大型液壓阻尼器仿真建模及靜動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

孔金震，錢亞鵬，賀 楓，朱翊洲，謝永誠(chéng)，彭志科

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.常州格林電力機(jī)械制造有限公司，江蘇 常州213119；3.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200240）

液壓阻尼器是一種對(duì)速度反應(yīng)靈敏的振動(dòng)控制裝置，其對(duì)速度變化具有敏感性，并且可利用液壓油提供運(yùn)動(dòng)的阻力來消耗外部振動(dòng)和沖擊造成的運(yùn)動(dòng)能量，從而可避免外界過大能量對(duì)設(shè)備造成的破壞，進(jìn)而起到保護(hù)重要裝備的作用。由于液壓阻尼器具有減振和抗沖擊的性能，它被廣泛地使用在核電廠、火電廠等大型工業(yè)環(huán)境中[1]。馮虎田等[2]分析并設(shè)計(jì)了火箭發(fā)射系統(tǒng)插拔機(jī)構(gòu)中所用的液壓阻尼器，以保證火箭發(fā)射過程中的安全性。張歡等[3]研究了液壓阻尼器在反應(yīng)器出料系統(tǒng)中的應(yīng)用。Alan[4]研究了液壓阻尼器在改善鐵路安全和穩(wěn)定方面的應(yīng)用等。

在核電廠中，大型液壓阻尼器用于支撐蒸汽發(fā)生器、主泵等主設(shè)備，并且屬于核安全1 級(jí)設(shè)備，因此，大型液壓阻尼器的正常運(yùn)行對(duì)保證核電廠的安全運(yùn)行有重要意義[5]。國(guó)內(nèi)外大部分對(duì)核電廠大型液壓阻尼器的研究還停留在對(duì)大型液壓阻尼器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用等方面[6-7]。用于國(guó)和一號(hào)和華龍一號(hào)等核島主設(shè)備的大型液壓阻尼器[8]的研發(fā)促進(jìn)了我國(guó)核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。液壓阻尼器性能試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)也取得了一定進(jìn)展[9-10]，這對(duì)阻尼器的性能改進(jìn)有重要意義。在液壓阻尼器的故障模式研究及售后維護(hù)方面，王振久[11]提出了液壓阻尼器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。謝洪虎等[12]對(duì)液壓阻尼器的關(guān)鍵密封件進(jìn)行延壽可行性研究。但總的來說，對(duì)液壓阻尼器故障模式的研究目前仍處在起步階段。一方面是由于核電廠對(duì)于阻尼器的故障診斷研究不夠重視，另一方面是由于阻尼器參數(shù)信息分散在設(shè)計(jì)、調(diào)試、檢修等不同環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)人手中，不完整的數(shù)據(jù)信息增加了對(duì)液壓阻尼器故障診斷研究推進(jìn)的難度。

目前核電廠只能通過定期對(duì)液壓油進(jìn)行檢查和更換來對(duì)阻尼器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，無法實(shí)際判斷運(yùn)行中的阻尼器性能參數(shù)是否仍滿足設(shè)計(jì)要求。阻尼器性能一旦失效就會(huì)引起主設(shè)備動(dòng)態(tài)反應(yīng)的變化，這些影響則會(huì)通過連接的管道傳播，進(jìn)而對(duì)整個(gè)核電廠系統(tǒng)的設(shè)備造成潛在的破壞威脅，給核電廠運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患。由此，有必要開展阻尼器故障診斷技術(shù)研究，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻尼器性能參數(shù)，識(shí)別阻尼器的主要故障模式，開展阻尼器壽命預(yù)測(cè)，為核電廠智能運(yùn)維提供科學(xué)依據(jù)而可減少運(yùn)維成本，提高核電廠的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

大型液壓阻尼器的失效模式主要包括性能失效與密封失效兩種形式。密封失效主要包含由阻尼器密封件老化、零件磨損等引起的內(nèi)泄漏與外泄漏；性能失效包括超極限載荷等導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件斷裂、阻尼孔堵塞及液壓油性能退化。大型液壓阻尼器故障原因、故障模式以及失效模式總結(jié)如圖1所示。本文將借助適用于多學(xué)科領(lǐng)域建模的AMESim(Advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems)軟件建立液壓阻尼器的仿真模型，對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步以泄漏成因造成的密封失效故障為例進(jìn)行模擬并得出阻尼器的監(jiān)測(cè)信號(hào)與工作狀況之間的緊密關(guān)系，為液壓阻尼器故障診斷系統(tǒng)研究及實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與指引。

