基于AMESim的发射车液压系统故障仿真研究.pdf

2 0 1 3年 3月 第 4 1卷 第5期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUU C S Ma r ． 2 0 1 3 V0 l _ 4l No ． 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 4 0 基于 A ME S i m的发射车液压系统故障仿真研究 李田科 ，李建华 ，于仕财 ，姜旭峰 1 ．中国人 民解放军 9 1 9 8 0部队，山东烟 台 2 6 4 0 0 1 ；2 ．海军航空工程 学院科研部 ，山东烟台 2 6 4 0 0 1 ； 3 ．海军航空工程学院电子信息工程 系，山东烟台 2 6 4 0 0 1 摘要针对发射车的故障诊断经验短缺、知识获取困难的问题 ，采用 A ME S i m仿真软件建立起竖液压系统模型和载荷 模型，并验证了所建模型的正确性。通过对仿真模型注入各类故障，计算出系统响应 ，并分析仿真结果，获得系统异常表 现与元件故障之间的联系，而且仿真结果能作为实际系统的故障诊断样本，可模拟实际系统的各类故障响应。 关键词故障诊断；知识获取 ；仿真 中图分类号T J 7 6 8 ． 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 51 5 6 5 Fa u l t S i mu l a t i o n o f t h e La u n c h Ve h i c l e Hy d r a u l i c S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m L I T i a n k e ，L I J i a n h u a ，YU S h i c a i ，J I ANG Xu f e n g 1 ． N o ． 9 1 9 8 0 T r o o p ，P L A，Y a n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． De p a me n t o f S c i e n t i fi c Re s e a r c h，Na v a l Ae r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c a l Un i v e r s i t y， Ya n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 1，C h i n a ； 3． De p a r t me n t o f El e c t r o ni c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g， N a v a l Ae r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c a l Un i v e r s i t y。Ya n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Mo d e l s o f e r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m a n d l o a d we r e e s t a b l i s h e d a n d v e r i fi c d b y AME S i m s i mu l a t i o n s o f t wa r e a i mi n g a t l a c k i n g f a u l t d i a g n o s i s e x p e r i e n c e a n d d i ffic u l t k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n ． S y s t e m r e s p o n s e wa s c a l c u l a t e d，s i mu l a t i o n r e s u h s w e r e a ri a l y z e d a n d r e l a t i o n b e t w e e n a b n o r mali t y a n d c o mp o n e n t f a u l t w a s a c q u i r e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s c a n b e u s e d a s f a u l t d i a g n o s i s s a mp l e s f o r p r a c t i c a l s y s t e m a n d b e u s e d t o s i mu l a t e v a r i o u s f a u l t r e s p o n s e o f p r a c t i c al s y s t e m． Ke y wo r d s F a u l t d i a g n o s i s ； Kn o w l e d g e a c q u i s i t i o n；S i mu l a t i o n 故障知识获取和故障机制研究是某型导弹发射车 液压系统故障诊断的难点，而且缺乏专家维修经验知 识，缺少足够的故障知识，难以建立有效的故障知识 库，影响着故障诊断与预测的效果。