèi)泄漏故障，在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中建立壓力補(bǔ)償柱塞泵仿真模型，通過(guò)研究柱塞泵內(nèi)泄漏的主要原因，給仿真模型注入由柱塞泵與缸體徑向間隙增大而引起的內(nèi)泄漏故障。運(yùn)行仿真后，對(duì)比合理間隙的柱塞泵與增大間隙的柱塞泵輸出壓力與流量的不同，實(shí)現(xiàn)了柱塞泵的內(nèi)泄漏故障模擬，為柱塞泵故障診斷與預(yù)測(cè)提供故障樣本。文中所提出的方法能夠較為精確地模擬柱塞泵內(nèi)泄漏故障，相較于柱塞泵物理故障注入，具有故障易于控制，獲得故障樣本成本低、代價(jià)小的優(yōu)點(diǎn)。

1柱塞泵模型建立

飛機(jī)的液壓系統(tǒng)是個(gè)多余度、高壓大功率的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，主要由多套(2-3套)彼此獨(dú)立但又相互備份的液壓系統(tǒng)構(gòu)成。每套液壓系統(tǒng)由液壓能源系統(tǒng)及其對(duì)應(yīng)的不同液壓用戶系統(tǒng)組成。能源系統(tǒng)包括油箱增壓系統(tǒng)、泵源系統(tǒng)以及備份能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等；用戶系統(tǒng)則主要包括飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及反推力系統(tǒng)等[4]。柱塞泵作為大型運(yùn)輸飛機(jī)液壓泵源系統(tǒng)的重要組成部件，在航空領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。隨著航空航天、裝備制造、工程機(jī)械等對(duì)液壓系統(tǒng)大流量、高轉(zhuǎn)速、高壓力的需求，柱塞泵朝著高速化、高壓化、低噪聲和長(zhǎng)壽命的發(fā)展，使得柱塞泵結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。

1.1柱塞泵工作特點(diǎn)分析

柱塞泵一般包含5～9個(gè)柱塞，柱塞球頭與滑靴通過(guò)球鉸副連接，柱塞與缸體隨著主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，在柱塞腔內(nèi)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的柱塞腔容積改變來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞泵的吸油和排油。柱塞副的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，除了柱塞沿著柱塞腔的平動(dòng)和與缸體一起繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，還包括柱塞在柱塞腔內(nèi)受到壓力油膜支撐時(shí)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。柱塞泵主軸的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為柱塞的高速平動(dòng)，引起柱塞和缸體間的高速摩擦，在粘性摩擦力的作用下，柱塞還會(huì)繞自身中心進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于柱塞副存在一定間隙，柱塞在柱塞腔內(nèi)還有輕微的擺動(dòng)[5]。

在柱塞泵工作過(guò)程中，柱塞受力也是多維耦合。受到的作用力有：作用在柱塞底部的液壓力、斜盤通過(guò)滑靴作用到柱塞上的力、柱塞與缸體間的油膜壓力、柱塞與缸體間的摩擦力、柱塞繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力以及自身的重力等[6]。

1.2軸向壓力補(bǔ)償泵關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)

作為柱塞泵的重要類別，斜盤式壓力補(bǔ)償柱塞泵因?yàn)檩敵鰤毫Ψ€(wěn)定，廣泛應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域，將其作為研究對(duì)象比較有代表性。圖1為5柱塞軸向壓力補(bǔ)償泵[7]的內(nèi)部組成示意圖。

1—斜盤轉(zhuǎn)角調(diào)整活塞 2—滑靴 3—配流盤 4—柱塞

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，在AMESim仿真軟件中建立一個(gè)9柱塞軸向斜盤式壓力補(bǔ)償泵。柱塞泵的關(guān)鍵組成包括：缸體、柱塞、配流盤、斜盤、斜盤轉(zhuǎn)角調(diào)整活塞、滑靴、傳動(dòng)軸等。柱塞是柱塞泵的核心功能元件，采用AMESim軟件Hydraulic Component Design液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD庫(kù))中的BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模型組合構(gòu)成。BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模如圖2和圖3所示。

圖2　BAP12活塞子模型

圖3　BAF02泄漏子模

子模型的箭頭方向?yàn)樾盘?hào)正向，由該子模型計(jì)算的外部變量是它的輸出，用其他子模型計(jì)算的外部變量是它的輸入。紅色箭頭表示輸入量，綠色箭頭表示輸出量。BAP12活塞子模型有3個(gè)端口，端口1輸入壓力信號(hào)，輸出流量和體積。端口2輸入力，輸出位移和速度，端口3輸入位移和速度，輸出力信號(hào)。所以BAP12的端口1連接液壓管路，端口2、3連接力源、速度源或位移源。其他類型的子模型端口情況與此相似，只是輸入輸出量不同。

