基于AMESim的液壓油缸故障模式模擬仿真研究

董朋鵬 陳瑩 朱辰鐘

摘 要：液壓元件的故障模式分析是液壓系統(tǒng)故障診斷研究的基礎工作之一。本文以液壓油缸伸出過程為研究對象，建立了液壓元件的數(shù)學模型，得到了液壓元件的故障模式，并建立了數(shù)學模型參數(shù)變動與液壓元件故障模式之間的關聯(lián)關系?；贏MESim建立了液壓油缸伸出過程的仿真模型，設置了虛擬測點，并完成了液壓油缸回路多種故障模式的模擬仿真，仿真結果可用于故障診斷算法的研究。

關鍵詞：故障診斷 故障模式 液壓油缸 故障模擬 AMESim仿真

中圖分類號：TH137.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（a）-0061-05

故障診斷是液壓系統(tǒng)的研究熱點[1]，在進行液壓系統(tǒng)故障診斷研究時，故障模式分析是研究工作的重點之一。趙秀栩等開展了液壓系統(tǒng)多元件故障模式識別的試驗研究，在少樣本的情況下采用診斷算法進行了多故障模式的識別[2]。蘇凡囤等采用故障樹分析法，對推土機液壓系統(tǒng)典型故障進行了模式分析，求出了故障樹的最小割集[3]。張勇研究了火炮彈藥協(xié)調器液壓系統(tǒng)的故障機理和故障模式，并基于此完成了液壓系統(tǒng)的故障診斷研究[4]。張衛(wèi)兵基于信息融合的方法研究了液壓缸內泄露的特定故障模式，并提出了綜合故障診斷算法[5]。

本文以液壓油缸伸出過程為研究對象，首先建立液壓系統(tǒng)中各主要元件的數(shù)學模型，分析液壓元件的故障模式，得到4種主要故障模式，然后建立數(shù)學模型與故障模式的關聯(lián)關系。最后采用AMESim建立液壓油缸伸出過程的仿真模型，模擬4種故障模式，并得到故障模式下的液壓回路仿真參數(shù)。

1 液壓油缸系統(tǒng)原理圖

液壓油缸是一種常見的液壓執(zhí)行機構，其液壓回路如圖1所示。圖中，電動機和液壓泵為油缸運動提供高壓油，溢流閥用于穩(wěn)定泵出口壓力，減壓閥用于減壓至油缸的合理工作壓力范圍，換向閥用于控制油缸運行方向，液壓鎖用于油缸短時承載鎖止，單向節(jié)流閥用于調節(jié)油缸運動速度，安全閥用于防止油缸工作腔壓力超限，液壓油缸作為末端執(zhí)行器件，驅動機構運動。

2 主要液壓元件數(shù)學模型

液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型中包含了液壓元件的物理參數(shù)，當液壓元件發(fā)生故障時，物理參數(shù)也將發(fā)生變化，進而導致數(shù)學模型的輸出結果發(fā)生變化。因此，可以通過數(shù)學模型判斷系統(tǒng)故障。為了更好地描述系統(tǒng)，對液壓油缸回路中的主要元器件進行數(shù)學建模。

液壓油缸回路中的減壓閥為出口定值減壓閥，其工作原理示意如圖2所示，流經減壓閥的流量可表達為：

（1）

式中，Cd為閥口流量系數(shù)，D1為減壓閥活塞直徑（m）， x1為減壓閥閥芯位移（m），p1為減壓閥入口壓力（Pa），p2為減壓閥出口壓力（Pa），K1為減壓閥泄露系數(shù)（m3/s/Pa），ρ為油液密度（kg/m3）。

電磁換向閥為滑閥閥芯，其工作原理示意如圖3所示，流經電磁換向閥的流量可表達為：

（2）

式中，D2為換向閥活塞直徑（m），x2為換向閥閥芯位移（m），p3為換向閥出口壓力（Pa），K2為換向閥泄露系數(shù)（m3/s/Pa）。

液壓鎖的基本原理為液控單向閥，該閥為錐閥結構，流經該閥的流量可表達為：

（3）

式中，D3為閥芯閥座直徑（m），x3為錐閥閥芯位移（m），α為錐閥半錐角（rad），p4為錐閥出口壓力（Pa）。

單向節(jié)流閥用于調節(jié)油缸運動速度，當節(jié)流閥開度調定后，相當于固定節(jié)流孔，流經該閥的流量可表達為：

（4）

式中，D4為節(jié)流閥等效直徑（m），ρs為節(jié)流閥出口壓力（Pa）。

安全閥在液壓油缸正常工作時，閥芯一般是關閉的，負載超限時，起溢流泄壓作用，其工作原理如圖4所示，過流流量為：

（5）

式中，ds為安全閥閥座直徑（m），xs為安全閥閥芯位移（m），β為錐閥半錐角（rad），ρ6為錐閥入口壓力（Pa）。

液壓油缸伸出時，流入無桿腔的流量可表達為：

（6）

式中，D6為油缸活塞直徑（m），x6為油缸位移（m）， ρ7為無桿腔壓力（Pa），ρs為有桿腔壓力（Pa），K6為油缸內泄露系數(shù)（m3/s/Pa）。

本文中，僅對所有液壓元件的流量方程進行了詳細表述，這是因為液壓油缸回路的大多數(shù)故障都可以通過流量連續(xù)性進行判斷，而且流量公式中涵蓋了液壓回路的所有壓力、流量、元件結構尺寸等信息，可以用于分析故障模式與數(shù)學模型之間的關聯(lián)關系。