圖1 大型液壓阻尼器故障原因、故障模式以及失效模式

1 基于AMESim 的液壓阻尼器仿真建模

1.1 AMESim平臺(tái)簡(jiǎn)介

AMESim是一款多學(xué)科綜合的建模與仿真分析軟件，可對(duì)液壓及機(jī)械復(fù)雜系統(tǒng)等進(jìn)行建模、仿真計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等[13]。在建模過程中，它可以將實(shí)際中難以建模的部分，如摩擦、油液特性、氣體特性等考慮在內(nèi)，并可與Matlab等軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析功能強(qiáng)大。該平臺(tái)中的不同模型庫(kù)可協(xié)同使用，各應(yīng)用庫(kù)之間完全兼容，不需要大量的編程即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科交叉建模與仿真。由于這款軟件在多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)建模的優(yōu)勢(shì)突出，已在工程機(jī)械、航空航天、車輛等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[14]。

由于液壓阻尼器既涉及到機(jī)械領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，又與液壓系統(tǒng)密不可分，因此本文所涉及到AMESim 平臺(tái)中的應(yīng)用庫(kù)包括的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)及信號(hào)控制庫(kù)，結(jié)合液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)等對(duì)液壓阻尼器進(jìn)行仿真建模。機(jī)械庫(kù)用于設(shè)計(jì)液壓阻尼器的基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)，HCD用于設(shè)計(jì)液壓阻尼器的特殊結(jié)構(gòu)，液壓庫(kù)用于構(gòu)建液壓相關(guān)的部分。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)物理參數(shù)等，對(duì)液壓阻尼器的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。如調(diào)節(jié)泄漏模塊的直徑間隙等參數(shù)模擬液壓阻尼器的泄漏工況，調(diào)節(jié)阻尼孔的直徑模擬液壓阻尼器阻尼孔的堵塞等。大型液壓阻尼器主要由拉方向阻尼閥、壓方向阻尼閥、主油缸及輔油缸等組成。當(dāng)被支撐設(shè)備受到外界沖擊時(shí)，液壓阻尼器的阻尼閥關(guān)閉，產(chǎn)生阻尼力，此時(shí)阻尼器變成近似剛性的連接元件，以抵抗外界沖擊力，起到減振作用，保護(hù)設(shè)備。

1.2 液壓阻尼器仿真模型建立

大型液壓阻尼器簡(jiǎn)圖及其工作原理示意圖如圖2、圖3所示。本文中，仿真模型主要由液壓阻尼器和液壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)模型兩部分組成。前者是根據(jù)液壓阻尼器的工作原理來構(gòu)建的，模型中各模塊的尺寸參數(shù)依照液壓阻尼器真實(shí)尺寸來設(shè)置；后者是為了模擬真實(shí)情況中的液壓加載，以便于液壓阻尼器的靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的仿真。詳細(xì)模型如圖4所示。圖中模型主要用于靜態(tài)性能仿真，動(dòng)態(tài)性能仿真在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些調(diào)整。阻尼器的重力也被考慮在此部分模型中。

圖2 液壓阻尼器簡(jiǎn)圖

圖3 液壓阻尼器工作原理示意圖

由圖2可知，液壓阻尼器部分用于模擬液壓阻尼器本體，由無桿腔、有桿腔、活塞、拉向阻尼閥、壓向阻尼閥等元件組成。由此，圖4的模型中建立了阻尼器缸體（1、2）、閥芯小孔（3）、彈簧（4）、閥芯（5）等。其中，阻尼器缸體采用BAP12 子模型，閥芯部分采用BAP35子模型，閥芯小孔采用BHORF0子模型，閥芯質(zhì)量采用MAS005 帶阻力和限位質(zhì)量的模型，彈簧采用BAP016 模型。液壓加載系統(tǒng)模型的作用是模擬液壓阻尼器在實(shí)際工況下所受的外部載荷情況。主要包括加載液壓缸（6）、換向閥（7）、溢流閥（8）、單向閥（9）、液壓源（10）等部分。加載液壓缸采用HJ001 雙出桿結(jié)構(gòu)模型，換向閥采用三位四通換向閥模型，用于控制加載液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向。

