基于AMESim舉高消防車調(diào)平液壓系統(tǒng)故障仿真

魏蘇杰 王 欣 徐志升 程凱華 李 強

1大連理工大學機械工程學院 大連 116024 2大連船舶重工集團裝備制造有限公司 大連 116024

3泰安航天特種車有限公司 泰安 271000

0 前言

百米級舉高消防車是一種在市政搶修和消防救援等場合常用的工程機械，為減少火災保證人民財產(chǎn)安全，其可靠性優(yōu)劣尤為重要[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，工程機械故障中有80%是由液壓系統(tǒng)故障引起的，實際的液壓系統(tǒng)是復雜的非線性系統(tǒng)，故障產(chǎn)生的原因是相互關聯(lián)的，主要表現(xiàn)為震動、噪聲或活塞桿動作緩慢等，僅依靠人為觀察診斷故障的位置和原因，周期長且準確性差[4]。因此，提出建立智能液壓故障預測系統(tǒng)，但現(xiàn)存在的問題是故障數(shù)據(jù)不足，通過搭建試驗平臺來獲取精確的數(shù)據(jù)樣本，會消耗大量時間、人力和物力。為此，提出采用實驗虛擬化的辦法進行故障仿真來獲取故障數(shù)據(jù)。

近年來，很多學者研究液壓系統(tǒng)故障仿真，但大多數(shù)主要集中在對系統(tǒng)某一種故障的仿真分析。汪宇亮[5]根據(jù)液壓缸泄漏故障機理研究建立基于AMESim液壓缸泄漏故障的模型與仿真；趙鵬等[6]采用AMESim軟件構建齒輪泵泄漏故障模型，并將故障仿真數(shù)據(jù)用于故障預測；謝沅辰等[7]通過對飛機襟翼液壓系統(tǒng)作故障分析與仿真，得到不同故障形式下的故障樣本數(shù)據(jù)；王如等[8]進行了AMESim液壓支架液壓系統(tǒng)泄漏故障仿真研究。本文對舉高消防車調(diào)平液壓系統(tǒng)中幾種典型故障進行仿真與分析，并進行了液壓系統(tǒng)故障特征、故障樣本及故障矩陣的整理，為智能液壓故障預測系統(tǒng)的建立提供故障數(shù)據(jù)。

舉高消防車的液壓系統(tǒng)主要由支腿液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、臂架起升變幅液壓系統(tǒng)和調(diào)平液壓系統(tǒng)構成。其中作業(yè)平臺需要載人工作，對調(diào)平機構有較高的可靠性要求。因此，主要以調(diào)平液壓系統(tǒng)為研究對象，分析其工作原理及常見故障，并建立其各種故障下的AMESim仿真模型，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障動態(tài)仿真。

1 調(diào)平系統(tǒng)工作原理與故障分析

舉高消防車調(diào)平液壓系統(tǒng)由液壓泵、蓄能器、平衡閥、液壓缸、手動換向閥、差壓順序閥等部件組成，其主要功能是用于保證載人工作平臺始終與地面保持水平，調(diào)平液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)從油源液壓泵出發(fā)到執(zhí)行元件液壓缸有3條液壓回路，其一是由液壓泵14、差壓順序閥12、電磁換向閥8、梭閥7、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，該液壓回路為調(diào)節(jié)平臺角度的主液壓回路；其二是由液壓泵14、二位二通閥11、二位四通閥10、三位四通電磁閥9、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，該液壓回路為常閉狀態(tài)，是液壓備用回路，在主液壓回路出現(xiàn)故障時，才開始工作，用于調(diào)節(jié)平臺角度；其三是由蓄能器2、手動液壓泵3、手動換向閥4、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，用于緊急制動或補油，即在出現(xiàn)緊急狀態(tài)或漏油時，啟動的液壓回路。由此可見，該液壓系統(tǒng)為冗余設計，這樣充分保證了消防工作人員的安全。

圖1 調(diào)平液壓系統(tǒng)原理圖

采用主液壓回路和備用液壓回路，保障了人身安全，但大大增加了前期投資成本和后期維護費用。對比而言，若采用智能液壓故障預測系統(tǒng)，可以通過檢測液壓系統(tǒng)流量、壓力和位移等的變化，判斷出故障可能發(fā)生位置和時間，便于維修人員提前檢查和維修，不僅減少前期投資成本和后期維護費用，而且大大減少安全事故的發(fā)生，保證人身安全。

