基于AMESim的液压缸内泄漏仿真分析.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 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 2 ． 2 3 ． 0 3 9 基于 A ME S i m的液压缸内泄漏仿真分析 周小军，姜乐华，高经纬 国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙4 1 0 0 7 3 摘要液压缸内泄漏是影响工程机械性能和效率的主要故障现象之一。在深入分析液压缸内泄漏原因的基础上，运用 液压机械系统建模仿真软件 A ME S i m建立某机械化桥锁紧液压缸工作回路仿真模型，通过仿真所得液压缸内泄漏量与相同 工况下用传统方法计算所得泄漏量基本吻合，进一步的仿真分析表明液压油动力黏度特别是液压缸活塞与缸壁间隙大小对 液压缸内泄漏影响较显著。 关键词工程机械；液压缸；内泄漏；仿真分析 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 2 2 31 4 74 S i mu l a t i o n An a l y s i s f o r I n n e r Le a k a g e o f Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Ba s e d o n AM ES i m Z H O U X i a o j u n ． J I A N G L e h u a ．G A O J i n g w e i C o l l e g e o f B a s i c E d u c a t i o n f o r C o mm a n d i n g O f f i c e r s ， N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 7 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e i n n e r l e a k a g e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i s o n e o f t h e m a j o r f a u l t p h e n o me n a w h i c h a f f e c t s t h e p e rf o r m a n c e a n d e f fi c i e n c y o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y ．Th e s i mu l a t i o n mo d e l o f w o r k i n g c i r c u i t f o r o n e l o c k i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r o f me c h a n i z e d b r i d g e w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e h y d r o -me c h an i c a l s y s t e m mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n s o f t wa r e AME S i m a f t e r an aly z i n g i n n e r l e a k a g e r e a s o n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i n d e p t h ．Th e i n n e r l e a k a g e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r g o t t h r o u g h t h e s i mu l a t i o n i s b a s i c a l l y c o n s i s t e n t w i t h t h e c alc u l a t i o n r e s u l t o f t r a d i t i o n al me t h o d o n t h e s a me c o n d i t i o n s ．