基于AMESim船舶风翼回转液压系统故障分析.pdf

Hvd r a ul i c s Pn e u m a t i c s Se a l s ／ No ． 03． 2 01 5 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 5 基于A ME S i m船舶风翼回转液压系统故障分析 闫亚胜， 黄连忠， 赵志强， 许 琦 ， 林虹兆 大连海事大学 轮机工程学院 ， 辽宁 大连1 1 6 0 2 6 摘 要 根据风翼回转液压系统在A ME S i m中建立仿真模型， 针对液压系统的常见故障， 在仿真模型中分别进行分析， 得出不同的故障 模式对液压系统运行参数的影响， 为风翼回转液压系统的故障诊断提供基础， 并对其他液压系统的故障分析有一定的参考价值。 关键词 风翼； 液压系统； 故障； 仿真 中图分类 号 T H1 3 7 ． 1 ， U 6 6 4 _ 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 2 1 - 0 4 M a l f u n c t i o n Ana l ys i s of W i ng Sa i l Sl e wi ng Hyd r a ul i c S ys t e m Ba s e d o n AMESi m Ⅳ Y a s h e n g , HU A NGL i a n - z h o n g , Z H A0Z h i q i a n g , XUQi , L I NHo n g - z h a o Ma ri n e E n g i n e e ri n g C o l l e g e ， Da l i a n Ma ri t i me Un i v e r s i t y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r e s t a b l i s h e d t h e s i mu l a t i o n mo d e l a c c o r d i n g t o t h e wi n g s a i l s l e wi n g h y d r a u l i c s y s t e m b a s e d o n AM ES i m ． F o r t h e c o m mo n ma l f u n c t i o n s i n h y d r a u l i c s y s t e m， i t a na l y z e d t h e ma l f u n c t i o n s i n t h e mo d e l r e s p e c t i v e l y a n d o b t a i n e d t h e o p e r a t i n g p a r a me t e r s o f h y dr a u l i c s y s t e m ． W h i c h l a i d a f o u n d a t i o n f o r t h e f a u l t d i a g n o s i s o f h y d r a u l i c s y s t e m， an d p r o v i d e s a r e f e r e n c e for t h e f a u l t a n a l y s i s o f o t h e r h ydr a u l i c s ys t e ms ． Ke y w o r ds wi ng s a i l ； hy dr a ul i c s ys t e m；ma l func t i o n；s i mu l a t i on O 引言 随着 国际经济 的快 速发展 ， “ 能源危机 ” 已成为社 会关注 的焦点问题 。航运业在全球的货物运输中起到 主导作用 ， 要满足越来越严格的公约要求 ， 船舶节能减 排 已经成为一种必然 的趋势 ， 风能就是在这种情况下 应运而生I ” 。船舶对风能的利用是通过在船舶 甲板加 装风翼来完成 的 ， 由于船舶航 向的变化和风 的非定常 性， 需要适时调整风翼至最佳迎风角来使船舶获得最 大的辅助推进力 1 ， 而风翼角度 的改变需要液压系统 的 驱动， 若液压系统存在故障， 则会影响到风翼在船舶上 的使用， 进而影响船舶的辅助推进力 ， 增大燃油消耗 ， 达不到节能减排的 目的。因此有必要对风翼 回转液压 系统的常见故障进行分析 ， 以便在实船应用中能对故 障进行准确诊断和解决。 1 风翼 回转液压系统 风翼 回转 液压 系统采用 阀控型开式液压 系统 ， 主 要 由液压泵 、 比例调速阀 、 液压 马达 和制 动器 等组成 。 风翼 的旋转 由液压 马达驱动 ， 比例调速 阀用来控制通 往液 压 马达 的液 压油 流 量 ， 进 而控 制风 翼 的 回转 速 基金项目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 课题 2 0 1 2 A A 1 1 2 7 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 7 作者简介 闫亚胜 1 9 9 0 - ， 男， 河南驻马店人， 硕士研究生， 主要从事风翼 回转液压 系统 研究。 