基于AMESim的液壓加載系統(tǒng)故障仿真研究

趙俊東，鄭 瑤，張 寧，周立成

(1.中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065； 2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 引 言

結(jié)構(gòu)件強度試驗是飛機設(shè)計與研制過程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。電液伺服系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于調(diào)整控制、易于實現(xiàn)各種加載形式，在強度試驗加載系統(tǒng)中獲得了大量應(yīng)用。但是，液壓系統(tǒng)工作環(huán)境往往存在許多干擾因素，同時隨著元件的老化，系統(tǒng)通常會出現(xiàn)各種故障模式。因此，對液壓系統(tǒng)的故障診斷研究是保障結(jié)構(gòu)強度試驗成功的一個重要研究方向。液壓系統(tǒng)智能故障診斷的研究需要獲得大量的系統(tǒng)運行特性以及故障樣本，然而液壓元件都是比較昂貴的，且液壓系統(tǒng)是連續(xù)運行的，所以直接采用試驗法進行故障模擬是不現(xiàn)實的[2]。

本文基于AMESim系統(tǒng)建模與仿真軟件建立電液伺服加載系統(tǒng)的無損故障模型，結(jié)合故障注入技術(shù)來獲取系統(tǒng)的運行特性及故障樣本，為液壓系統(tǒng)的智能故障診斷技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 液壓伺服加載系統(tǒng)故障機理

本文以某單通道位移控制疲勞加載系統(tǒng)為對象，其基本原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由伺服閥、液壓作動缸、位移傳感器、控制器及一系列輔助元件組成[3]。該系統(tǒng)是一個由機電液綜合組成的系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)的故障模式包括機械設(shè)備中的形變、斷裂、腐蝕、熱應(yīng)力和變形等，以及液壓系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的油液污染、泄漏、氣蝕、液壓卡死、油溫過高、電氣信號失真、噪聲與系統(tǒng)振蕩等。液壓系統(tǒng)的故障具有隱蔽性、多樣性、隨機性和模糊性等特點[4]，增加了系統(tǒng)故障診斷的復(fù)雜性。因此，基于計算機建模技術(shù)對液壓系統(tǒng)進行分析研究是非常必要的。

圖1 位移控制加載系統(tǒng)基本原理

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模

AMESim軟件是一個包含機械、液壓、電氣、自動化等眾多學(xué)科的系統(tǒng)工程設(shè)計平臺，因其具有完整的軟件功能，用戶可以將涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)模型建立在一個設(shè)計開發(fā)平臺上[5]。

通過對系統(tǒng)原理與故障機理的分析，可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)最核心的元件為伺服閥與液壓作動缸，而且二者也是故障易發(fā)且難以發(fā)現(xiàn)的液壓元件，因此直接使用AMESim提供的元件模型不能很好地實現(xiàn)研究目的。本文利用AMESim提供的HCD庫與二次開發(fā)功能來對伺服閥與液壓作動缸進行建模，進而更好地實現(xiàn)對整個系統(tǒng)模型的建立。

3.1 兩級雙噴嘴擋板式電液伺服閥建模

在該位置控制加載系統(tǒng)中使用的是兩級結(jié)構(gòu)的雙噴嘴擋板式電液伺服閥，這種伺服閥主要由永磁式力矩馬達、前置級雙噴嘴擋板閥及功率級四通滑閥組成[6]。其中，永磁式力矩馬達通過電機轉(zhuǎn)換控制雙噴嘴擋板閥實現(xiàn)液壓放大，功率級滑閥閥芯反饋桿與擋板相連，形成反饋回路，來控制油路通斷、方向及流量大小。

(1)永磁式力矩馬達建模

基于對力矩馬達原理與結(jié)構(gòu)的研究，利用AMESim提供的電磁元件搭建永磁式力矩馬達模型，如圖2所示。

圖2 永磁式力矩馬達模型

(2)前置級雙噴嘴擋板閥建模

這部分主要由擋板與噴嘴組成，利用Flexure tube模擬彈簧管和擋板，搭建前置級雙噴嘴擋板閥模型，如圖3所示。

圖3 前置級雙噴嘴擋板閥模型

(3)功率級滑閥建模

基于功率級滑閥的原理，使用AMESim提供的HCD庫搭建其模型，如圖4所示。

圖4 功率級滑閥模型

3.2 液壓作動缸建模

通過對液壓作動缸原理與故障機理的研究[7]，使用AMESim的HCD庫搭建液壓作動缸模型，如圖5所示，其中設(shè)置了泄漏模塊，通過設(shè)置左腔活塞桿直徑為0模擬無桿腔。