通过物理实验的 手段获取故障知识和故障机制的方法也因为系统复 杂、价格昂贵、动用权限高等原因受到限制，导致装 备故障诊断难度增加。采用基于仿真技术的方法，建 立发射车液压系统的模型及载荷模型，通过故障仿真 研究系统的故障机制，可得到系统参数异常反映与故 障之间的关系，并分析 出故障情况下的系统动态特 性 ，得出故障的特征信息，还可利用仿真平台的优化 性能，对故障机制进行故障仿真的反向分析 ，使得故 障分析有据可依。 1 发射车液压 系统组成 发射车液压系统主要完成车体调平和发射架起竖 两部分工作 ，虽采用同一个液压油源，但车的起竖动 作是限定在调平动作之后的，而且发射车调平并保持 稳定后 ，换向阀处于中位，液压油封死 ，在运行时不 涉及到从液压油口分油的问题，两个分系统之间不存 在性能上的影响，不影响系统的性能分析，也不会影 响知识获取和分析。限于篇幅，只对起竖分系统进行 研究，且为简化仿真计算，不对其控制系统进行复杂 仿真 ，仅建立功能上的控制系统。起竖液压系统由液 压泵 、控制阀组 、平衡阀、分流集流阀、油缸油箱 、 管路等组成 ，采用液压泵驱动，通过控制多路换向阀 实现各个工况 的操作 。 2 起竖液压系统建模与验证 2 ． 1 液压 元件 建模 采用 A ME S i m标准元件库中的模型进行建模 ，对 没有的关键件则用 H C D设计和二次组装技术 ，并改 进和分析其性能 。 I 分流集流阀结构和工作原理 分流集流阀采用负载压力反馈控制的原理，变 节 流 口随着 阀芯位 置变 化而 变化 ，利用这 种 变化 响 应实现分流集流 的功能 。其结构原理 如图 1所 示 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 5 作者简介李田科 1 9 7 6 一 ，男，硕士，高级工程师，研究方向为兵器发射理论与技术。E m a i l L T K I 9 7 6 1 2 1 6 3 ． c o n。 1 5 8 机床与液压 第 4 1卷 起竖液压分系统的外部载荷主要是起落架、发射 箱 和导 弹的重力 。对系统进行简化受力 分析时 ，把系 统的部件作为刚体考虑，建立如图4所示的坐标系， 其中点 0为起落架与发射车的结合点 ，0 ， 为起竖油 缸与车体的结合点。F t 为沿起竖油缸 的径向力， F 、F 3 为起落架与发射车结合处的受力承载情况， G n 为起落架的重力，G为发射箱和导弹二者的重力 之和 ，起竖角度 0 t 不 断 变化直 到 起竖 完毕 。在 起 落架和发射车结合处 即铰链处 建立坐标系。设 定发射箱以及其中的导弹为刚体 H，以起落架及 H 为研究对象 ，设起落架 的重心距点 0的距离为 刚体 H重心距点 0的距离为 ， 为一个定 值。假 设 O AL l ，O B L 2 ，O C￡ 3 ，O M K ， O N ，MO K t ，／O MNO L ，由力矩转动微分 方程可 以得到 G GM J O t 1 r MG 。 Go L 3 { M G G L 2 l ， 一F 三 ．， 为弹体和起落架绕转动中心的转动惯量， 0 t 为弹体和起落架的转动角加速度。在实际系统中，由 于系统的精密性和系统起竖的要求，起竖过程可视为 一 个匀速 的过 程 ，可 以认 定 0 t 0，因此 载荷 仿 真变得简单可行。 设原始状态导弹重心 U 和点 0连线与水平线的 夹角为 。 ， O O 0 0 o ，则中间状态与点 0连线与 水平线的夹角为 。 0 t 一 ，根据映射法则推出 L 2 o c o s [ 卢 0 0 t 一0 0 ] ，L 3 L l o C O S [ 0 t 一 ] ，由 式 1 可以得 G L 2 1{ G 0 L o c o s [ 一 0 0 ]G L 2 0 c o s [ 3 0 0 t 一0 0 ] } 2 其中 L K s i n a。再由正弦定理 一 r s i n O t s i n a 结合式 2 和式 3 ，另外有 L ．K 1 s i n a， 可 以得到 L 1 K 1K 2 s i n O 一t 4 一 t 综合式 1 一 4 ，则可以得到 F l ㈩ { G 0 L o c O S 一 ] G L 2 0 c o s [o0 一 ] } 由三角形的余弦定理 cos 譬慧 一 [ 一 一 2 K t 霹 K ￡ ] 2 K1 、 一 K t c o t 0 t 、 兰 _ 二 - 一 ／ 一 [ 一 一 2 K t 砭 K ] 由此可 以建立 的关于 0的模 型 ／ 一 2 K l c o s O t 面 一。 { G 0 L 1 0 C O S [ 0 t 一 0 0 ] G L 2 0 c o s [ 0 0 t 一 0 0 ] } 由上式可知 ，载荷随着起落架升起的角度时刻变 化，并且变化复杂 ，但在实际系统中00 t 不易 观测 ，在起竖过程 中 ，油缸 的速度直接 与流量 相关 ， 可近似认定为匀速运动，即Kv t 。由于速度易于观 测 ，这就可以将 变换为其 中的位移量 K t 的函 数。经过计算，得到下式 { G 0 L l o [ c o s 0 o c o s l 9 ㈩ s i n 0 o s i n 0 t ] G 2 0 [ c o s o 一 0 o c o s O t s i n fl 0 0 o s i n 川 { G O L o s i n 0 o G L 2 o s i n O o [ G o L 。 