度 。当风翼转动到指定 的角度时 ， 比例调速 阀开度为 O ， 同时制动器动作 ， 将 风翼稳定在要求 的角度上 。液 压系统 的原理图如 图 1 所示。 图 1 风翼 回转液压 系统 原理图 2 风翼 回转液压系统仿真模型的建立 A M E S im是基于功率键合图的液压／ 机械系统建模 仿真软件 ， 它以图形的方式来描述系统中各设备间的 联系， 能够反映元件间的负载效应和系统中能量功率 的流动情况 ， 方便研究者对液压系统进行深入分析 。 根据风翼 回转液压系统原理 图在液压仿真软件 AME S i m的 S k e t c h Mo d e 模式下建立的仿真模型如图2 所示 1 液 压 气 动 与 密 rd - ／ 2o l 5- r-- j l；0 3期 图2 风翼 回转液压 系统仿真模型 仿真模型完成应有功能 的前提是要对模型中的元 件设 置相应的子模型参数。根据液压元件的计算选型 结果 ， 在模型中P a r a me t e r Mo d e 模式下对子模型参数 的 设置如表 1 所示I 。 表 1 仿真模 型主要元件参数表 由于风翼在船舶上会受到风阻力矩 的作用 ， 根据 风翼模型在大连理工 大学风洞实验室测得的结果 ， 得 到风阻力矩随攻角的变化 曲线如图 3 所示 ， 将数据拟合 后输人到仿真模 型的加载器 中， 这样便 能模拟在不 同 风翼角度下的风阻力矩值 。 ￡ I Z 囊 攻 角 ／ 度 图 3 风 阻力矩随攻角变化 曲线 3 液压系统常见故障仿真分析 液压系统往往都是机械 、 液压、 电气的组合体 ， 产 生故障的原因可能是多方面的。下面将液压系统的常 见故障注人仿真模型中， 分析在不同的故障模式下对 液压系统运行参数产生的影响。 3 ． 1 液压泵磨损 液压系统 中大多数液压泵 为容积式泵 ， 容积式泵 2 2 是靠泵 内容积 的周期性变化而产生吸排 动作 ， 从而达 到输送液体 的 目的 。当液压泵部件发生磨损时 ， 泵 内 会出现泄漏 ， 造成容积效率下降 ， 同时也可能伴随噪声 和液压油温度的升高 。 在仿 真模型 中， 分别设置液压泵的容积效率 叼 为 8 5 ％、 9 0 ％、 9 5 ％、 1 0 0 ％来模拟液压泵磨损故障 ， 仿真运 行后风翼的旋转角度 曲线和液压马达的进 口端压力变 化曲线分别如图4 、 图5 所示 。 ％ 趟 时问／ s 图4 风翼旋转角度 曲线 图5 马达进 口压 力 曲线 根据上述仿真结果 ， 液压泵 的容积效率对风翼的 旋转角度会产 生较大 的影响 随着液压泵容积效率 的 降低， 液压马达的可用液压油流量减少， 在相同的时间 内风翼转动的角度偏差也越大 ； 而液压马达 的进 口压 力波动情况变化不大 ， 因为压力波动主要 由液压系统 的本质属性 和控制策略造成 的 ， 液压系统峰值压力随 着容积效率的减少而减小， 这是由于在相同负载下液 压马达的转速随容积效率减小而减小所致。 3 ． 2 液压系统滤油器堵塞 液压系统对液压油的清洁度要求较高 ， 滤油器可 在液压系统中起 到滤 除油液 中的杂质的作用 ， 使油液 保持清洁 ， 降低液压系统的故障率 。大多数液压系统 均会采用滤器 过滤油液 ， 液压油流经滤器可 以看做是 油液通过无数个薄壁小孑 L 的流动 I ， 其数学模型可以表 示为 q c A 。 p2- a p 1 式 中C q 流量系数 一般 由实验确定 ， 当液流完全 收缩时 ， C q 0 ． 6 ～0 ． 6 2 ； 当不完全收缩时 ， 0 ． 7～ 0 ． 8 ； A 小孔截面积 ； △ p孔 口两端压差 ； Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 5 p 油液密度。 在 建立 的 A ME S i m仿真模型 中通过设置滤器通流 能力的大小来模拟液压 系统滤器的堵塞情况 。根据参 数 可知系统 的额定 流量 为 4 3 5 L ／ mi n ， 分别将滤器 的特 性 通 流 量 设 置 为 3 0 0 L ／ mi n 、 3 5 0 L ／ m i n 、 4 0 0 L ／ m i n 、 4 5 0 L ／ mi n ， 仿真得 到滤器两端 的压差 和液压泵 的出 口 压力分别如图 6 、 图7 所示 。 R 巴 丑 1暌 毯 篁 燃 时间 ／ s 图 6 滤器两端压差 曲线 图7 液压泵 出 口压力 曲线 经过仿真分析可知 随着滤器通流量的下降， 滤器 两端 的压差逐渐上升 ， 且上升的幅度逐渐增大 ； 液压泵 的 出口压力随着滤器通流能力 的下降呈上升趋势 ， 但 是 由于系统设置 的负载较大 ， 而压力上升的幅度较小 ， 故几条 曲线几乎重合 ， 最大压差 为 1 ． 1 5 b a r 。 当滤器长 时间使用而造成堵塞时， 会使其通流能力下降， 系统压 力损失增加 ， 严重时会使系统不能正常工作 J 。 