三峽升船機防撞緩沖液壓系統部件內泄漏故障仿真分析

于升飛，朱漢華，周文希，任泓吉，鄭 煜

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

三峽升船機是船舶快速通過三峽大壩的重要通道，通航速度是三峽雙線五級船閘的4.5倍，船舶進入船廂過壩時，可能由于操作失誤或船舶失控等因素對升船機的船廂前后端門造成破壞，因此保護升船機的船廂前后端門顯得十分重要[1]。三峽升船機防撞緩沖系統通過緩沖液壓系統減緩船舶撞擊船廂上鋼絲繩的沖擊能量，實現對船廂的保護。在防撞緩沖液壓系統的運行和維護工作中發現，其部件內泄漏具有故障率高、危害性強、診斷維修難等特點，因而獲取其內泄漏故障影響規律并進一步實現故障診斷是液壓系統故障研究的難點和重點[2-3]。在內泄漏故障研究方面，Kang-Youl Bae等[4]利用CFD的方法，通過改變溫度和節流孔直徑進行了液壓執行器泄漏相關性的數值研究。Inagum[5]通過實驗方法研究了工作壓力、泵速和油溫等對液壓泵泄漏流量特性的影響，并提出了計算泄漏流量的數學模型。Zhao[6]等通過臺架試驗模擬了液壓缸的不同泄漏水平，收集了液壓缸的進出口壓力信號和位移信號，找到了可以預測液壓缸早期泄漏的故障特征。豐世林[7]利用AMESim軟件搭建了某型運輸機地面擾流板內漏故障仿真模型，分析了內漏間隙、負載和液壓壓力對擾流板作動筒內漏的影響。馬萬鵬等[8]利用ADAMS和EASY5軟件建立了某火箭炮高低隨動液壓系統虛擬樣機模型，完成了液壓泵泄漏故障對系統性能的影響。米雙山等[9]采用AMESim軟件搭建了液壓頂升系統模型，得到了液壓缸內泄漏與配合間隙之間的聯系。

1 工作原理及部件內泄漏原因

1.1 工作原理

防撞緩沖液壓系統由電液換向閥、液控單向閥、單向節流閥、緩沖油缸、高位油箱等部件組成，其主要功能是當船舶撞擊防撞裝置的鋼絲繩后，液壓系統緩沖油缸的壓力增大，當壓力達到溢流閥設定的溢流壓力時，溢流閥開啟，船舶的動能轉化為熱能，從而起到緩沖制動的作用，建立的該系統AMESim仿真模型示意圖如圖1所示。鋼絲繩預拉伸時，來自供油系統的壓力油進入電液換向閥→液控單向閥→單向節流閥→液壓缸有桿腔；因為液壓缸有桿腔進油，推動活塞作用，使液壓油從液壓缸無桿腔→單向節流閥→液控單向閥→電液換向閥，返回油箱，制動油缸活塞縮回，進行鋼絲繩預拉伸動作。鋼絲繩釋放時，來自供油系統的壓力油進入電液換向閥→液控單向閥→單向節流閥→液壓缸無桿腔；因為液壓缸無桿腔進油，推動活塞作用，使液壓油從液壓缸有桿腔→單向節流閥→液控單向閥→電液換向閥，返回油箱，緩沖油缸活塞桿伸出，進行鋼絲繩釋放動作。船舶碰撞鋼絲繩時，鋼絲繩由于彈性被拉長，緩沖油缸活塞桿從油缸中被拉出，使得油缸有桿腔的壓力增大。在油缸的有桿腔一側設置了3個不同溢流壓力的溢流閥，隨著船舶撞擊鋼絲繩作用力的增大，3個溢流閥相繼被打開，從而能夠實現相對平穩的緩沖制動。

1-電液換向閥；2-液控單向閥；3-單向節流閥；4-高位油箱；5-單向閥；6-緩沖油缸；7-鋼絲繩受力信號源；8-溢流閥圖1 AMESim仿真模型示意圖

1.2 部件內泄漏故障原因

三峽升船機防撞緩沖液壓系統發生內泄漏故障主要出現在緩沖油缸、電液換向閥2個部件。緩沖油缸出現內泄漏的主要原因是活塞與缸壁之間的動密封部分由于磨損導致間隙增大[10]。電液換向閥的內泄漏出現在閥芯與閥體的配合間隙，也屬于圓環縫隙泄漏[11]，故緩沖油缸與電液換向閥的內泄漏量可以用相同的計算原理進行闡述，本文以緩沖油缸為例說明內泄漏的產生機理，內泄漏示意圖如圖2所示。發生內泄漏時，右邊的高壓油通過活塞與缸壁之間間隙漏到右邊。內泄漏量計算如下。

