AMESim在液压系统故障仿真中的应用.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 1卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 5 2 A M E S i m在液压系统故障仿真中的应用 米双山，付久长，韩翠娥 军械工程学院四 系，河北石 家庄 0 5 0 0 0 3 摘要 探讨了基于 A ME S i m的液压系统常见故障的仿真方法 ，并结合某液压顶升系统对其进行了详细的说明。仿真结 果表明采用 A M E S i m可以实现对基本液压故障的仿真 ，仿真结果可为故障诊断及液压产品改进提供重要参考。 关键词液压系统；故障；仿真；A ME S i m 中图分类号 T H 1 3 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 1 8 3 4 App l i c a t i o n o f AM ES i m i n Fa u l t Di a g no s i s o f Hy d r a ul i c S y s t e m MI S h u a n g s h a n，F U J i u c h a n g，HAN C u i e O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t F a u l t s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m b a s e d o n A ME S i m w a s d i s c u s s e d ．B y c o n t r a s t e d w i t h j a c k s y s t e m，t h e me t h o d wa s e x p a t i a t e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w f a u l t s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m c a n b e a c h i e v e d b a s e d AME S i m． S i mu l a t i o n r e s u l t s c a n s u p p l y a b a s i s f o r f a u l t d i a g n o s i s o f h y d r u l i c s y s t e m a s w e l l a s p r o d u c t d e s i g n a n d a n a l y s i s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m； F a u l t ；S i mu l a t i o n；AMES i m ， 由于液压系统故障的封闭性 、复杂性和重叠性 ， 使用常规方法对其进行研究不仅费时费力 ，成本高 昂，而且难度较大，而采用仿真手段则可较好地解决 这一问题。A M E S i m是专 门用于液压／ 机械系统建模、 仿真及动力学分析的软件。采用 A M E S i m进行液压系 统故障仿真 ，可以方便地将机、电、液耦合系统的数 学物理模型转换为可视化、模块化的仿真模型，并通 过修改模型关键参数来注入系统故障信息 ，实现液压 系统故障动态仿真 ，为故障的诊断和预测提供直观可 靠的依据。作者 以某液压顶升系统为例 ，详细论述 A M E S i m在液压故障仿真中的应用。 1 某液压顶升系统工作原理介绍及建模 为了更直观地介绍 A M E S i m在液压系统故障仿真 方面的运用 ，这里对某液压顶升系统及其 A ME S i m模 型作简要介绍 ，并利用该系统对液压故障仿真方法进 行深入 探讨 。 某 液压系统 由液压泵 、蓄能器 、双级调速 阀、电 磁换 向阀、减压阀、流量流速反馈调节器和千斤顶等 部件组成 ，其主要功能是用于设备 的顶 升与调平 ，建 立的该系统 A ME S i m模型如图 1 所示。结合图2蓄能 器压力变化过程 ，对该系统工作原理和仿真步骤进行 说明。第一阶段为蓄能阶段液压泵在电机的驱动下 对蓄能器进行 2 5 S的蓄能 ，蓄能器 预充 气体为 8 M P a 。蓄能器蓄能压力从 8 M P a 迅速上升到达最高值 后保 持稳 定 ；第二 阶段 千斤顶 内缸筒开始在小压力 大流量模式下快速着地 ，此时内缸筒伸出，内缸筒在 伸出过程中无负载，所以蓄能器压力下降很快 ；第三 阶段当千斤顶内缸筒着地后 ，外缸筒承载负载重 力，千斤顶进油口油压上升，流量流速反馈调节器通 过对电磁换向阀的调节，使系统进入大压力小流量模 式 ，千斤顶外缸筒在这种模式下承载负载开始顶升， 蓄能器压 力上升。 