F r o m f u r t h e r s i mu l a t i o n a n aly s i s ，t h e d y n a mi c v i s c o s i t y o f h y d r a u l i c o i l e s p e c i a l l y a s w e l l a s t h e g a p s i z e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n a n d c y l i n d e r w all h a v e s i g n i f i c a n t e ff e c t o n t h e i n n e r l e a k a g e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s Co n s t ruc t i o n ma c h i n e ry ；Hy d r a u l i c c y l i n d e r ；I n n e r l e a k a g e；S i mu l a t i o n a n aly s i s 液压缸是液压工程机械的主要执行元件，其故障 将直接影响工程机械的正常工作和寿命 。据有关资料 统计 在工程机械所有故障中，液压缸泄漏故障约占 3 3 ％ 。液压缸的泄漏是由间隙和压差造成的，分为 外泄漏和内泄漏。外泄漏较容易发现 ，只要仔细观察 即可做出正确判断 ；但内泄漏难以直接观察到，不仅 故障发生率高而且非常隐蔽 。液压缸内泄漏使液压 油的压力能转换为热能 ，易导致油温升高，严重影响 液压系统的性能和效率，可能使工程机械产生爬行 、 出力不足、保压性能差等问题 ，影响机械的平稳性、 可靠性和使用寿命。作者主要研究液压缸 内泄漏故 障，以某机械化桥锁紧液压缸工作 回路为研究对象， 利用液压机械 系统 建模、仿 真及动力 学分析软件 A ME S i m建立该回路仿真模型 ，对通过仿真所得液 压缸内泄漏量与同心圆环缝隙泄漏量公式计算所得进 行比较，证明所建模型能准确模拟液压缸内泄漏，并 进一步利用 A ME S i m的批运行功能仿真分析各因素对 液压缸内泄漏的影响程度。从液压缸设计和使用着 手 ，有效降低内泄漏 ，对提高工程机械性能、保证系 统正 常工作 具有重要意义。 1 液压缸内泄漏故障与泄漏量计算 1 ． 1 液压缸 内泄漏故障原因分析 液压缸内泄漏主要发生在活塞与活塞杆之间的静 密封部分和活塞与缸壁之间的动密封部分，其泄漏原 因可 归结 为以下方 面 1 活塞杆弯曲或活塞与活塞杆同轴度差。当 活塞与缸筒的同轴度差时，活塞的一侧外缘与缸筒间 的间隙减少 ，使液压缸内径产生偏磨而漏油，严重时 还会引起拉缸，使内泄漏增加。 2 密封件损坏或失效。当密封件的材料或结 构类型与使用条件不符、密封表面粗糙度差以及密封 圈老化失效等，都会使液压缸产生内泄漏。 3 液压缸活塞半径尺寸或圆度差 ，活塞有毛 刺或有洼点 、镀铬脱落等，引发内泄漏。 收稿 日期 2 0 1 11 1 0 2 作者简介周小军 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为载运工具监测、诊断与维修。Em a i l a i s h i s h i 8 1 5 1 6 3 ． c o n。 1 4 8 机床与液压 第 4 O卷 4 缸体 与活塞间隙太大，液压油黏度降低， 使内泄漏增加。 5 铁屑或硬物进入液压缸 ，嵌入活塞外缘与 缸筒问隙，引起拉缸而产生内泄漏。 1 ． 2 内泄漏量传统计算方法 由于活塞与活塞杆之间的密封属于固定密封 ，只 要设计合理，加工得当，泄漏完全可以防止，而活塞 与缸壁在使用中由于磨损，必然会发生内泄漏。文中 忽略活塞与活塞杆之间静密封部分的内泄漏 ，主要考 虑活塞与缸壁间隙处的内泄漏，泄漏示意图如图 1 所 示 。 泄漏 图 1 液压缸泄漏示意图机 文献 [ 5 ]分析了液压缸 内泄漏量的大小 ，不考 虑层流起始段影响以及流体在流动过程中加速的影 响，把液压油在活塞与缸壁间隙处的泄漏等效为同心 圆环缝隙流动，其泄漏量表示为 r ,r r d h 3 Ap l 式中d为液压缸内径 ，h为活塞与缸壁间缝隙高度， △ p为缝隙两端压力差 ， 为液压油动力黏度，z 为缝 隙长度 。 对于给定的液压缸，液压缸内径 d与缝隙长度 z 一 定，液压缸内泄漏量主要取决于缝隙高度 、缝隙两 端压力差以及液压油动力黏度，且与 的 3次方和 △ p成正比，而与 成反 比。实际情况下，液压油动 力黏度随温度、压力及混入气体的多少而变化，综合 考虑温度 、压力及液压油中混入气体量时的油液动力 黏度 ，可表示为 ／ z ／ z o 1 0 ． 0 1 5 Be 2 式中 为 1 个大气压下，温度为 t 。 时纯油 即无 混入气体时的动力黏度； 为压力为P 、温度为 t 、 油液中混入气体量为 时的油液动力黏度 ；A为黏温 系数，a为黏压系数。 液压缸内泄漏是一个动态过程 ，利用式 1 计 算的液压缸内泄漏量难以满足动态分析需求 ，而且计 算所需的活塞与缸壁间缝隙高度值以及缝隙两端压力 差不易测得，在实际运用中有诸多不便。