圖4 液壓阻尼器AMESim仿真模型建模

1.3 模型參數(shù)及環(huán)境參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)及尺寸，相應(yīng)設(shè)置仿真模型中各參數(shù)。模型中重要元件的部分初始參數(shù)如表1所示，以壓向阻尼閥參數(shù)為例。元件編號(hào)與圖4中的編號(hào)相對(duì)應(yīng)。（未列出的參數(shù)取軟件模塊中默認(rèn)值。）

表1 阻尼器元件參數(shù)列表

依據(jù)液壓阻尼器實(shí)際工作條件及經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置環(huán)境參數(shù)（液壓油特性參數(shù)等）。其中，油液溫度設(shè)置為25°C，油液密度設(shè)為1 072.4 kg/m3，絕對(duì)黏度設(shè)為214.91 cP。在此模型中，重力加速度取9.806 65 m/s2。（未列出的其他參數(shù)取默認(rèn)值。）

2 仿真模型驗(yàn)證及故障模擬

仿真模型建立完畢后，為了驗(yàn)證模型的正確性與可靠性，對(duì)液壓阻尼器的性能試驗(yàn)進(jìn)行仿真[9-10]。將仿真得到的結(jié)果與格林提供的外推阻尼器試驗(yàn)報(bào)告中的結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證模型的正確性。由于現(xiàn)實(shí)中運(yùn)行過程存在著不可避免的摩擦阻力、元件之間存在加工誤差等無法控制的情況，軟件仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況允許有一定的差別。

2.1 動(dòng)、靜態(tài)性能試驗(yàn)仿真

2.1.1 靜態(tài)性能試驗(yàn)仿真

參考液壓阻尼器生產(chǎn)廠家格林公司提供的外推阻尼器試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)設(shè)置，對(duì)主要的靜態(tài)性能試驗(yàn)（閉鎖速度試驗(yàn)）進(jìn)行仿真。室溫下，使阻尼器活塞由低速運(yùn)動(dòng)，逐漸增大運(yùn)動(dòng)速度，觀察阻尼器活塞速度的變化及載荷的變化情況。調(diào)整仿真模型中液壓加載系統(tǒng)模型部分的參數(shù)，使其輸入為5 000 kN。得到如圖5所示的仿真結(jié)果，圖中展示出了活塞桿速度及載荷隨時(shí)間的變化情況。

圖5 靜態(tài)性能仿真結(jié)果

由圖5可以看出，在外界加載下，活塞速度逐漸增大，當(dāng)其到達(dá)一定值后會(huì)急劇下降，此時(shí)對(duì)應(yīng)阻尼器的閉鎖過程，其速度峰值即為阻尼器的閉鎖速度。當(dāng)阻尼器發(fā)生閉鎖后，載荷的值也到升至5 000 kN附近，同時(shí)還存在一定的閉鎖后速度。與阻尼器的實(shí)際靜態(tài)性能試驗(yàn)曲線對(duì)比，仿真曲線的走勢(shì)及特征與其相似，因此可初步從靜態(tài)性能的角度確定模型的準(zhǔn)確性。

2.1.2 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)仿真

參考液壓阻尼器生產(chǎn)廠家格林公司提供的外推阻尼器試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)設(shè)置，對(duì)主要的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)進(jìn)行仿真。室溫下，對(duì)阻尼器輸入不同載荷、頻率的正弦信號(hào)，觀察阻尼器活塞的位移及載荷，得到位移-載荷的關(guān)系圖，并分析其特征。對(duì)仿真模型進(jìn)行一些調(diào)整，可直接對(duì)阻尼器輸入正弦力，調(diào)整其參數(shù)，此處以頻率1 Hz、幅值為5 000 kN的正弦輸入為例展示仿真結(jié)果。得到如圖6所示的仿真結(jié)果，圖中展示了活塞桿的位移及其載荷隨時(shí)間的變化情況。