图 1 某液压顶升系统仿真模型 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 5 作者简介米双山 1 9 6 5 一 ，博士 ，教授 ，主要从事机械工程及其 自动化 、计算机仿真等方面的研究。Ema i l f u j i u c h a n g 2 0 0 8 l i v e ． c n 。 1 8 4 机床与液压 第 4 l 卷 ／ ‘＼ ． ． ●●L J 1 r l 2 3 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t l s 图2 蓄能器压力变化 2 故障仿真基本运用 作者通过对 A M E S i m软件的应用 ，并在总结他人 经验的基础上，对 A M E S i m在液压系统故障仿真中的 应用进行了归纳，并结合某液压顶升系统故障仿真举 例说 明。 2 ． 1 弹簧故障 弹簧作为液压元件中最常用的基本零件，在液压 系统中的换向阀、溢流阀、调压阀乃至液压缸中都有 广泛的应用。保持弹簧弹性系数等参数的稳定对于保 持液压系统的稳定运行至关重要。然而随着应用次数 的增加 ，弹簧的弹性系数会逐渐发生改变。对于实际 的液压系统，很难从直观上去判断这种改变，但可以 在仿真模型中通过调节弹簧的弹性系数来进行模拟， 从而建立弹簧性能改变和故障现象之间的直观联系。 该液压顶升系统蓄能器溢流阀弹簧刚度为4 3 ． 9 7 7 5 N ／ m，预紧力为9 6 5 ． 3 N，蓄能器预充压力为8 M P a 。 弹簧在长时间使用之后 ，刚度会下降。如果不对 弹簧安装位置作出调整，会直接导致弹簧的预紧力下 降。某液压顶升系统蓄能器溢流阀弹簧装配预压 2 2 m m。对溢流阀弹簧刚度下降进行仿真，当弹簧刚度 降至为 3 7 、4 0和 4 3 ． 9 7 7 5 N ／ ra m 正常值时，在 不调整弹簧压缩量 的情况下 ，弹簧预 紧力分别 为 8 1 4 、8 8 0和 9 6 5 ． 3 N。图 3显示 了上述 情况下蓄 能器 的蓄能情况。可知随着弹簧预紧力的减小 ，蓄能器 的最高蓄能压力也在减小 ，说明溢流阀弹簧刚度 的变 化 对蓄能器的最 高蓄能压力有很大影响 。 l8 l 6 l 4 l 2 1 0 善s 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 f ， s 图 3 不同弹簧刚度蓄能情况 图4中弹簧刚度和图3中的相同，但是将预紧力 都调整为 9 6 5 ． 3 N 。由图4可以看出虽然弹簧弹性 系数不同，但在相同的预紧力下 ，蓄能器的最高蓄能 压力基本不变 ，这与实际情况完全相符。 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 60 7 0 8 0 t l s 图4 不同弹簧刚度、同样预紧力下的蓄能情况 通过以上仿真可知弹簧刚度变化对蓄能器的蓄能 影响很大，但是通过调整弹簧位置来调节弹簧预紧力， 可以将这种影响减小到不影响蓄能器正常工作的程度。 2 ． 2液压 系统堵 塞故 障 液压系统中 8 5 ％ 的故障是 由油液污染引起 的， 油液污染所造成 的很大一部分故障就是各种油路堵 塞，而液压元件中的各种阻尼孔和伺服阀的喷嘴孔径 细小，在油液被污染时最容易也最先被堵塞。这里可 以通过调节阻尼孔和伺服阀的孔径来模拟堵塞故障， 并通过设置不同的堵塞程度，来观察不同堵塞情况下 的故障现象。某液压顶升系统双级调速阀是调节系统 流速的重要部件，在油液不洁净的情况下，油液杂质 会导致节流阀堵塞，影响系统流速，使千斤顶的伸出 速度达不到额定要求。这里以特征流量代表节流阀堵 塞情况 ，系统 中慢速节 流孔特 征流量 为 1 l Mm i n ，特 征流量越小，代表节流孔堵塞越严重。图 5和图 6分 别显示了在双级调速阀慢速节流孑 L 特征流量分别为 0 ． 1 、0 ． 5 、1 I Mm i n 情况下，内缸筒的位移情况和外 缸筒的位移情况。由两图可以看出随着节流孔堵塞 的加重 ，内外缸筒的移动速度也在变慢。同时外缸筒 受到的影 响明显要大 于内缸筒 ，这是因为外缸筒 在小 流量的模式下移动，受慢速节流孔的影响更大。 0 ． 3 0 0 ． 2 5 0 ． 2 0 宴0 ． 1 5 0 ． 1 0 0 ． 0 5 0． 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t l s 图5 系统堵塞时内缸筒位移 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 目 I ’ I 8 6 4 2 0 日 、 第 1 1 期 米双山 等A ME S i m在液压系统故障仿真中的应用 1 8 5 图6 系统堵塞时外缸筒位移曲线 2 ． 3液 压缸及 油路 接 口泄漏 泄漏是液压系统中最为常见的故障，液压缸的泄 漏分为内泄漏和外泄漏。外泄漏通常可以通过观察发 现，而内泄漏具有很强的隐蔽性 ，不通过专业检测很 难发现中度以下的泄漏。通过故障仿真，可以方便准 确地发 现液压 缸的内泄漏和液压缸 的响应 时间、响应 速度之间的关系，为以后通过易观察的现象判断液压 缸的内泄漏程度提供依据。