3 故障模式分析

液壓油缸系統(tǒng)常見的故障一般為油缸卡滯、油缸內泄漏量大、節(jié)流閥堵塞、電磁換向閥無法換向等。在進行故障模式分析和模擬時，以常見故障為研究對象，得到液壓油缸回路的故障模式如表1所示。

如前所述，液壓元件發(fā)生故障，可以通過流量元件的流量和相關物理參數(shù)進行判斷，故障模式與物理參數(shù)的關聯(lián)關系如表2所示。

4 故障模式模擬仿真模型

液壓系統(tǒng)是一個高度非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)內部的動力傳遞封閉，參數(shù)可測性差。數(shù)學模型只是從一個宏觀的角度來把握故障與模型參數(shù)之間的關聯(lián)，這種關聯(lián)性可以用于故障診斷，但僅依靠該關聯(lián)性得到的故障結果也可能有誤，需要結合實際系統(tǒng)和診斷策略，不斷驗證與修正，才能有較好的故障診斷效果。而驗證和修正診斷策略，需要大量的樣本數(shù)據(jù)支撐。采用實際系統(tǒng)開展測試，不僅成本高，而且周期長。因此，本文建立了故障模式模擬仿真模型，如圖5所示，用于提供各種模式下的故障樣本數(shù)據(jù)。

圖5所示的仿真模型是基于AMESim進行建模的。AMESim是一款多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真平臺，采用AMESim建模的方式研究液壓元件和系統(tǒng)，可以取得了較好的研究效果[6]。

液壓油缸仿真模型的主要參數(shù)如表3所示。

5 故障模式模擬數(shù)據(jù)分析

采用圖5所示的仿真模型，分別對表1所示的4種故障模式進行仿真，獲取仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真測點布置，可以獲取7個測點的數(shù)據(jù)。

故障模式F1為液壓缸油缸卡滯，一般情況下是由油缸承受側向力導致的，此時油缸的負載大于正常工況的負載，該故障模式的模擬數(shù)據(jù)如圖6所示。圖中4條曲線對應4種不同程度的油缸卡滯故障。

故障模式F2為液壓缸內泄露過大，一般情況下是由油缸長期運動磨損導致的，此時油缸運動速度變慢，在額定時間內達不到指定位移，該故障模式的模擬數(shù)據(jù)如圖7所示。圖中4條曲線對應4種不同程度的油缸內泄漏量。

故障模式F3為單向節(jié)流閥節(jié)流孔堵塞，一般情況下是由油液污染導致的，此時流量油缸的油液難以通過節(jié)流孔，該故障模式的模擬數(shù)據(jù)如圖8所示。圖中4條曲線對應4種不同程度的單向節(jié)流閥節(jié)流孔堵塞故障。

故障模式F4為換向閥中位卡滯，一般情況下是由油液污染導致的，此時油液無法通過換向閥進入液壓油缸，該故障模式的模擬數(shù)據(jù)如圖9所示。圖中4條曲線對應4種不同程度的換向閥中位卡滯故障。

6 結語

（1）以液壓油缸回路為例，建立了主要液壓元件的數(shù)學模型，分析了液壓油缸無法伸出的故障模式，并建立了數(shù)學模型中的物理參數(shù)與故障模式之間的關聯(lián)關系。

（2）采用AMESim建立了液壓油缸無法伸出的故障模擬仿真模型，仿真了4中故障模式對應的典型曲線，為故障診斷提供了故障仿真數(shù)據(jù)。

（3）下一步工作可圍繞已有的故障模式仿真數(shù)據(jù)，研發(fā)故障診斷算法，并采用故障仿真數(shù)據(jù)訓練故障診斷策略和診斷算法。

參考文獻

[1] S Vásquez， M Kinnaert， R Pintelon. Active Fault Diagnosis on a Hydraulic Pitch System Based on Frequency-Domain Identification[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2017（99）：1-16.

[2] 趙秀栩，周傳麗，胡喆旻，等.液壓系統(tǒng)多元件故障模式識別試驗研究[J].液壓與氣動，2014（6）：34-38.

[3] 蘇凡囤，袁博，張琦，等.基于FTA的輪式推土機液壓系統(tǒng)故障模式研究[J].中國工程機械學報，2012，10（1）：105-111.

[4] 張勇.某彈藥協(xié)調器液壓系統(tǒng)的故障診斷方法研究[D].南京理工大學，2016.

[5] 張衛(wèi)兵.基于信息融合的液壓缸故障模式識別方法研究[D].武漢理工大學，2012.

[6] 劉昕暉，陳晉市.AMESim仿真技術在液壓系統(tǒng)設計分析中的應用[J].液壓與氣動，2015（11）：1-6.