圖6 動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果

由圖6可以看出，活塞桿的位移與載荷是同相位變化的。進(jìn)一步分析，得到如圖7所示的力-位移曲線，可以得出阻尼器有剛度特性的結(jié)論，通過計(jì)算得知其平均剛度值為2 019 kN/mm。與阻尼器的實(shí)際靜態(tài)性能試驗(yàn)曲線對(duì)比，仿真曲線的走勢(shì)及特征與其相似，因此可初步從動(dòng)態(tài)性能的角度確定模型的準(zhǔn)確性。

圖7 力-位移曲線

2.1.3 性能試驗(yàn)仿真小結(jié)

由上述仿真，阻尼器仿真模型的動(dòng)態(tài)性能及靜態(tài)性能都與真實(shí)情況的試驗(yàn)結(jié)果相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性，同時(shí)也對(duì)阻尼器的各項(xiàng)特性有了更加深入的理解，為故障模擬等工作打下基礎(chǔ)。

2.2 仿真模型的故障模擬

在驗(yàn)證了仿真模型的可靠性后，進(jìn)行阻尼器的故障模擬試驗(yàn)的仿真。主要包含阻尼器的內(nèi)泄漏故障、外泄漏故障以及堵塞故障的模擬。此處以內(nèi)泄漏故障為例來介紹。在AMESim軟件中的泄漏模塊中，對(duì)參數(shù)直徑間隙進(jìn)行調(diào)整，可進(jìn)行阻尼器內(nèi)泄漏故障的模擬。將參數(shù)直徑間隙由小調(diào)大，閉鎖速度上升，閉鎖后速度上升，載荷下降。即需要更大的外界速度輸入才能使阻尼器閉鎖，而且閉鎖后的阻尼力也相應(yīng)變小。

3 監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器工作狀態(tài)邏輯關(guān)系

圖8 液壓阻尼器工作原理圖及本試驗(yàn)方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

本研究采用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖8所示。監(jiān)測(cè)量包含有桿腔和無桿腔的壓力P1、P2，活塞桿的位移S，阻尼器溫度T等。

根據(jù)仿真結(jié)果，通過定性分析，探究在阻尼器不同的工作狀態(tài)下監(jiān)測(cè)信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。在本研究中考慮四種不同的阻尼器工況，包括：正常工況、存在外泄漏工況、存在內(nèi)泄漏工況、存在阻尼閥堵塞工況。關(guān)于阻尼器的正常工作模式，結(jié)合被支撐設(shè)備的運(yùn)行工況，有以下四種：熱位移模式、靜止模式、偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式。以監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器正常工作狀態(tài)的邏輯關(guān)系作為一個(gè)參照，總結(jié)如表2。

3.1 存在外泄漏工況

外泄漏會(huì)導(dǎo)致阻尼器儲(chǔ)油箱油量減少，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工作腔缺油。除外泄漏導(dǎo)致阻尼器儲(chǔ)油量減少外，阻尼器長(zhǎng)期工作及其工作模式也會(huì)使儲(chǔ)油量減少。根據(jù)儲(chǔ)油量損耗對(duì)該故障模式進(jìn)行以下分級(jí)：輕微（指儲(chǔ)油量下降最初值的20 %或以下）、一般（指儲(chǔ)油量下降最初值的20%～60%）、嚴(yán)重（指儲(chǔ)油量下降最初值的60%～90%）、失效（指儲(chǔ)油量下降最初值的90 %以上；全部消耗時(shí)背壓會(huì)突然消失）。監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在外泄漏工況的邏輯關(guān)系如表3所示。

可以得出，阻尼器存在外泄漏的工況下，背壓會(huì)下降，隨故障級(jí)別的上升，背壓下降的趨勢(shì)增大，活塞桿速度只有在發(fā)生失效、處于偶發(fā)沖擊及持續(xù)振動(dòng)時(shí)才會(huì)有增大的趨勢(shì)，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。

表2 監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器正常工作狀態(tài)的邏輯關(guān)系

表3 監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在外泄漏工況的邏輯關(guān)系

3.2 存在內(nèi)泄漏工況

內(nèi)泄漏是指阻尼閥閉鎖后，活塞兩邊的液壓油除了通過預(yù)先設(shè)定的溢流通道流動(dòng)外，還可通過其他部位流動(dòng)的工況。該故障模式僅影響整機(jī)性能中旁路速度（使變大）及動(dòng)態(tài)剛度（使變?。┲笜?biāo)（極其嚴(yán)重時(shí)可能影響閉鎖速度，但幾乎不可能出現(xiàn)，不予研究對(duì)策）。