因此寻求一 种简便可行的方法求取液压缸内泄漏量的大小 ，对指 导液压缸设计使用具有重要作用。 2 液压缸 内泄漏建模与仿真 2 ． 1 仿真环境 简介 A ME S i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r S i m u l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s t e m s 是 法 国 I M A G I N E公 司 于 1 9 9 5年开发的专门用于液压机械系统的建模、仿 真及动力学分析软件 ，其友好的图形化界面使得用 户可以通过在完整的应用库中选择需要的模块来构件 复杂系统的仿真模型，非常适用于机械与液压领域建 模。利用 A M E S i m对液压系统进行建模仿真，需要完 成以下 4个模式步骤 1 草图模式 S k e t c h M o d e 。从不同的应用库 中选取现存的图形模块建立系统的模型； 2 子模型模式 S u b m o d e l Mo d e 。为每个图 形模块选取数学模型 给定合适的建模假设 ； 3 参数模式 P a r a m e t e r M o d e 。设定每个 图 形模块需要的特定参数 ； 4 运行模式 S i m u l a t i o n M o d e 。运行仿真 ， 分析并绘出仿真结果。 2 ． 2 模型建立 文中以某机械化桥锁紧液压缸工作回路为研究对 象，该回路由锁紧液压缸、换向阀、双向液压锁等部 件组成。锁紧时，来自供油系统的压力油进入换向阀 一双 向液压锁一 液 压缸 无杆 腔一 双 向液 压锁 一 换 向 阀，返回油箱，液压缸推动锁紧钩锁住桥跨。放开 时，来 自供油系统的压力油进入换向阀一双向液压锁 一液压缸有杆腔一双向液压锁一换 向阀，返回油箱， 液压缸推动锁紧钩放开桥跨。在 A M E S i m环境下，利 用 S k e t c h 模式并调用系统提供的液压库、液压元件 设计库、机械库和信号库建立如图2所示的锁紧液压 缸工作回路模型。为模拟锁紧液压缸内泄漏，设置了 泄漏模块 。通过设置泄漏模块缝隙高和缝隙长可分 别模拟液压缸活塞与缸壁间缝隙高度和长度，流经泄 漏模块缝隙的油液即为液压缸内泄漏量。 图2 锁紧液压缸工作回路模型 第 2 3期 周小军 等基于 A ME S i m的液压缸内泄漏仿真分析 1 4 9 为搭建好的系统各元件子模型选择系统提供的优 先子模型 P r e m i e r S u b m o d e 1 ，模拟锁紧液压缸先锁 紧后放开的工作过程，按实际情况设置主要元件参数 如表 1 所示 。 表 1 锁紧液压缸回路元件参数 电动机转速／ r m i n 泵额定排量／ m L r 。 溢流阀设定压力／ MP a 液压缸 内径／ m m 活塞杆 内径／ m m 液压缸行程／ m m 泄漏模块缝隙高／ m m 泄漏模块缝隙K／ mm 液压油动力黏度／ 1 0 ～P a S 2 ． 3 仿真分析 2 ． 3 ． 1 模型内泄漏仿真验证 设置仿真时间为 3 S ，通信间隔为 0 ． 1 S ，运行仿 真 ，得到液压缸位移曲线如图 3 所示。 目 昌 趟 时 同 『 s 图3 液压缸位移曲线 运行 0 ． 7 S ，锁 紧液压缸完全升出，桥跨锁紧， 双向液压锁可自动锁紧液压缸，防止液压缸带动的锁 紧自动脱开。在 t 1 ． 5 S时，液压缸收回，放开桥 跨 ，与实际工作情况吻合。可见 ，利用 A M E S i m搭建 的锁紧液压缸工作回路模型能准确模拟液压缸实际工 作。 图2中，泄漏模块 a 、b端压力差及液压缸内泄 漏曲线如图4 、5所示。显然，液压缸内泄漏曲线与 泄漏模块 a 、b 端压力差 曲线形状完全吻合，液压缸 内泄漏量与泄漏模块两端压力差成正比，其比例如图 6所示 ，比例系数为 9 ． 91 0 L ／ r a i n P a 。从 图 6可看出当泄漏模块 a端压力高于 b端压力 ，液压 缸内泄漏从 a 端流向 b端，相反则从 b端流向 a端， 且随着 a 、b端压力差的增大呈线性增长。在相同工 况下 ，利用式 1 计算得到液压缸 内泄漏量与活塞 和缸壁 间缝 隙两 端压 力差 比例系数 为 9 ． 61 0 L ／ m i n P a ，与仿真结果基本吻合。因为仿真模型 考虑了温度、压力及油液中混入气体的影响，油液动 力黏度相对减小，内泄漏增大，所以比例系数相比计 算所得偏大，更加准确地反映了液压缸的内泄漏。可 见，利用 A M E S i m建立的锁紧液压缸工作 回路模型， 能较准确地模拟液压缸内泄漏，且能动态反映液压缸 不同时刻的内泄漏量。通过改变仿真模型中液压缸元 件相关参数值，即可得到液压缸不 同情况下的内泄 漏。 