3 ． 3 液压 系统比例调速 阀泄漏 比例调速阀的作用是根据控制信号 的大小来控制 通往液压马达的流量 ， 进而控制液压马达的转速 ， 它 由 两部分构成 定差溢流阀和节流阀。由于液压库中没 有比例调速阀模型， 需要利用机械库 Me c h a n i c a 1 和液 压元件设计库 H C D 中的基本元件进行设计 ， 构建好 的比例调速阀的模型如图 8 所示 。 比例调速阀中阀芯和阀体之间应有合适的配合间 隙 ， 间隙过小则摩擦阻力增加 ， 阀芯无法到位 ， 间隙过大 则系统内泄漏严重 ， 一般新 阀件的配合 间隙为 0 ． 0 0 8 0 ．0 2 5 m m 。由于在长期工作后， 阀芯和阀体间会因磨损 而使配合间隙增加， 这样会造成泄漏量增加。这种在阀 内的泄漏属于环形缝隙内泄漏n 。 1 ， 其泄漏量为 Q , - 可,r rd h 3 A p 2 等 油} | j 图 8比例 调 速 阀模 型 当阀芯和阀体问发生偏心时 ， 则泄漏量为 Q 2 - 可l v d h 3 A p 1 1 ．5 6 z 3 式中d 一 - - 一 圆环直径 ； h 缝隙高度 ； △ p 缝隙两端压力差 ； 液压油动力黏度 ； Z 缝 隙长度 ； 占相对偏心量 。 在 比例 调 速 阀 中分 别 设 置 泄 漏 间 隙 的大 小 为 0 ． 0 1 mm、 0 ． 1 mm、 0 ． 2 mm、 0 ． 3 mm， 仿真得 到风翼旋转角 度和阀内泄漏量 曲线分别如图9 、 图 1 0 所示。 一 1 4 1 2 号1 0 2 星0 图 9 风翼旋转角度 曲线 图 1 0 阀 内泄漏量 曲线 根据 以上仿真结果 ， 可以得 出 比例阀内部泄漏会 对风翼的旋转角度产生影响， 当泄漏间隙为0 ．3 m m时， 角度偏差达到 了 1 ． 7 8 。 ， 并且 随着间隙的增大 ， 泄漏量和 风翼旋转角度偏差都持续增大， 由于液压系统多为小 角度调整风翼 的角度 ， 因此对液压系统的泄漏情况要 求较高 ， 间 隙尺寸保持在 0 ． 2 mm以下才能保证较好 的 液 压 气 动 与 密 ．．．,-r ／20 1 5年 第 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 。 0 0 6 基于增量式数字阀的液压作动器设计及控制策略研究 何曦光 ， 彭利坤 ， 叶 帆 海军] 二 程大学 动力T程学 院， 湖北 武汉4 3 0 0 3 3 摘 要 该文针对传统的数字液压作动器机械反馈形式的频响低、 无法自动调节增益等问题， 设计了一种基于增量式数字阀的数字液 压作动器 ， 通过其核心元件D s P 对步进电机进行控制 ， 以实现数字阀阀芯开度的精确控制。从而实现对液压执行机构的精确位移控 制 ； 并 利用安装 在液 压作 动器上的光电编码器进行闭环位置反馈 ， 从而进一步提高控制精度和频响特性 。 关键词 增量式 数字 阀 ； 精确控制 ； D S P 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 2 4 0 4 De s i g n a n d Co n t r o l S t r a t e g y S t u d y o f Hy d r a ul i c Ac tua t o r wi t h I nc r e me n t a l Di g i t a l Va l v e HE Xi - gu an g， PENG Li - k u n， Y E Fa n C o l l e g e o f Ma r i n e P o we r , Na v a l Un i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， Wu h a n 4 3 0 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e f a u l t s o f t h e t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c a c t u a t o r s t h a t i t h a s l o w f r e q u e n c y r e s p o n s e s a n d c a n’ t p r o v i d e e ffe c t i v e c o rn p e n s a t i o n t o i t s n o n - l i n e a r p a r t ． A n d ， i t s me c h a n i c f e e d b a c k s c a n ’ t a d j u s t i t s g a i n s a u t o ma t i c a l l y ． I n t h i s a r t i c l e ， w e h a v e d e s i g n e d a n e w t y p e of h yd r au l i c a c t ua t or wh i c h i s c omp os e d o f i nc r e m e nt a l d i g i t a l va l ve ， hyd r a ul i c c yl i n de r a nd p ho t o e l e c t ric d e c od e r ．