本項(xiàng)目將該故障模式劃分為以下兩個(gè)級(jí)別：一般（旁路速度大于出廠測(cè)試值且達(dá)到規(guī)范書要求上限值的90%）、嚴(yán)重（旁路速度大于規(guī)范書要求上限值）。監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在內(nèi)泄漏工況的邏輯關(guān)系如表4所示?？梢缘贸?，存在內(nèi)泄漏的工況下，當(dāng)系統(tǒng)處于偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式的工作模式時(shí)，活塞桿的速度及位移相對(duì)于正常狀態(tài)略大，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。

3.3 存在阻尼閥堵塞工況

阻尼閥堵塞工況是指阻尼閥組（由單向閥+溢流閥構(gòu)成）遭到異物堵塞從而改變阻尼特性的工況。異物可能是裝配前清洗未徹底的機(jī)加殘留物或長(zhǎng)期運(yùn)行過程產(chǎn)生的磨損粉末等。前者導(dǎo)致單向閥堵塞（顆粒長(zhǎng)度大于單向閥）或溢流閥的堵塞；后者堆積可能導(dǎo)致溢流閥的堵塞。單向閥堵塞將使閉鎖速度變小，溢流閥堵塞將使旁路速度變小。本項(xiàng)目將該故障模式劃分為以下兩個(gè)級(jí)別：一般（閉鎖速度或旁路速度達(dá)到出廠測(cè)試值的60%，或達(dá)到規(guī)范書要求下限值的1.1倍）、嚴(yán)重（閉鎖速度或旁路速度小于規(guī)范書要求下限值）。監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在阻尼閥堵塞工況的邏輯關(guān)系如表5所示。可以得出，存在阻尼閥堵塞的工況下，當(dāng)系統(tǒng)處于偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式的工作模式時(shí)，活塞桿的速度及位移相對(duì)于正常狀態(tài)略小，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。

表4 監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在內(nèi)泄漏工況的邏輯關(guān)系

表5 監(jiān)測(cè)信號(hào)與阻尼器存在阻尼閥堵塞工況的邏輯關(guān)系

4 結(jié)語

本文針對(duì)大型液壓阻尼器的故障模式，利用多學(xué)科綜合的建模仿真軟件AMESim平臺(tái)對(duì)大型液壓阻尼器進(jìn)行建模，通過液壓阻尼器和液壓加載試驗(yàn)系統(tǒng)兩部分仿真模型來模擬阻尼器的真實(shí)工作狀態(tài)，并對(duì)模型進(jìn)行了動(dòng)、靜態(tài)性能試驗(yàn)仿真，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性與可靠性。通過調(diào)節(jié)仿真模型的參數(shù)，如泄漏模塊的直徑間隙等對(duì)仿真模型進(jìn)行故障模擬并分析。最后，結(jié)合被支撐設(shè)備的四種運(yùn)行工作模式（熱位移模式、靜止模式、偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式），對(duì)阻尼器在正常工況、存在外泄漏工況、存在內(nèi)泄漏工況、存在阻尼閥堵塞工況四種不同工況下監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行定性分析，得出其中的邏輯關(guān)系。存在外泄漏的工況下，背壓會(huì)下降，隨故障級(jí)別的上升，背壓下降的趨勢(shì)增大，活塞桿速度只有在發(fā)生失效、處于偶發(fā)沖擊及持續(xù)振動(dòng)時(shí)才會(huì)有增大的趨勢(shì)，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。存在內(nèi)泄漏的工況下，當(dāng)系統(tǒng)處于偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式的工作模式時(shí)，活塞桿的速度及位移相對(duì)于正常狀態(tài)略大，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。存在阻尼閥堵塞的工況下，當(dāng)系統(tǒng)處于偶發(fā)沖擊模式、振動(dòng)模式的工作模式時(shí)，活塞桿的速度及位移相對(duì)于正常狀態(tài)略小，其他指標(biāo)與正常狀態(tài)無異。本文的研究可為液壓阻尼器進(jìn)一步故障模式研究及故障診斷系統(tǒng)研究打下良好的理論基礎(chǔ)。