时 间， s 图4 泄漏模块 a 、 b端压力差 时间， s 图 5 液压缸内 泄漏曲线 图6 液压缸内泄漏与模块两端压差比例 2 ． 3 ． 2 油液动力黏度对内泄漏的影响 ．分析内泄漏量传统计算方法得知，液压缸内泄漏 与液压油动力黏度成反比。运用 A M E S i m的批运行功 能，设置泄漏模块缝隙高度为 0 ． 0 5 m I n ，要求动力黏 度满足工作需求，仿真得到不同油液动力黏度下，锁 紧液压缸内泄漏曲线和位移曲线如图7 、8 所示。 3 ． 0 2 ． 0 ； 1 ． 0 目 0 ． 0 。 ．3 ． 0_ ___ 广 -’ _ - - 1_ _ Pr ’_ _- 1- 1__1 。 _ _ 0 ． 0 0 ． 5 I ． 0 I ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 时间， s 图7 不同黏度液压缸内泄漏曲线 通过曲线图可以清晰地看 出泄漏模块缝隙高 度一定时 ，随着液压油动力黏度降低 ，液压缸 内泄 漏量越来越大 ，而且将逐渐延长液压缸收 回所需的 时 间。 ． ． ． 日 、 撇 ∞ ∞ 勰 ∞ 拿 m 2 O P P P P P 4 4寸 0 0 0 0 0 9 2 5 8 l 曷葛 1 5 0 机床与液压 第 4 0卷 I 蠢 趟 图 8 不同黏度液压缸位移曲线 2 ． 3 ． 3 泄漏模块缝隙高对内泄漏的影响 分析内泄漏量传统计算方法可知 液压缸内泄漏 与活塞与缸壁间缝隙高度的3次方成正比，所建仿真 模型中，泄漏模块缝隙高度可模拟液压缸活塞与缸壁 间缝隙高度。设置油液动力黏度为 2 5 X 1 0。 。 P a s ， 运用 A M E S i m的批运行功能，要求缝隙高度满足工作 需求 ，仿真得到泄漏模块不同缝隙高度下 ，锁紧液压 缸内泄漏曲线和位移曲线如图9 、1 0所示。 8 6 4 2 目0 奏 一- 2 ．6 ．8 一l 0 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 时 间， s 图9 不同缝隙高度液压缸内泄漏曲线 时N／ s 图 1 0 不同缝隙高度液压缸位移曲线 通过曲线图可以清晰地看出液压油动力黏度一 定时，不同的泄漏模块缝隙高度对应的泄漏量不同， 且随着缝隙高度增加，液压缸内泄漏量越来越大，相 比之下，缝隙高度对液压缸泄漏量的影响更大；且随 着泄漏模块缝隙高度增加，对液压缸位移 曲线影响 很大 ，特别是液压缸收回阶段 ，将极大延长液压缸 完全收 回所需 的时间，当泄漏缝 隙达到 0 ． 1 1 m m 时 ，液压缸的工作行程受到极大影响，液压缸不能 正常工作 。 3结论 1 通过在利用 A ME S i m搭建的锁紧液压缸工 作回路模型中加入泄漏模块，能有效模拟液压缸内泄 漏，且仿真得到的液压缸内泄漏量与等效同心圆环缝 隙泄漏计算 所得 的泄 漏量基本 吻合，因此 可利用 A M E S i m对液压缸内泄漏进行动态仿真，指导液压缸 设计使用； 2 液压缸内泄漏与液压油动力黏度和活塞与 缸壁间缝隙大小有关，随着油液动力黏度降低 ，液压 缸内泄漏增大 ，而随着活塞与缸壁间缝隙增大，液压 缸内泄漏量明显增加。当活塞与缸壁间缝隙高度达到 某 一特定值 时 ，液压缸升 出后不能收 回，严重影响工 程机械的正常工作 ； 3 通过选用黏度合适的液压油，有效控制油 液温度、压力及防止气体进入油液中，在液压缸设计 时，控制活塞与缸壁间隙在一个合适的大小，使用中 减少磨损，能有效降低液压缸的内泄漏量。 参考文献 【 1 】李新德． 工程机械液压缸漏油原因分析及对策 [ J ] ． 液 压气动与密封， 2 0 0 5 3 4 4 4 6 ． 【 2 】李伟刚， 丁浩杰， 张磊． 导弹发射装置液压系统泄漏分析 及控制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0， 3 8 1 2 1 0 41 0 6 ． 【 3 】陈阳国， 曾良 才 ， 吕敏建． 基于 A M E S i m的液压位置伺服 系统故障仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 9 2 1 5 2l 7． 【 4 】张凤山， 静永臣． 工程机械液压、 液力系统故障诊断与维 修[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 5 】 周仁斌， 谢铁邦， 崔清斌． 自 行火炮液压系统泄漏机理及 ， 影响因素研究[ J ] ． 湖北工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 2 3 6 3 8． 【 6 】 付永邻 ， 祈晓野． A M E S i 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