基于故障注入的液壓系統發熱故障仿真與試驗

賈春強，楊晰越，夏文龍

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

液壓系統是一個差異性強，高度非線性系統，工程實際應用中結構原理復雜多樣，在其故障診斷過程中，單純依賴檢修人員的個人經驗進行診斷只能做到簡單的定性分析，做不到定量分析，不但費時費力，而且其診斷的準確度較低，很難滿足現代

液壓系統的故障診斷要求[1]。因此基于故障注入的虛擬仿真方法能夠有效地再現液壓系統的故障特性，對實現復雜液壓系統的診斷溯源具有積極的意義。

本文以某型50t 塔機頂升作業中出現的發熱故障為例，建立該系統的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頂升液壓系統的熱流體仿真模型中，獲得虛擬故障條件下的系統壓力與油液溫度，通過與在油缸加載試驗臺獲得的故障系統的壓力與溫度曲線進行對比，得到引起該塔機頂升液壓系統發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虛擬仿真方法能有效地再現液壓系統真實的故障特性，可為快速有效地實現復雜液壓系統的故障診斷提供必要的參考。

1 塔機頂升液壓系統工作原理及故障分析

1.1 工作原理

本文研究的50t塔機頂升液壓系統如圖1所示。

圖1 塔機頂升液壓系統工作原理圖

該液壓系統有頂升、降節、中位卸荷三段工作過程：換向閥處于左位時，油液從泵5 經過換向閥左位再經過限速鎖12 進入液壓缸無桿腔，有桿腔內油液經換向閥左位回油箱，實現負載頂升，換向閥處于右位時，油液從泵5 經換向閥右位再經過限速鎖12 進入液壓缸有桿腔內，無桿腔內油液回油箱，實現負載下降；換向閥處于中位時，泵5輸出的油液經中位直接流回油箱，此時系統卸荷。重復上述過程實現塔機的標準節的安裝。

1.2 故障分析

該塔機頂升系統主要出現的問題是在頂升標準節過程中，頂升作業6～7 次工作循環后，泵站出現發熱、系統壓力不足、甚至無法進行頂升作業。采用故障樹分析法對其故障進行分析如圖2 和表1。

圖2 塔機頂升液壓故障樹

表1 故障樹符號說明

通過故障樹分析結合塔機作業時具體的故障現象反饋，可得引起該故障的主要原因有：①液壓泵內泄漏；②限速鎖存在阻塞；③溢流閥調定壓力過低。

2 塔機頂升液壓系統建模與驗證

2.1 液壓系統AMESim熱流體模型的建立

本文運用LMS Imagine·Lab AMESim 16仿真軟件中的Thermal Hydraulic Component Design 庫對塔機液壓頂升系統建立頂升系統熱流體仿真模型，基于上述分析對液壓泵內泄漏、溢流閥調壓螺釘松動和限速鎖存在阻塞分別建立故障注入虛擬仿真模型，泄漏的實質是液體流出孔口或間隙，溢流閥調壓螺釘松動直接導致調定壓力過低使系統處于溢流狀態，而阻塞的實質是液體通流直徑減小[2]，因此，本文模擬液壓泵內泄漏采用并聯節流閥Bhr1 的方法，分別設置節流閥口開度為0mm、0·5mm、1·5mm，其中0mm為零泄漏狀態；模擬溢流閥溢流采用調節溢流閥的調定壓力的方法，分別設置溢流閥調定壓力為230bar、240bar、265bar 和300bar，其中調定壓力為300bar 時為溢流閥不溢流狀態；模擬限速鎖阻塞故障采用串聯節流閥Bhr2，分別設置節流閥口開度為0·5mm、1·8mm、5mm 和10mm，所建立熱流體仿真模型如圖3 所示。

圖3 塔機頂升液壓系統仿真熱模型

2.2 參數設置

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

表2 模型主要性能參數

2.3 仿真模型可靠性驗證

2.3.1 模型仿真分析

為驗證上文所建立該頂升液壓系統熱流體仿真模型的可行性，在正常工況下，設置環境溫度為20℃，仿真時長15 000s，步長為5s，模擬連續頂升6 個標準節，可得油液溫度曲線如圖4 所示。