在AMESim的建模中，將柱塞泵轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用子模型RL04代替，涉及的阻力用阻尼器子模型RSD00代替。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用子模型RL04和阻尼器子模型RSD00如圖4和圖5所示。

圖4RL04轉(zhuǎn)動(dòng)慣量子模型圖5RSD00阻尼器子模型運(yùn)用斜盤柱塞連接器子模型SWASH_PISTON_MECH705連接柱塞與斜盤，運(yùn)用斜盤控制子模型SWASH_ACT_701連接斜盤與轉(zhuǎn)角調(diào)整活塞，采用彈簧活塞子模型BAP015模擬斜盤復(fù)位彈簧，配流盤子模型為SC_VALVE_PLATE702[8]。

1.3柱塞泵仿真模型設(shè)計(jì)

將建立的單個(gè)柱塞模型，與配流模型和斜盤柱塞連接器模型連接，定義為超級(jí)組件，然后通過(guò)與各個(gè)接口連接，建立整個(gè)柱塞泵的液壓模型。在HCD庫(kù)中選擇相應(yīng)子模型創(chuàng)建控制閥模型，將斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用RL04子模型代替，斜盤阻力用MCCL_0AA子模型代替，考慮液壓油的壓力動(dòng)態(tài)特性，在液壓管路中加入液壓腔體BHC11子模型，建立的9柱塞軸向壓力補(bǔ)償柱塞泵如圖6所示。

圖6軸向斜盤式壓力補(bǔ)償柱塞泵

2內(nèi)泄漏故障注入

2.1故障注入概述

故障注入是指在分析研究對(duì)象故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，選擇某種故障，將其有意識(shí)地引入到研究對(duì)象，加速研究對(duì)象產(chǎn)生錯(cuò)誤或發(fā)生失效，造成研究對(duì)象出現(xiàn)施加的故障。并在此過(guò)程中，記錄分析研究對(duì)象的輸出信號(hào)，構(gòu)建輸出信號(hào)與注入故障間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，觀測(cè)研究對(duì)象的故障行為，評(píng)價(jià)對(duì)象的故障表現(xiàn)，獲得對(duì)象的可靠性和容錯(cuò)性評(píng)測(cè)結(jié)果。

按所注入的故障類型，可分為軟件故障注入和硬件故障注入兩類。按故障注入的實(shí)現(xiàn)方法，可分為模擬實(shí)現(xiàn)、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件實(shí)現(xiàn)、重離子輻射誘發(fā)、電源干擾影響和激光實(shí)現(xiàn)的故障注入等[9]。故障注入技術(shù)主要集中應(yīng)用于電路的失效分析和容錯(cuò)設(shè)計(jì)，測(cè)評(píng)軟件和應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性以及驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容錯(cuò)評(píng)估和安全防護(hù)[10]，應(yīng)用在柱塞泵故障分析中很少。因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的多樣性，以及柱塞泵的非線性、耦合性，針對(duì)柱塞泵的故障診斷表現(xiàn)出很強(qiáng)的模糊性，需要大量的故障數(shù)據(jù)樣本。

面對(duì)柱塞泵故障數(shù)據(jù)樣本較少，多故障混合的情況，研究人員提出了硬件故障注入方法，例如，人為拉大球頭滑靴副游隙[11]、添加齒面磨損等方法。很多硬件故障注入屬于破壞性試驗(yàn)，存在試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而故障軟件注入模擬仿真的方法則可以以很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)。在準(zhǔn)確仿真模型基礎(chǔ)上的故障仿真能為診斷模型提供大量的訓(xùn)練樣本，因此對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行基于仿真方法的故障注入具有重要意義。

