基于故障注入的液壓系統(tǒng)發(fā)熱故障仿真與試驗(yàn)

賈春強(qiáng)，楊晰越，夏文龍

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

液壓系統(tǒng)是一個(gè)差異性強(qiáng)，高度非線性系統(tǒng)，工程實(shí)際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜多樣，在其故障診斷過程中，單純依賴檢修人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷只能做到簡單的定性分析，做不到定量分析，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且其診斷的準(zhǔn)確度較低，很難滿足現(xiàn)代

液壓系統(tǒng)的故障診斷要求[1]。因此基于故障注入的虛擬仿真方法能夠有效地再現(xiàn)液壓系統(tǒng)的故障特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜液壓系統(tǒng)的診斷溯源具有積極的意義。

本文以某型50t 塔機(jī)頂升作業(yè)中出現(xiàn)的發(fā)熱故障為例，建立該系統(tǒng)的AMESim 熱流體仿真模型，基于故障樹分析獲得引起該故障的可能故障原因，通過將故障信息注入到塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)的熱流體仿真模型中，獲得虛擬故障條件下的系統(tǒng)壓力與油液溫度，通過與在油缸加載試驗(yàn)臺(tái)獲得的故障系統(tǒng)的壓力與溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，得到引起該塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)發(fā)熱故障的最主要原因，從而使故障得以解決?；诠收献⑷氲囊簤合到y(tǒng)虛擬仿真方法能有效地再現(xiàn)液壓系統(tǒng)真實(shí)的故障特性，可為快速有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜液壓系統(tǒng)的故障診斷提供必要的參考。

1 塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)工作原理及故障分析

1.1 工作原理

本文研究的50t塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)工作原理圖

該液壓系統(tǒng)有頂升、降節(jié)、中位卸荷三段工作過程：換向閥處于左位時(shí)，油液從泵5 經(jīng)過換向閥左位再經(jīng)過限速鎖12 進(jìn)入液壓缸無桿腔，有桿腔內(nèi)油液經(jīng)換向閥左位回油箱，實(shí)現(xiàn)負(fù)載頂升，換向閥處于右位時(shí)，油液從泵5 經(jīng)換向閥右位再經(jīng)過限速鎖12 進(jìn)入液壓缸有桿腔內(nèi)，無桿腔內(nèi)油液回油箱，實(shí)現(xiàn)負(fù)載下降；換向閥處于中位時(shí)，泵5輸出的油液經(jīng)中位直接流回油箱，此時(shí)系統(tǒng)卸荷。重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)塔機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的安裝。

1.2 故障分析

該塔機(jī)頂升系統(tǒng)主要出現(xiàn)的問題是在頂升標(biāo)準(zhǔn)節(jié)過程中，頂升作業(yè)6～7 次工作循環(huán)后，泵站出現(xiàn)發(fā)熱、系統(tǒng)壓力不足、甚至無法進(jìn)行頂升作業(yè)。采用故障樹分析法對(duì)其故障進(jìn)行分析如圖2 和表1。

圖2 塔機(jī)頂升液壓故障樹

表1 故障樹符號(hào)說明

通過故障樹分析結(jié)合塔機(jī)作業(yè)時(shí)具體的故障現(xiàn)象反饋，可得引起該故障的主要原因有：①液壓泵內(nèi)泄漏；②限速鎖存在阻塞；③溢流閥調(diào)定壓力過低。

2 塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

2.1 液壓系統(tǒng)AMESim熱流體模型的建立

本文運(yùn)用LMS Imagine·Lab AMESim 16仿真軟件中的Thermal Hydraulic Component Design 庫對(duì)塔機(jī)液壓頂升系統(tǒng)建立頂升系統(tǒng)熱流體仿真模型，基于上述分析對(duì)液壓泵內(nèi)泄漏、溢流閥調(diào)壓螺釘松動(dòng)和限速鎖存在阻塞分別建立故障注入虛擬仿真模型，泄漏的實(shí)質(zhì)是液體流出孔口或間隙，溢流閥調(diào)壓螺釘松動(dòng)直接導(dǎo)致調(diào)定壓力過低使系統(tǒng)處于溢流狀態(tài)，而阻塞的實(shí)質(zhì)是液體通流直徑減小[2]，因此，本文模擬液壓泵內(nèi)泄漏采用并聯(lián)節(jié)流閥Bhr1 的方法，分別設(shè)置節(jié)流閥口開度為0mm、0·5mm、1·5mm，其中0mm為零泄漏狀態(tài)；模擬溢流閥溢流采用調(diào)節(jié)溢流閥的調(diào)定壓力的方法，分別設(shè)置溢流閥調(diào)定壓力為230bar、240bar、265bar 和300bar，其中調(diào)定壓力為300bar 時(shí)為溢流閥不溢流狀態(tài)；模擬限速鎖阻塞故障采用串聯(lián)節(jié)流閥Bhr2，分別設(shè)置節(jié)流閥口開度為0·5mm、1·8mm、5mm 和10mm，所建立熱流體仿真模型如圖3 所示。

圖3 塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)仿真熱模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

本例中主要參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)流閥Bhr1 的直徑d=0mm，即液壓泵正常工作，不存在泄漏；溢流閥調(diào)定壓力設(shè)置為300bar，即溢流閥處于正常工作狀態(tài)；節(jié)流閥Bhr2 的直徑D=5mm，即限速鎖處于正常工作狀態(tài)，不存在阻塞，其他主要性能參數(shù)見表2。

表2 模型主要性能參數(shù)