圖2 緩沖油缸內泄漏示意圖

1)同心圓柱間隙。如果活塞與缸壁之間的密封件損壞或失效，則會形成同心圓柱環形間隙，內泄漏量計算公式可表示為[12]：

(1)

式中，Q為內泄漏量；h為間隙量；l為間隙配合長度；d為配合副名義直徑；η為油液動力黏度；Δp為配合副兩端壓差。

2)偏心圓柱間隙。如果活塞上的密封圈發生偏磨，或者實際加工裝配過程中存在偏心情況，就會使活塞與缸壁之間形成偏心圓柱環形間隙，如圖3所示[13]，圖中dc表示偏心時直徑上的間隙高度，ecc表示偏移量。

圖3 液壓緩沖缸的偏心圓柱間隙內泄漏示意圖

(2)

(3)

式中，ε為相對偏心率。

2 部件內泄漏故障仿真

2.1 緩沖液壓系統的參數

為模擬實際船舶撞擊鋼絲繩，緩沖液壓油缸進行緩沖制動的工作過程，按實際情況設置主要參數如表1所示。

表1 防撞緩沖液壓系統主要參數

2.2 緩沖油缸內泄漏

2.2.1 仿真模型

為定量研究不同參數對緩沖油缸內泄漏的影響，采用AMESim軟件的HCD設計和二次組裝技術[14-15]，以防撞緩沖系統實際所用的雙作用單活塞液壓缸作為研究對象，利用AMESim軟件機械庫中SD0000和HCD元件設計庫的BAP11、BAP12、BAF01、BHC11搭建液壓缸模型替代HJ020液壓缸模型，在草圖模式下搭建的緩沖油缸內泄漏系統仿真模型示意圖如圖4所示。

圖4 緩沖油缸內泄漏系統仿真模型示意圖

2.2.2 仿真分析

選定間隙量、偏心量、油液黏度作為研究參數，對其產生的內泄漏進行分析。仿真時長設置為1 s，仿真步長設置為0.01 s。緩沖油缸活塞桿受力信號源設置為-8.526×105N，鋼絲繩處于拉伸狀態。因系統所用液壓油為美孚N46#超凡無灰液壓油(40 ℃下運動黏度為46 mm2/s，密度為860 kg/m3)，故將動力黏度設置為39.56×10-3Pa·s。

1)不同內漏間隙下的內泄漏分析。在其他參數保持不變的情況下，設置偏心量為0，間隙量分別設置為0.05 mm、0.06 mm、0.07 mm、0.08 mm和0.09 mm，利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量和活塞的位移距離變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同間隙量下緩沖油缸內泄漏量曲線

由圖5知，液壓油黏度和偏心量一定時，隨著活塞與缸壁之間間隙量的增加，緩沖油缸的內泄漏量逐步增加，泄漏量增加的幅度也加大。間隙量內取值范圍在0.05～0.09 mm之間，在穩態響應下，內泄漏量變化為0.713～4.160 L/min，可見間隙量對內泄漏量的影響較大。

圖6 不同間隙量下緩沖油缸活塞位移距離曲線

由圖6知，隨著間隙量的增加，液壓活塞的位移距離也會增加，且間隙量越大，位移距離趨于穩定值的時間就越長。

2)不同偏心量下的內泄漏分析。在其他參數保持不變的情況下，設置間隙量為0.06 mm，偏心量分別設置為0、0.010 mm、0.015 mm、0.020 mm和0.025 mm，利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量和活塞的位移距離變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 不同偏心量下緩沖油缸內泄漏量曲線

液壓油黏度和間隙量一定時，偏心量增大，偏心率增大，緩沖油缸的內泄漏量逐步增大；偏心量在0～0.025 mm之間，偏心率在0～0.83之間，在穩態響應下，內泄漏量保持在1.296～2.268 L/min，浮動范圍不大。

圖8 不同偏心量下緩沖油缸活塞位移距離曲線

液壓油黏度和間隙量一定時，偏心量增大，偏心率增大，緩沖油缸的位移距離逐步增大；偏心量在0～0.025 mm之間，偏心率在0～0.83之間，在穩態響應下，位移距離保持在12.95～13.23 mm，浮動范圍較小。

3)不同油液黏度下的內泄漏分析。根據液壓油型號分別選取22#、32#、46#、68#和100#5種不同黏度的液壓油，在其他參數保持不變的情況下，設置偏心量為0，間隙量為0.06 mm，油液黏度分別設置為22 mm2/s、32 mm2/s、46 mm2/s、68 mm2/s和100 mm2/s,利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量和活塞的位移距離變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 不同油液黏度下緩沖油缸內泄漏量曲線