By c o n t r ol l i ng t he s t e p mo t o r o f t h e d i g i t a l v a l v e ， we c a n ma k e t h e v a l v e c o r e o p e n o r c l o s e a n d i n o r d e r t o l e t t h e c y l i n d e r mo v e p r e c i s e l y ． As a r e s u l t ， b o t h t h e c o n t r ol l i ng p r e c i s i o n a nd t h e r e s po ns e f r e q u e nc y a r e i mpr ov e d． Ke y wo r d s i n c r e me n t a l d i g i t a l v a l v e ； p r e c i s e c o n tro l ； d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 1 研究背景及意义 液压作动器是液压系统 中使用最为普遍 的装置之 一 。通过作 动器 ， 能将系统输人的液压 能转化为机械 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 9 作者简介 何曦光 1 9 8 2 一 ， 男， 湖北武汉人 ， 讲师， 硕士， 研究方向为机 电液一体化 。 - 一 - - 一 - 一 --- 一- - - - - - - - - - - 精度 ， 因此 当调速 阀内部 因磨损而使配合间隙增大时 ， 应当及时更换 。 4 结论 通过在建立 的风翼回转液压系统模 型中注人液压 系统常见故 障， 分别建立 了液压泵磨损 、 滤器堵塞和调 速阀内泄漏 的故 障模型 ， 并 分析 了不 同故 障对液压系 统运行参数 的影 响 ， 为液压系统 的故 障诊断提供 了故 障样本数据支持， 并为风翼的实船应用奠定基础。 参考文献 【 1 ] 王宏明， 孙培廷， 黄连忠， 等． 基于翼型理论的风帆助航技术 分析[ J ] ． 船舶T程， 2 0 1 1 ， 3 3 4 3 7 ． 【 2 ] 刘绪儒， 黄连忠， 林煜翔， 客振亚． 基于 A ME S i m船舶风翼回 转液压系统仿真分析I J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 4 3 0 3 4 ． 【 3 ] 汪宇亮． 基于A ME S i m的工程机械液压系统故障仿真研究 4 能输 出， 并拖动生产机械工作 。其在造船 、 钢铁 、 石油 、 机械等各工业领域 中有着广泛的应用⋯ 。 随着计算机及微 电子技术 的不断发展 ， 数字液压 作动器获得 了广泛 的应用 。目前 ， 我 国数字液压作动 器主要分 为两种 一种是能够输 出数字或者模拟信号 的内反馈式数字液压执行机构 ； 一种是使用数字信号 控制运行速度和位移 的开环控制数字液压执行机构 。 _ 上． [ D 1 _ 武汉 武汉 理工大学， 2 0 1 2 ． [ 4 】 赵志强 ， 马冉祺 ， 冯宝辉， 等． 基于 A M E S i m风翼回转液压系 统动态响应分析l J I _ 大连海事大学学报， 2 0 1 4 ， 4 0 1 6 6 6 9 ． [ 5 】 王森． 调距桨液压系统故障仿真与诊断技术研究【 D ] ． 哈尔 滨 哈尔滨工程大学， 2 0 1 3 ． [ 6 】 刘少辉， 林少芬， 陈清林， 董浩然， 刘国印． 液压系统压力波动 与冲击的动态仿真试验研究【 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 1 1 1 9 5 1 9 8 ． [ 7 】 周小军． 基于A ME S i m液压系统泄漏仿真与故障诊断研究 [ D 】 ． 长沙 国防科学技术大学， 2 0 1 2 3 8 4 7 ． [ 8 】 魏太有． 履带起重机闭式液压系统故障分析及排除方法研 究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 4 4 卜4 4 ． 【 9 】 余佑官， 龚国芳， 胡国良． A ME S i m仿真技术及其在液压系统 中的应用【 J J ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 3 2 8 3 1 ． [ 1 0 】张月， 倪炳巍． 挖掘机液压系统的泄漏及预防措施l J I _ 中国 水运 下半月 ， 2 0 0 8 ， 1 2 1 4 2 1 4 3 ．