圖4 油液溫度變化曲線

仿真結果表明，該塔機頂升液壓系統在正常工況下連續頂升6 個標準節后最高溫度為63·64℃，與環境溫差為43·64℃。

2.3.2 液壓系統熱平衡理論計算

其中，p1為泵出口壓力；q1為泵出口流量；ηv為泵機械效率；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。

將系統相關參數代入上式可得正常工況下的熱平衡溫升為ΔTp=42·15℃，將理論計算與仿真分析結果對比可知兩者誤差為3·41%，在誤差允許范圍內，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果分析

將液壓泵內泄漏故障、溢流閥開啟壓力過低故障、限速鎖存在阻塞故障注入已經建立的熱流體仿真模型中，模擬連續頂升6 個標準節，可獲得對應故障條件下的故障特性，為該塔機頂升液壓系統故障分析奠定基礎。

3.1 液壓泵故障注入分析

采用并聯節流閥的方法來模擬液壓泵的內泄漏，分別設置節流閥口開度為0mm、0·5mm 和1·5mm，其中0mm 為零泄漏狀態[3]，得到在不同泄漏狀態下系統溫升特性，分別如圖5 示，仿真結果表明，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，導致液壓缸動作時間延長。

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

采用串聯節流閥的方法來模擬限速鎖阻塞故障分別設置節流閥口開度為0·5mm、1·8mm、5mm 和10mm，得到系統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

采用調整溢流閥調定壓力的方法來模擬溢流閥開啟壓力過低故障，當溢流閥調定壓力分別為230bar、240bar、265bar 和300bar 時，仿 真 得到0～1500s 時的系統頂升作業6 個循環后油液溫度變化曲線如圖7 所示。

圖7 溢流閥不同調定壓力下溫度變化曲線

仿真結果表明，溢流閥開啟壓力的大小直接影響系統的溫升，溢流閥開啟壓力為26·5MPa時，系統頂升6 個標準節后油液溫度達到接近90℃，嚴重超出了正常系統工作溫度，以至于出現頂升無力甚至無法繼續作業的現象，當溢流閥開啟壓力為30MPa 時，如圖7 所示，同樣工作6個循環后油液溫度在正常范圍內。

4 試驗分析

4.1 試驗原理

為重現真實的故障現象，將已拆下的故障液壓站與油缸加載試驗臺相連，建立如圖8 所示試驗系統。

圖8 頂升液壓系統試驗原理圖

4.2 試驗過程

試驗采用HYDROTECHNIK5060 便攜液壓測試儀進行試驗操作。

加載油缸往復工作6 個循環，模擬實際頂升作業，分別記錄下測點1～測點3 的壓力，利用測溫槍每間隔1 個工作循環測量2 次油液溫度，過程如圖9 所示。

圖9 試驗過程圖

4.3 試驗結果分析

試驗測得系統壓力變化曲線和油溫變化曲線如圖10 和圖11 所示。把該工況下系統壓力數據和油溫特性曲線與上文中圖5～圖7 仿真結果進行對比，可以看出，仿真結果曲線比較光滑，主要是因為仿真過程中沒有考慮各種擾動、摩擦和外界環境等因素，試驗結果曲線與溢流閥故障注入仿真結果曲線的變化趨勢具有很高的吻合度，說明溢流閥調定壓力過低是導致該塔機頂升液壓系統發熱故障的原因。

圖10 系統壓力變化曲線

圖11 油液溫度變化曲線

5 結論

1)該塔機頂升液壓系統泵站發熱、頂升無力的主要原因是溢流閥調壓螺釘松動導致安全閥調定壓力降低形成溢流，在塔機工作現場調整溢流閥開啟壓力后，故障得以解決。

2)將故障注入技術應用到塔機液壓系統的故障診斷中可以節省大量的人力、物力并且提高故障診斷的準確性。

3)基于故障注入的液壓系統虛擬仿真方法能有效地再現液壓系統真實的故障特性，可為快速有效地實現復雜液壓系統的故障診斷提供必要的參考。