该系统中，内缸筒的尺寸 为 1 0 0 o “ ∞，活 塞尺 寸 为 1 0 0 - 0 ． 们0 3 ，内缸 筒及 活 塞 在合格的加工及装配条件下，若密封圈失效将可能产 生 0 ． 0 3 6～ 0 ． 1 6 1 m m不等的环形缝隙。图7和图8分 别表示在千斤顶配合间隙分别为 0 ． 0 1 、0 ． 0 3 6 、0 ． 1 和 0 ． 1 6 1 m m情况下的内缸筒位移曲线和外缸筒位移 曲线。从图7可知千斤顶慢速伸出阶段 ，由于无负 载 ，进油 口和出油 口压差小 ，所以 内泄漏量少 ，对 内 缸筒的位移和速度几乎没有影响。但是由图8 可以看 出在车辆进行慢速调平阶段 ，随着内泄漏的增加， 稳定千斤顶外缸筒的移动速度逐渐变慢，这是因为在 慢速伸出阶段千斤顶处于小流量大压力模式，由于千 斤顶需要 承载重物 ，所以进油 口和 出油 口之 间压力差 大，导致内泄漏增多，最终导致千斤顶慢速伸出阶段 速度降低。 O． 3O 0． 25 0 ． 2 0 o． 1 5 0． 1 0 o ． O 5 o． O 0 。 4 ； 目 1 ．8 5 s y l --- 0 ． 2 3 3 0 4 4m 卸 2 3 3 0 4 3m - 飓 0 ． 2 3 3 0 2 4m 0 ． 2 3 29 6m 1 一 配合 间隙0 ．0 1 0 m m 2 一 配合 间隙0 ．0 3 6 m m 3 配合 间隙0 ． 1 0 0 m m 4 一配合间隙0 ． 1 6 1 l l l m 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t l s 图7 系统泄漏时内缸筒位移曲线 0 ． 4 0 0 ． 3 0 黑0 ． 2 0 0 ． 1 0 0 ． O 0 差一．i,30．248 703m 20．010mm 1mm0．100mm0．161mm 1一配合间隙 ，J 缓 2一配合间隙o．036 ＼ 1 卜配合间隙 ，， 4一配合间隙 ／ O l 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t l s 图8 系统泄漏时外缸筒位移曲线 2 ． 4 摩擦卡死类故障 由于液压油中各种磨屑等污染物的存在，造成了 液压系统 中较大 的压力损失和元器件损耗 ，甚 至造成 液压元件 的卡死 ，影响系统运行 。所以对液压系统中 的摩擦及卡死类故障进行仿真 ，以了解故障原因和故 障现象的因果关系。在该系统中，千斤顶内部摩擦主 要来自于内缸筒与0型密封圈之间的摩擦，摩擦力 F f A p D 1 b l k 1 D 2 b 2 k 2 1 0 △ pI p l P 2 I 其中D ，D 分别为内缸筒内径和柱塞杆外径 ； ．厂 为摩擦因数； b为密封件宽度； k为密封件摩擦修正因数 ，稳定锁使用 0型圈 密封 ， 一0 ． 1 5 。 经计算 ，系统正常工作下，千斤顶内部摩擦力约 为 5 2 8 N 。当千斤顶 内部及密 封圈表面磨 损不再 光滑 后，摩擦力还将加大。图9显示了千斤顶在正常摩擦 力、5 倍摩擦力、1 O倍摩擦力情况下的位移曲线。可 以看出在不同摩擦力情况下，千斤顶的位移和速度 并未受到多大影响。这是因为千斤顶的进油口流量并 未发生变化，所以千斤顶内缸筒速度保持不变。结合 图 1 0千斤顶进油 口压力曲线，可以看出随着摩擦力的 增大，进油口压力也在增大。仿真结果说明对于液压系 统摩擦故障来说 ， 液压缸内部摩擦类故障的判断要从液 压缸油压人手 ，而不能单纯从液压缸的响应来判断。 0 3O 0 ． 2 5 O 2 0 宴0 ． 1 5 0 1 0 0 ． 0 5 0． O0 I 臻t-31．2 s ／ 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t ／ s 图9 不同摩擦力下内缸筒位移曲线 2 ∞ 0 O 0 0 O 0 1 8 6 机床与液压 第 4 1 卷 t - 30 ． 7 5 s P． 0． 801 38 2 1 0 Pa 3． 49 036X 1o S ． Pa 6 ．8 5 1 6 5 X 1 0 5 P a l 一正常摩擦力 2 2 5 倍摩擦力 3 1 0 倍摩擦力 ／1 ， 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t ／ s 图l O 千斤顶进油口压力曲线 2 ． 5油液性质 变化 对液 压 系统的影 响 温度对油液黏度的影响很大 ，油温升高时，油液 黏度将显著下降，油液黏度的变化直接影响液压系统 的性能和泄漏量 。图 1 1显示 了不 同油液黏度 下千斤 顶内泄漏曲线，随着油液黏度的增大 ，千斤顶的内泄 漏逐渐减小。但是从泄漏量上来看，这种泄漏对千斤 顶的动作影响还是比较小。 50 O 卢 5 1- 6 s Q _ 0 0 0 2 4 5 8 8 2 L ／ ra i n ⋯～⋯ Q 0 ． 