2.2柱塞泵內(nèi)泄漏故障機(jī)理分析

柱塞泵內(nèi)部有幾個(gè)重要的摩擦副，分別是：在缸體和柱塞間實(shí)現(xiàn)柱塞往復(fù)吸油和排油運(yùn)動(dòng)的柱塞副，在缸體和配流盤之間實(shí)現(xiàn)吸油和排油的配流副，在斜盤和滑靴之間把主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的直線運(yùn)動(dòng)的滑靴副，在柱塞球頭和滑靴之間的球鉸副。柱塞和缸體之間存在壓力油膜，包括動(dòng)力潤(rùn)滑油膜和間隙油膜。動(dòng)力潤(rùn)滑油膜支撐柱塞，改善潤(rùn)滑條件，對(duì)柱塞泵起到積極的作用。但是間隙油膜使得柱塞泵產(chǎn)生泄漏[12]，隨著柱塞與缸體因?yàn)楦咚倌Σ炼a(chǎn)生磨損，引起柱塞副間隙增大，使得柱塞泵內(nèi)泄漏增加，進(jìn)一步降低柱塞泵的容積效率。

基于柱塞泵內(nèi)泄漏故障機(jī)理分析，提出仿真實(shí)驗(yàn)的思路：將柱塞副徑向間隙作為研究對(duì)象，在柱塞泵仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)逐步增大該徑向間隙，考察柱塞泵輸出壓力與輸出流量的脈動(dòng)，根據(jù)輸出參數(shù)變化情況反應(yīng)柱塞副徑向間隙增大引起的柱塞泵內(nèi)泄漏故障。本文采取在仿真狀態(tài)中注入故障，屬于軟件故障注入的模擬實(shí)現(xiàn)。

3柱塞泵內(nèi)泄漏模擬仿真實(shí)驗(yàn)

在構(gòu)建的軸向壓力補(bǔ)償泵仿真模型中，柱塞由活塞子模型BAP12和泄漏子模型BAF02組合構(gòu)成。因?yàn)榛钊幽Ｐ驮诮Y(jié)構(gòu)上沒(méi)有間隙，將柱塞副的徑向間隙轉(zhuǎn)化為泄漏子模型BAF02的徑向間隙，這樣轉(zhuǎn)化是基于AMESim建模特點(diǎn)，符合柱塞副由于間隙增大而造成泄漏增加的實(shí)際。

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

圖7　全局變量

仿真參數(shù)主要包括各個(gè)子模型的尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量、彈性系數(shù)、剛度等，在AMESim中通過(guò)全局變量和局部變量定義。柱塞泵模型全局變量設(shè)置如圖7所示，主要局部參數(shù)如表1所示。

表1　主要局部參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)用流通面積可調(diào)節(jié)流閥模擬負(fù)載，節(jié)流閥通流面積通過(guò)輸入信號(hào)控制。輸入信號(hào)和通流面積如圖8和圖9所示。

圖8　輸入信號(hào)

圖9　節(jié)流閥通流面積

仿真實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用AMESim批運(yùn)行功能，可以對(duì)參數(shù)的多個(gè)值進(jìn)行仿真。將泄漏子模型BAF02徑向間隙值pclear分別設(shè)置為0.005、0.055、0.105、0.155、0.205mm，其中pclear=0.005是柱塞副正常間隙值，其余4個(gè)則模擬柱塞副磨損導(dǎo)致間隙增大的數(shù)值。

3.2模擬仿真

仿真方式選擇批運(yùn)行模式，仿真時(shí)間為1s，打印間隔0.001s。仿真完成后，繪制不同徑向間隙值對(duì)柱塞泵輸出流量的影響，如圖10所示。

圖10　柱塞泵輸出流量—時(shí)間

輸出流量與輸入信號(hào)的變化情況大體一致，隨著泄漏子模型徑向間隙的增大，柱塞泵輸出流量出現(xiàn)波動(dòng)，并且間隙越大，波動(dòng)越劇烈。當(dāng)柱塞副間隙由正常值pclear=0.005mm增大0.05mm后，輸出流量的變化很小；當(dāng)間隙增大0.1mm后，輸出流量出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，pclear>0.055mm的流量數(shù)據(jù)可以作為柱塞泵內(nèi)泄漏故障數(shù)據(jù)樣本。對(duì)徑向間隙pclear增大0.05mm后輸出流量的微小變化可以理解為，在設(shè)定的仿真條件下，該柱塞泵對(duì)柱塞副徑向間隙增大的耐受值為0.05mm。當(dāng)柱塞副徑向間隙繼續(xù)增大時(shí)，柱塞泵就會(huì)出現(xiàn)明顯的流量波動(dòng)。這個(gè)結(jié)論對(duì)柱塞泵設(shè)計(jì)與使用維護(hù)很重要，通過(guò)建模仿真可以找到柱塞泵對(duì)引起內(nèi)泄漏的柱塞副徑向間隙的耐受臨界值，柱塞泵的使用壽命就是直到當(dāng)柱塞副徑向間隙不超過(guò)0.055mm的使用時(shí)間，而維護(hù)工作的主要目的就是盡可能延遲柱塞副出現(xiàn)超過(guò)0.055mm的間隙。