圖5 液壓作動缸模型

3.3 位移控制加載液壓系統(tǒng)建模

基于上述核心元件伺服閥和液壓作動缸的模型，結(jié)合系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)整體仿真模型，如圖6所示，模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖6 位移控制加載液壓系統(tǒng)模型

表1 系統(tǒng)模型主要參數(shù)

4 系統(tǒng)故障仿真

該系統(tǒng)為輸入正弦信號的疲勞加載系統(tǒng)，本文基于已建立的系統(tǒng)模型，通過故障注入方法，即通過修改元件參數(shù)等方式，使用AMESim批處理功能，進行系統(tǒng)特性分析與故障仿真，進而獲取故障樣本。

4.1 伺服閥噴嘴堵塞故障仿真

在液壓系統(tǒng)中，近70%的故障由油液污染引起，油液中混入的各種顆粒物極有可能造成液壓元件的堵塞故障[8]。本文以伺服閥中堵塞幾率較高的噴嘴堵塞為例，通過修改噴嘴嘴口直徑來實現(xiàn)故障模擬，結(jié)果如圖7-圖10所示。

圖7 伺服閥閥芯位移

圖8 伺服閥噴嘴流量

圖9 液壓作動缸無桿腔壓力

圖10 系統(tǒng)輸出位移誤差

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)伺服閥噴嘴發(fā)生堵塞時，閥芯位移出現(xiàn)滯后，閥控流量減小，壓力出現(xiàn)波動，系統(tǒng)輸出位移誤差增大。

4.2 液壓作動缸內(nèi)泄漏故障仿真

液壓作動缸在使用過程中由于老化、密封件磨損或嵌入異物等原因，導(dǎo)致液壓缸出現(xiàn)內(nèi)泄漏故障模式[9]，而且內(nèi)泄漏難以發(fā)現(xiàn)，是液壓系統(tǒng)故障診斷的重點。本文通過修改液壓作動缸中泄漏模塊的間隙來模擬內(nèi)泄漏故障，仿真結(jié)果如圖11-圖14所示。

圖11 泄漏模塊流量

圖12 伺服閥閥芯位移

圖13 作動缸無桿腔壓力

圖14 系統(tǒng)輸出位移誤差

通過故障仿真結(jié)果可知，泄漏量增大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)滯后，輸出位移誤差增大，無桿腔壓力出現(xiàn)波動。

除此之外，使用該模型還可以用于分析液壓系統(tǒng)主要元件的運行特性，不同變量如溫度、油液黏度等對系統(tǒng)的影響，以及模擬系統(tǒng)其它故障模式，如伺服閥閥芯磨損、液壓缸摩擦阻力增大[10]、溢流閥堵塞壓力偏小[11]、油液中混入空氣[12]以及傳感器、控制系統(tǒng)故障等。同時，使用AMESim提

供的Continuation run模式可以暫停運行修改模型參數(shù)來模擬系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生的故障，以此來作為故障診斷研究的驗證。

5 結(jié) 論

本文以結(jié)構(gòu)強度試驗中某位移加載液壓系統(tǒng)為研究對象，通過對其原理與結(jié)構(gòu)的研究，使用AMESim仿真軟件分別建立了兩級雙噴嘴擋板式電液伺服閥及液壓作動缸詳細(xì)模型，進而搭建了完整的系統(tǒng)仿真模型。應(yīng)用此模型對液壓系統(tǒng)的常見故障模式進行了模擬，得到了系統(tǒng)在各種故障模式下的運行狀態(tài)與特性，為開展液壓加載系統(tǒng)智能故障方法研究獲取了大量正常狀態(tài)與故障狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

同時，由于該模型能夠較好地反映系統(tǒng)運行特性，因此該模型也可以為系統(tǒng)元件選取、結(jié)構(gòu)改進、控制系統(tǒng)優(yōu)化等提供指導(dǎo)。