由圖9知，隨著液壓油黏度的增大，緩沖油缸內泄漏量逐漸減小，且減小的速率在變緩；在穩態響應下，5種不同型號的液壓油泄漏量為0.566～2.575 L/min，可見液壓油黏度對內泄漏量的影響程度比偏心率較大，但沒有間隙量的影響顯著。

圖10 不同油液黏度緩沖油缸活塞位移距離曲線

由圖10知，緩沖油缸活塞位移距離與油液黏度成反比關系，油液黏度越高，活塞的位移距離越小，且黏度越高，位移距離變化的程度越小，趨于穩定所需的時間越短。

2.3 電液換向閥內泄漏

2.3.1 仿真模型

為定量研究不同參數對電液換向閥內泄漏量的影響，以防撞緩沖系統實際所用的4WEH16J7X型電液換向閥為研究對象，利用AMESim軟件中機械庫的MECMAS21和HCD元件設計庫的BAP016、BAP013、BAP014搭建的緩沖油缸模型替代HSV34_12模型，在草圖模式下搭建的電液換向閥內泄漏系統仿真模型示意圖，如圖11所示。

圖11 電液換向閥內泄漏仿真模型示意圖

2.3.2 仿真分析

選定間隙量、偏心率、油液黏度作為研究參數，對其產生的內泄漏進行分析。仿真時長設置為1 s,仿真步長設置為0.01 s,電液換向閥信號源為0，滑閥處在中位。

1)不同間隙量下的內泄漏分析。在其他參數保持不變的情況下，設置偏心量為0，間隙量分別設置為0.05 mm、0.06 mm、0.07 mm、0.08 mm和0.09 mm，利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量變化曲線如圖12所示。

圖12 不同間隙量下電液換向閥內泄漏量曲線

圖12中，間隙量與電液換向閥的內泄漏量為正比關系，在穩態響應下，間隙量從0.01 mm變化到0.05 mm，內泄漏量從0.409 L/min增加到5.190 L/min，變化程度較大，且增大的幅度也在增加，由此可以看出，間隙量對電液換向閥內泄漏的影響程度較為明顯。

2)不同偏心率下的內泄漏分析。在其他參數保持不變的情況下，設置間隙量為0.01 mm，偏心量分別設置為0、0.001 mm、0.002 mm、0.003 mm和0.004 mm，對應的偏心率為利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量變化曲線如圖13所示。

圖13 不同偏心量下電液換向閥內泄漏量曲線

由圖13知，液壓油黏度和間隙量一定時，偏心量增大，偏心率增大，緩沖油缸的內泄漏量逐步增大；偏心量在0～0.004 mm之間，偏心率在0～0.8之間，在穩態響應下，內泄漏量保持在0.410～ 0.417 L/min，浮動范圍較小，由此可見，偏心率對電液換向閥的內泄漏影響程度較低。

3)不同油液黏度下的內泄漏分析。在其他參數保持不變的情況下，設置偏心量為0，間隙量為0.06 mm，油液黏度分別設置為22 mm2/s、32 mm2/s、46 mm2/s、68 mm2/s和100 mm2/s,利用AMESim的批處理功能進行仿真計算，得到的內泄漏量變化曲線如圖14所示。

圖14 不同油液黏度下電液換向閥內泄漏量曲線

由圖14知，油液黏度與電液換向閥的內泄漏量成反比關系，油液黏度越大，電液換向閥的內泄漏量越小，且減小的程度隨之增大，油液黏度從22 mm2/s到100 mm2/s，在穩態響應下，內泄漏量從5.38 L/min減小到3.91 L/min，變化幅度較小。

3 結束語

針對三峽升船機防撞緩沖液壓系統的緩沖油缸和電液換向閥內泄漏問題，通過在AMESim平臺上搭建三峽升船機防撞緩沖液壓系統模型，并聯合用HCD庫元件搭建的液壓油缸和電液換向閥泄漏模型，從間隙量、偏心率和油液黏度等參數變化對其進行故障仿真，有效模擬了緩沖油缸和電液換向閥的內泄漏故障，得到如下結論。

1)在3種因素中，間隙量是影響緩沖油缸和電液換向閥內泄漏的主要因素，因此在其實際運行維護中要重點對間隙量進行監測。

2)內泄漏量隨著油液黏度減小而增大，故要控制液壓油的工作溫度、進行油液排氣和更換液壓油，從而避免油液黏度降低，防止內泄漏加大。

3)偏心率與內泄漏量成正相關關系，為防止內泄漏的產生，應采用正確的安裝工藝，減小安裝偏心誤差。