2.3 仿真模型可靠性驗(yàn)證

2.3.1 模型仿真分析

為驗(yàn)證上文所建立該頂升液壓系統(tǒng)熱流體仿真模型的可行性，在正常工況下，設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，仿真時(shí)長15 000s，步長為5s，模擬連續(xù)頂升6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，可得油液溫度曲線如圖4 所示。

圖4 油液溫度變化曲線

仿真結(jié)果表明，該塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)在正常工況下連續(xù)頂升6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)后最高溫度為63·64℃，與環(huán)境溫差為43·64℃。

2.3.2 液壓系統(tǒng)熱平衡理論計(jì)算

其中，p1為泵出口壓力；q1為泵出口流量；ηv為泵機(jī)械效率；ηm為泵容積效率；Cp為比熱容；Δpi為過閥壓力損失；Δqi為過閥流量。

將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)代入上式可得正常工況下的熱平衡溫升為ΔTp=42·15℃，將理論計(jì)算與仿真分析結(jié)果對(duì)比可知兩者誤差為3·41%，在誤差允許范圍內(nèi)，故所建立的仿真模型是可行的。

3 基于故障注入的仿真與結(jié)果分析

將液壓泵內(nèi)泄漏故障、溢流閥開啟壓力過低故障、限速鎖存在阻塞故障注入已經(jīng)建立的熱流體仿真模型中，模擬連續(xù)頂升6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，可獲得對(duì)應(yīng)故障條件下的故障特性，為該塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)故障分析奠定基礎(chǔ)。

3.1 液壓泵故障注入分析

采用并聯(lián)節(jié)流閥的方法來模擬液壓泵的內(nèi)泄漏，分別設(shè)置節(jié)流閥口開度為0mm、0·5mm 和1·5mm，其中0mm 為零泄漏狀態(tài)[3]，得到在不同泄漏狀態(tài)下系統(tǒng)溫升特性，分別如圖5 示，仿真結(jié)果表明，隨著液壓泵泄漏量的增加，液壓泵出口壓力變小，液壓泵容積效率降低，導(dǎo)致液壓缸動(dòng)作時(shí)間延長。

圖5 液壓泵不同泄漏下油液溫度變化曲線

3.2 限速鎖故障注入分析

采用串聯(lián)節(jié)流閥的方法來模擬限速鎖阻塞故障分別設(shè)置節(jié)流閥口開度為0·5mm、1·8mm、5mm 和10mm，得到系統(tǒng)油液溫度特性曲線分別如圖6 所示。

圖6 限速鎖不同故障下油液溫度變化曲線

3.3 溢流閥故障分析

采用調(diào)整溢流閥調(diào)定壓力的方法來模擬溢流閥開啟壓力過低故障，當(dāng)溢流閥調(diào)定壓力分別為230bar、240bar、265bar 和300bar 時(shí)，仿 真 得到0～1500s 時(shí)的系統(tǒng)頂升作業(yè)6 個(gè)循環(huán)后油液溫度變化曲線如圖7 所示。

圖7 溢流閥不同調(diào)定壓力下溫度變化曲線

仿真結(jié)果表明，溢流閥開啟壓力的大小直接影響系統(tǒng)的溫升，溢流閥開啟壓力為26·5MPa時(shí)，系統(tǒng)頂升6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)后油液溫度達(dá)到接近90℃，嚴(yán)重超出了正常系統(tǒng)工作溫度，以至于出現(xiàn)頂升無力甚至無法繼續(xù)作業(yè)的現(xiàn)象，當(dāng)溢流閥開啟壓力為30MPa 時(shí)，如圖7 所示，同樣工作6個(gè)循環(huán)后油液溫度在正常范圍內(nèi)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)原理

為重現(xiàn)真實(shí)的故障現(xiàn)象，將已拆下的故障液壓站與油缸加載試驗(yàn)臺(tái)相連，建立如圖8 所示試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖8 頂升液壓系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖

4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用HYDROTECHNIK5060 便攜液壓測試儀進(jìn)行試驗(yàn)操作。

加載油缸往復(fù)工作6 個(gè)循環(huán)，模擬實(shí)際頂升作業(yè)，分別記錄下測點(diǎn)1～測點(diǎn)3 的壓力，利用測溫槍每間隔1 個(gè)工作循環(huán)測量2 次油液溫度，過程如圖9 所示。

圖9 試驗(yàn)過程圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測得系統(tǒng)壓力變化曲線和油溫變化曲線如圖10 和圖11 所示。把該工況下系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)和油溫特性曲線與上文中圖5～圖7 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，仿真結(jié)果曲線比較光滑，主要是因?yàn)榉抡孢^程中沒有考慮各種擾動(dòng)、摩擦和外界環(huán)境等因素，試驗(yàn)結(jié)果曲線與溢流閥故障注入仿真結(jié)果曲線的變化趨勢具有很高的吻合度，說明溢流閥調(diào)定壓力過低是導(dǎo)致該塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)發(fā)熱故障的原因。

圖10 系統(tǒng)壓力變化曲線

圖11 油液溫度變化曲線

5 結(jié)論

1)該塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)泵站發(fā)熱、頂升無力的主要原因是溢流閥調(diào)壓螺釘松動(dòng)導(dǎo)致安全閥調(diào)定壓力降低形成溢流，在塔機(jī)工作現(xiàn)場調(diào)整溢流閥開啟壓力后，故障得以解決。

2)將故障注入技術(shù)應(yīng)用到塔機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷中可以節(jié)省大量的人力、物力并且提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

3)基于故障注入的液壓系統(tǒng)虛擬仿真方法能有效地再現(xiàn)液壓系統(tǒng)真實(shí)的故障特性，可為快速有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜液壓系統(tǒng)的故障診斷提供必要的參考。