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(qiáng)

1大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116024 2大連船舶重工集團(tuán)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(jí)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(jī)械，為減少火災(zāi)保證人民財(cái)產(chǎn)安全，其可靠性優(yōu)劣尤為重要[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程機(jī)械故障中有80%是由液壓系統(tǒng)故障引起的，實(shí)際的液壓系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，故障產(chǎn)生的原因是相互關(guān)聯(lián)的，主要表現(xiàn)為震動(dòng)、噪聲或活塞桿動(dòng)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(zhǔn)確性差[4]。因此，提出建立智能液壓故障預(yù)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(yàn)平臺(tái)來獲取精確的數(shù)據(jù)樣本，會(huì)消耗大量時(shí)間、人力和物力。為此，提出采用實(shí)驗(yàn)虛擬化的辦法進(jìn)行故障仿真來獲取故障數(shù)據(jù)。

近年來，很多學(xué)者研究液壓系統(tǒng)故障仿真，但大多數(shù)主要集中在對(duì)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(jī)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(gòu)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(yù)測；謝沅辰等[7]通過對(duì)飛機(jī)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(jìn)行了AMESim液壓支架液壓系統(tǒng)泄漏故障仿真研究。本文對(duì)舉高消防車調(diào)平液壓系統(tǒng)中幾種典型故障進(jìn)行仿真與分析，并進(jìn)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(yù)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(gòu)成。其中作業(yè)平臺(tái)需要載人工作，對(duì)調(diào)平機(jī)構(gòu)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(duì)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(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障動(dòng)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(dòng)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(tái)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(tái)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(shí)，才開始工作，用于調(diào)節(jié)平臺(tái)角度；其三是由蓄能器2、手動(dòng)液壓泵3、手動(dòng)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(dòng)或補(bǔ)油，即在出現(xiàn)緊急狀態(tài)或漏油時(shí)，啟動(dòng)的液壓回路。由此可見，該液壓系統(tǒng)為冗余設(shè)計(jì)，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(hù)費(fèi)用。對(duì)比而言，若采用智能液壓故障預(yù)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(shí)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(hù)費(fèi)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(dòng)活塞桿移動(dòng)。當(dāng)電磁換向閥8處于左位時(shí)，油液進(jìn)入液壓缸無桿腔側(cè)，活塞桿伸出；當(dāng)電磁換向閥8處于右位時(shí)，油液進(jìn)入液壓缸有桿腔側(cè)，活塞桿縮回。液壓系統(tǒng)中元件故障統(tǒng)計(jì)，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(dòng)、動(dòng)力不足或速度達(dá)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(jìn)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(duì)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(jìn)行建模與仿真分析。

表1 主要元件故障統(tǒng)計(jì)

2 調(diào)平系統(tǒng)故障仿真模型

采用AMESim軟件構(gòu)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(jìn)油路模塊、備用進(jìn)油路模塊、平衡閥模塊和負(fù)載模塊。由于主液壓回路運(yùn)用頻繁易損壞，僅對(duì)主液壓回路進(jìn)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(jié)果，提取每個(gè)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(jìn)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(gè)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(dòng)作或動(dòng)作無力，速度達(dá)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(jìn)行液壓油的流量交換，端口3、4的速度決定運(yùn)動(dòng)方向。液壓缸發(fā)生內(nèi)泄漏時(shí)，一部分液壓油會(huì)流經(jīng)液阻直接進(jìn)入另一腔室，活塞桿動(dòng)作無力，為模擬不同程度內(nèi)泄漏，液阻間隙依次設(shè)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(dǎo)致閥芯運(yùn)動(dòng)不到位，開口變小。對(duì)于仿真中的換向閥模型，設(shè)飽和電流的值為A,換向閥的開口X，輸入信號(hào)為I，則換向閥的開口大小D為

通過改變輸入電流信號(hào)的大小，可對(duì)相應(yīng)換向閥閥芯卡滯導(dǎo)致開口不足的故障形式，將信號(hào)設(shè)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(dǎo)致液壓缸無法回油，液壓系統(tǒng)壓力增大，長時(shí)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(shí)間液壓泵損壞。如圖5所示，通過在溢流閥出口增設(shè)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(shè)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(jié)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(jìn)行仿真分析。調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示，假設(shè)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(shí)，保證換向閥右位完全打開；模擬換向閥卡滯情況時(shí)，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(duì)泄漏量敏感度遞增排序?yàn)閴毫?、速度、流量?個(gè)變量可作為檢測泵泄漏的故障特征，故在泵出口位置增設(shè)流量、壓力傳感器，在活塞桿上增設(shè)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(shí)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(qiáng)，很難肉眼發(fā)現(xiàn)。仿真設(shè)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(jié)果看出，隨著活塞磨損增大，泄漏量增加，液壓缸進(jìn)口壓力、流量減小，活塞桿速度減小，平臺(tái)調(diào)平時(shí)間增長。在磨損直徑增加到0.03 mm后，液壓缸進(jìn)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(duì)泄漏量敏感度遞增排序?yàn)樗俣?、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(yīng)位置增設(shè)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(shè)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(hào)最為敏感。在換向閥出口位置增設(shè)壓力傳感器，通過壓力傳感和速度傳感器信號(hào)，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(shí)，有桿腔壓力、流量和活塞桿速度變化不明顯，當(dāng)開口度小于20%時(shí)，有桿腔壓力突增，有桿腔流量和活塞桿速度突降，故此時(shí)平衡閥開始逐漸失效。在有桿腔處設(shè)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(shí)，活塞桿出現(xiàn)失速現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力異常增高，造成整個(gè)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(shè)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為監(jiān)督學(xué)習(xí)故障樣本，為智能故障預(yù)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(jié)論

總結(jié)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(gè)故障模型，并注入調(diào)平主液壓回路進(jìn)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(shí)際故障狀態(tài)，不需要耗費(fèi)人力、物力搭建試驗(yàn)平臺(tái)，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(fù)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(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。