調(diào)平液壓系統(tǒng)主液壓回路中，油液從主液壓泵14流出，流經(jīng)單向閥13、電磁換向閥8和平衡閥5，流入調(diào)平液壓缸6，帶動活塞桿移動。當電磁換向閥8處于左位時，油液進入液壓缸無桿腔側，活塞桿伸出；當電磁換向閥8處于右位時，油液進入液壓缸有桿腔側，活塞桿縮回。液壓系統(tǒng)中元件故障統(tǒng)計，如表1所示，液壓泵主要故障為內(nèi)泄漏，表現(xiàn)為油泵過熱或泵出口流量不足和壓力不足；液壓缸的典型故障為液壓缸內(nèi)泄漏，主要表現(xiàn)為活塞桿不能動、動力不足或速度達不到規(guī)定值；換向閥的典型故障為閥芯卡滯，表現(xiàn)為液壓缸進油口壓力不足；平衡閥回油不通，主要是溢流閥卡住造成的；泵出口壓力增大，可能是安全閥卡住造成的；還有其他的輔件造成的系統(tǒng)問題。接下來主要對調(diào)平液壓系統(tǒng)中液壓泵內(nèi)泄漏、液壓缸內(nèi)泄漏、換向閥卡滯、平衡閥卡滯、安全閥卡滯故障進行建模與仿真分析。

表1 主要元件故障統(tǒng)計

2 調(diào)平系統(tǒng)故障仿真模型

采用AMESim軟件構建的調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示，包括油源模塊、主進油路模塊、備用進油路模塊、平衡閥模塊和負載模塊。由于主液壓回路運用頻繁易損壞，僅對主液壓回路進行故障注入與仿真分析。

圖2 調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真模型

液壓系統(tǒng)故障主要是由最基本的元件故障直接或間接引起的。因此，首先分析各元件的故障現(xiàn)象，及故障注入模型的搭建，其次將這些故障模型依次加入調(diào)平液壓系統(tǒng)主液壓回路的仿真模型中，最后根據(jù)仿真結果，提取每個元件不同損壞程度的故障數(shù)據(jù)。

2.1 液壓泵泄漏故障模型

由表1可知，液壓泵油液中混入空氣，可通過泵是否有噪聲人為判斷，在此不再進行考慮。僅考慮液壓泵內(nèi)泄漏故障，主要表現(xiàn)為油泵過熱或泵出口流量壓力不足。為了模擬液壓泵內(nèi)泄漏故障，將液壓泵并聯(lián)一個節(jié)流閥，圖3為液壓泵故障注入模型。通過改變節(jié)流閥孔徑大小，來模擬液壓泵不同程度泄漏狀況，液壓泵泄漏故障由小到大分別選取節(jié)流閥孔徑為0.000 1 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm、0.55 mm。

圖3 液壓泵故障注入模型

2.2 液壓缸內(nèi)泄漏故障模型

從表1可知，液壓缸活塞桿不能動作或動作無力，速度達不到規(guī)定要求等常見故障現(xiàn)象，均是由于液壓缸內(nèi)泄漏造成的。為了模擬液壓缸內(nèi)泄漏故障，利用AMESim中的HCD庫搭建液壓缸內(nèi)泄漏故障注入模型，如圖4所示。通過液阻模擬液壓缸內(nèi)泄，端口1、2進行液壓油的流量交換，端口3、4的速度決定運動方向。液壓缸發(fā)生內(nèi)泄漏時，一部分液壓油會流經(jīng)液阻直接進入另一腔室，活塞桿動作無力，為模擬不同程度內(nèi)泄漏，液阻間隙依次設置為0、0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm。

圖4 液壓缸故障注入模型

2.3 換向閥卡滯故障模型

換向閥卡滯，導致閥芯運動不到位，開口變小。對于仿真中的換向閥模型，設飽和電流的值為A,換向閥的開口X，輸入信號為I，則換向閥的開口大小D為

通過改變輸入電流信號的大小，可對相應換向閥閥芯卡滯導致開口不足的故障形式，將信號設置為40、36、32、28、24模擬仿真開口度為100%、90%、80%、70%、60%的情況。

2.4 平衡閥和安全閥卡滯故障模型

平衡閥中溢流閥卡滯導致液壓缸無法回油，液壓系統(tǒng)壓力增大，長時間造成液壓缸及系統(tǒng)其他元件損壞，引發(fā)安全事故。同理，如果安全閥卡滯故障，造成液壓泵出口壓力增加，長時間液壓泵損壞。如圖5所示，通過在溢流閥出口增設節(jié)流閥來模擬，閥卡滯故障，利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小來模擬不同溢流閥卡滯故障情況。平衡閥故障中節(jié)流口開口由大到小依次為5 mm、1 mm、0.85 mm、0.5 mm和0.35 mm，安全閥故障中節(jié)流口開口由小到大依次為5 mm、1 mm、0.5 mm、0.3 mm和0.1mm，模擬閥芯卡滯程度，設定5 mm為節(jié)流口開口最大位置。

圖5 溢流閥卡滯故障注入模型

3 仿真結果分析

將液壓缸泄漏、液壓泵泄漏、換向閥卡滯、平衡閥、安全閥卡滯故障，依次注入調(diào)平系統(tǒng)主液壓回路中，利用AMESim軟件進行仿真分析。調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)設置如表2所示，假設液壓系統(tǒng)油液不被污染，液壓系統(tǒng)不出現(xiàn)堵塞故障，液壓系統(tǒng)油溫保持在一定范圍內(nèi)。模擬液壓缸、液壓泵、平衡閥、安全閥故障仿真時，保證換向閥右位完全打開；模擬換向閥卡滯情況時，其他部件均為正常。