將需要輸出仿真結(jié)果的變量拖動(dòng)到“觀察變量窗口欄Watch Variables”，把結(jié)果文件輸出到指定路徑的CSV文件，即可得到故障數(shù)據(jù)樣本，該CSV文件可以用Excel打開(kāi)，作為內(nèi)泄漏故障診斷數(shù)據(jù)樣本，如表2所示。

表2　內(nèi)泄漏故障流量數(shù)據(jù)(部分)

繪制不同徑向間隙值對(duì)柱塞泵輸出壓力和斜盤傾角影響，如圖11和圖12所示。

圖11　柱塞泵輸出壓力—時(shí)間

圖12　斜盤傾角—時(shí)間

當(dāng)柱塞副泄漏子模型徑向間隙pclear<0.055mm時(shí)，輸出壓力平穩(wěn)，柱塞泵工作正常。pclear>0.055mm時(shí)，壓力出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，且隨著間隙的增大而增大，柱塞泵出現(xiàn)內(nèi)泄漏故障，壓力數(shù)據(jù)可以作為柱塞泵內(nèi)泄漏故障數(shù)據(jù)。按照輸出流量故障數(shù)據(jù)樣本的輸出方法得到輸出壓力故障數(shù)據(jù)樣本。

與柱塞泵輸出流量和輸出壓力的變化情況一致，斜盤傾角也是柱塞副徑向間隙pclear>0.055mm后，傾角波動(dòng)逐漸加劇，表現(xiàn)出內(nèi)泄漏故障。綜上所述，通過(guò)軟件仿真人為增大柱塞副徑向間隙，模擬柱塞副磨損產(chǎn)生內(nèi)泄漏，可以實(shí)現(xiàn)柱塞泵內(nèi)泄漏故障注入。

4結(jié)論

本文建立了軸向壓力補(bǔ)償泵的仿真模型，分析了造成柱塞泵內(nèi)泄漏故障的機(jī)理和主要影響參數(shù)，獲得了柱塞泵內(nèi)泄漏故障仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，得到的結(jié)論主要有：(1)可以通過(guò)AMSEim泄漏子模型徑向間隙代替柱塞泵的柱塞副徑向間隙，建立柱塞泵仿真模型。(2)通過(guò)調(diào)整柱塞泵仿真模型中的泄漏子模型徑向間隙可以快速、低成本的得到柱塞泵模擬內(nèi)泄漏故障數(shù)據(jù)樣本。(3)柱塞泵輸出流量和輸出壓力波動(dòng)正比于柱塞副徑向間隙。柱塞泵對(duì)內(nèi)泄漏故障具有一定的耐受能力，只有當(dāng)柱塞副徑向間隙超過(guò)某一值后，柱塞泵才表現(xiàn)出故障，可以通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)找到這個(gè)耐受臨界值的近似值。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：東艷]

Internal Leakage Fault Injection Research on Piston Pump Based on AMESim

SHANGZe-yi,LONGJiang

(School of Aviation Engineering,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Abstract：A pressure compensated axial swash plate piston pump simulation model was built in AMESim software.According to the fault injection thought,the radial clearance of AMESim leakage sub model BAF02 was taken as a prime parameter after the analysis of the cause of the pump leakage fault.The leakage fault was injected to the pump by enlarging the radial clearance, which could imitate the increase of clearance caused by abrasion between the piston and cylinder.After the operation of the simulation,the influence of different radial clearance values on the output pressure and flow rate of the pump was obtained.The simulation experimental data can be used as the data source of identification leakage fault of the piston pump.The research method provided a reference for the fault injection of piston pump.

Key words：piston pump;internal leakage;fault injection;AMESim simulation

中圖分類號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)01-0024-06

作者簡(jiǎn)介：尚澤譯(1987-)，男，四川汶川人，碩士研究生，從事航空液壓油泵故障診斷與預(yù)測(cè)、模式識(shí)別研究。

基金項(xiàng)目：四川省教育廳科研重點(diǎn)項(xiàng)目(16ZA0020)；中國(guó)民航飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(X2014-15)

收稿日期：2015-12-10