0 o o 1 5 3 6 4 9 L ／ ra i n Q 0 0 01 0 7 9 9 2 L ／ ra i n 2 一 ／ 3 J r l 一 绝对黏度为3 0 1 ’ P a s 2 一 绝对黏度为4 0 1 ’ P a s 3 一 绝对黏度为6 0 1 ’ P a s 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t ／ s 图 1 l 千斤顶内泄漏量 液压系统中，液压油中空气的含量会直接影响液 压油的可压缩性，图 1 2显示了在液压油 中空气含量 在绝对温度和大气压下，空气与气液混合体体积之 比分别为0 ． 1 ％， 2 ％，4 ％的情况下，蓄能器的建 压情况 。 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t l s 图 l 2 油液空气含量对蓄能器建压影响 由仿真结果可知 随着液压油中空气含量 的增 加，蓄能器的建压时间有所增长。所以在使用液压系 统 的过程 中应尽量减少空气 的混入量 。 3结论 以某液压顶升系统为例，对 A M E S i m在液压故障 仿真中的应用进行 了论述。仿真结果表 明，使 用 A M E S i m可以很好地对液压系统的故障进行仿真。通 过故障仿真，液压工程人员可以更好地认识各种故障 对液压系统的影响范围和程度，直观清楚地了解液压 系统故障的发生原因及故障模式 ，为故障的诊断与预 测提供依据。 参考文献 【 1 】胡宁， 陈真． 基于 A M E S i m的液压控制系统可靠性分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 3 1 4 5 1 4 7 ． 【 2 】王欣， 段宝刚， 申展超， 等． 多履带车辆行驶特性分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 3 5 45 6 ． 【 3 】罗诗淋， 刑普， 许瑛． 全液压推土机行驶驱动系统仿真研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 1 0 81 1 0 ． 【 4 】 杨鑫． 基于 A M E S i m的某混凝土泵液压回路油管分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 8 2 8 4 ． 【 5 】 周为民， 王炜 ， 孙波， 等． 基于 A M E S i m的平整机推上伺 服系统建模仿真 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 4 6 2 6 5． 【 6 】 杨殿瑜． 基于 A M E S i m的某型导弹装备发射 制导装置 液压系统仿真研究[ D] ． 石家庄 军械工程学院， 2 0 1 0 ． 【 7 】 彭国朋 ， 黄海涛． 雷达天线车液压故障分析 及其动态仿 真[ J ] ． 火控雷达技术 ， 2 0 0 9 2 4 3 4 7 ． 【 8 】 付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 川 ‘◆⋯ 。◆⋯ ◆⋯ 0◆⋯ 0◆⋯ ◆⋯ ◆⋯ 0◆⋯ ◆⋯ ‘◆⋯ 0 ◆ ⋯‘◆⋯ ◆⋯ 0◆川 0 ◆ ⋯ { ◆⋯ 0◆⋯ 0◆⋯ ◆ ⋯ ◆⋯ ‘、 i 有色重机新型液压步 履式桩架研制成功 i 湖南有色重机工程机械有限公司在原 T D J B 6 2液压 i 至 步履式桩架基础上根据实际施工需要成功研制 T D J B 6 2 D 至 型全回转式步履桩架。该设备集 合了众多国际先进技 术 ，性能优越，完全拥有 自主知识产权，极富市场竞争 ； 力，是有色重机在充分把握当前市场的机遇和需求 ，经； 至 过多年技术沉淀，潜心研制而成的高性能产品，主要特 至 点是 除了保 留原来 T D J B 6 2型桩架的安全 、高效 、稳兰 定等优点外，还可以实现原地 1 8 0 。 旋转 ，明显提高了施 工效率，将具备广大的市场前景。 至 2 0 1 2 年在严峻的市场形势下，有色重机仍然保持了 至 较好的发展势头 工程机械产品销量稳居行业领先 ，市 场份额进一步扩大；特别是在技术研发方面 ，有色重机 i 凭借 自主开发的优势 ，推出了一系列切合市场需求 、更i 至 具竞争力的新型产品，助推有色重机市场开拓能力稳步至 提升 ；据悉 ，公司预计将在今年 3月推出三种新型施工 李设备，持续保持在桩工机械方面的技术领先优势。 李 内容来源慧聪工程机械网 i 三 三 ⋯I ◆ ⋯{ ◆ ⋯I ◆ ⋯ _ ． ⋯1 ◆ ⋯I ◆ ⋯ I． ⋯I ◆ ⋯I ◆ 川I ◆⋯◆ ⋯◆ ⋯I ◆ ◆ ⋯l ◆ ⋯I ◆ ◆ ⋯I ◆⋯ ◆ ⋯I ◆ ⋯ 7 6 5 4 3 2 1 O _ 苫 m 枷 ㈣ m H _ u 一 目． r I 。 _l 一 、 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 日 窆