表2 調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 液壓泵泄漏故障

液壓泵泄漏故障注入調(diào)平主液壓回路中，曲線如圖6所示。從仿真曲線可知，隨著泄漏直徑增加，泵泄漏量增大，泵出口壓力、流量及活塞桿伸出速度逐漸減小。在泄漏直徑大于0.4 mm之后，泵出口壓力、流量及活塞桿伸出速度下降速度突然增加，根據(jù)曲線斜率不難看出變量對泄漏量敏感度遞增排序為壓力、速度、流量。3個變量可作為檢測泵泄漏的故障特征，故在泵出口位置增設流量、壓力傳感器，在活塞桿上增設速度傳感器，通過數(shù)據(jù)變化，來檢測是否發(fā)生泵泄漏故障。

圖6 泵泄漏故障仿真曲線

3.2 液壓缸泄漏故障

液壓缸長時間使用活塞磨損，形成環(huán)形縫隙造成內(nèi)泄漏，由于內(nèi)泄漏隱蔽性較強，很難肉眼發(fā)現(xiàn)。仿真設置液阻間隙為0、0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm，液壓缸內(nèi)泄漏故障仿真如圖7所示。仿真結果看出，隨著活塞磨損增大，泄漏量增加，液壓缸進口壓力、流量減小，活塞桿速度減小，平臺調(diào)平時間增長。在磨損直徑增加到0.03 mm后，液壓缸進口壓力、流量，活塞桿速度變化增大，根據(jù)曲線斜率不難看出變量對泄漏量敏感度遞增排序為速度、壓力、流量。液壓缸出口壓力、流量及活塞桿速度可作為故障特征，在相應位置增設傳感器，來監(jiān)測液壓缸的健康狀態(tài)。

圖7 液壓缸內(nèi)泄漏故障仿真曲線

3.3 換向閥故障

換向閥卡滯故障，將開口度由大到小依次設置為100%、90%、80%、70%、60%，故障仿真曲線如圖8所示。隨著換向閥開口逐漸變小，換向閥出口壓力和活塞桿速度降低明顯，可作為故障特征，壓力信號最為敏感。在換向閥出口位置增設壓力傳感器，通過壓力傳感和速度傳感器信號，檢測換向閥是否出現(xiàn)故障。

圖8 換向閥卡滯故障仿真曲線

3.4 平衡閥和安全閥故障

平衡閥與安全閥故障是溢流閥卡滯或堵塞造成流量減小。平衡閥故障中節(jié)流閥開口由大變小，仿真曲線如圖9所示，在開口為20%～100%之間時，有桿腔壓力、流量和活塞桿速度變化不明顯，當開口度小于20%時，有桿腔壓力突增，有桿腔流量和活塞桿速度突降，故此時平衡閥開始逐漸失效。在有桿腔處設置流量壓力傳感器。

圖9 平衡閥卡滯故障仿真曲線

安全閥故障中節(jié)流口由大到小，仿真曲線如圖10所示，隨著開口變小輸入流量增加，在開口小于10%時，活塞桿出現(xiàn)失速現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力異常增高，造成整個液壓系統(tǒng)損壞，引發(fā)安全事故。系統(tǒng)壓力可以作為安全閥故障特征。表3為安全閥故障數(shù)據(jù)。

表3 安全閥故障數(shù)據(jù)

圖10 安全閥卡滯故障仿真曲線

3.5 故障特征和故障樣本

故障特征矩陣如表4所示，表中流量、壓力和速度均由設置的傳感器測得。Ps為系統(tǒng)壓力；qs為系統(tǒng)流量；Pd為換向閥出口壓力；P1為液壓缸無桿腔壓力；q1為液壓缸無桿腔流量；P2為液壓缸有桿腔壓力；q2為液壓缸有桿腔流量；v為活塞桿速度。

表4 調(diào)平主液壓回路故障特征矩陣

故障仿真的數(shù)據(jù)以表5的形式進行統(tǒng)計，作為監(jiān)督學習故障樣本，為智能故障預測系統(tǒng)的搭建提供樣本數(shù)據(jù)。

表5 部分故障樣本

4 結論

總結了液壓系統(tǒng)中常見的故障，包括液壓泵、液壓缸、換向閥、溢流閥故障，并根據(jù)元件故障原理在AMESim中建立各個故障模型，并注入調(diào)平主液壓回路進行故障仿真分析。利用AMESim軟件建立調(diào)平液壓系統(tǒng)的故障模型能夠較好地模擬液壓系統(tǒng)的實際故障狀態(tài)，不需要耗費人力、物力搭建試驗平臺，就可以獲取液壓系統(tǒng)幾種典型故障模式的故障特征和故障數(shù)據(jù)。

以舉高消防車調(diào)平液壓系統(tǒng)故障仿真為例，為復雜液壓系統(tǒng)故障研究數(shù)據(jù)的獲取提供了新思路。后續(xù)將通過試驗來驗證仿真結果的合理性。