0 c 0 s O o G L 2 0 c o s 一 ] c o t 0 c } I M 1 M 2 【 碍 一 。 一 [ 砰 一 一 2 K t 式 中 Ml G 0 l 0 s i n 0 0 G 0 s i n 卢 0 0 0 ，M2 G 0 L 】 0 C O S 0 o G 2 0 C O S 卢 00 o ，G 0 、G、L 1 0 、L 2 】 、Kl 、K2 均为定值，由于涉及主战装备具体参数不再列 出， 、 可计算得出，未知参数只有 K t 。 2 ． 3 液压 系统建模 系统仿真模型如图 5 。 图5 起竖系统仿真模型 液压油缸 的负载模 型通过 图 中两个 控制 器实现 ， 第5 期 李田科 等基于 A M E S i m的发射车液压系统故障仿真研究 1 5 9 将液压缸与水平夹角随着起竖变化的过程通过负载模 型体现出来，两个函数， 和， ， y 实现负载变化。 a r c c o s 二 。 ＼ 2 Kl 2 ， ／ ．、 ，y x 1 s l kt n I， ， J[ G o L 1 。 [ c 。 s f 一O o I G L 2 0 C O S [ t 卢 0 0 0 ] } 式中 是液压油缸的位移 ，Y是函数 ／ ‘ 的输 出 量 ，K 1 3 ． 2 ， 2 ． 2 ，L 1 0 3 ． 4 ，L 2 0 3 ． 5 。 图中 k 1 ． 2 0 9 ，因为采集到的信号是油缸升出 的位移 ，而计算载荷时需要整个油缸长度的参数，所 以利用 S i n g a l 库中的信号 J U N 3 P合 成控制位移的输 出。另 外 ，J U N 3 M 元 件 用 于 实 现 两 缸 的 位 移 误 差 ， 可用于判定系统稳定程度。 2 ． 4系统仿真 验证 1 系统参数设置。油液密度 8 5 0 k g ／ m ，体积 弹性模量 1 7 0 M P a ，液压泵额定转速 1 5 0 0 r ／ m i n ，传 递实际转速 1 2 0 0 r ／ m i n ，液压泵排量 2 8 m L ／ r ，溢流 阀调定压力 1 2 M P a ，单向阀开口压力 0 ． 3 5 M P a ，换 向阀控制 电流 4 0 m A，换 向 阀 A、B 口最大 流 量 3 4 L ／ m i n ，油缸与 水平 面 夹 角 2 ，平 衡 阀 预压 力 2 ． 5 M P a ，起竖油缸缸径 1 4 0 m m，起竖油缸杆径 1 0 0 m m， 起竖油缸行程 6 6 3 m m，所有管路和阀件的临界雷诺 数均为 1 1 0 0 。 2 仿真环境参数设置。油液密度 8 5 0 k g ／ m 3 ，油 液体积弹性模量 1 7 0 0 M P a ，油液绝对黏度5 1 m P a S ，仿 真时间5 5 0 s ，步长Q0 0 1 S ，仿真模式为稳态 动态。 3 模型验证。把满载工况下实装运行 的压力 数据与仿真结果进行比较，如图6所示。可知仿真 系统响应曲线比较光滑 ，原因在于仿真系统中未考虑 各种扰动、摩擦以及外部环境的影响；同时可看出系 统压力响应趋势变化比较一致 ，具有很高的吻合度， 说明建立的模型具有较高的可信度 。 时间， s a 实际压力采集 图 _ 6． 0 塞5 ． 8 5 ． 6 口5 ． 4 蚕s ． 5 ． 0 1 0 2 O 3 0 4 0 时 间， s b 仿真 曲线 图 图6 压力数据比较 3 故障仿真研究 故障仿真主要是在模型中植入故障参数，利用仿 真平台计算系统的响应 ，限于篇幅，只对换向阀、平 衡阀、分流集流阀进行研究。 1 换向阀故障仿真 引起换向阀故障的原因很多，如液动力过大、控 制油路背压过高、内泄口背压过大和控制油路进油压 力低等，但故障模式均是换向阀阀芯开启不到位，油 液不能正常流经换向阀。对换向阀控制信号进行故障 注入以控制阀开 口大小 ，正常控制信号是4 0 m A，将 控制信号分别调整至 3 0 ，2 O和 1 0 m A，由于是 比例 控制阀，阀开 口量分别为正常状态下的 3 ／ 4 、1 ／ 2和 1 ／ 4 ，其他参数不变 ，分别进行仿真 ，t 1 0～2 1 0 S 是对系统起竖过程进行仿真 ，t 2 2 0～ 4 2 0 s 是对回 平过程进行仿真，仿真结果见图7 。 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s a 油缸活塞杆位移 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s b 活塞杆速度 图7 换向阀故障仿真 在正常状态下 ，系统起竖时间是 3 7 s ，但随着阀 芯开口的降低，响应时间逐渐变长。活塞杆的位移变 化过程十分平稳 ，到位后保持恒定；从响应时间看， 随着换向阀芯开 口的降低，系统起竖响应时间不断加 大 ，系统运行速度也随着阀开口降低而降低。 2 平衡阀故障仿真 平衡阀控制油路中的节流孔比较小 ，易导致平衡 阀不能完全开启甚至完全不开启 ，其结果就是油缸活 塞下降速度特别慢，甚至是不下降。对控制油路中的 等效节流孔进行故障参数注人 ，正常状态下是 1 ． 0 m m，将其分 别设 定为 0 ． 8 、0 ． 6 、0 ． 4 、0 ． 2和 0 ． 1 m m，仿真结果见图8 。 1 一 节 流 孔径1 ． o I I1 m 2 一 节 流 孔径0 ． 8 mm 3 一节 流 孔径0 ． 6 mm 4 一节 流 孔径0 ． 4 l n m 5 - - 节 流 孔径0 ． 2 mn l 6 一节 流 孔径0 ． 1 i n m 1 一 节流 孔 径1 ． 0 I 1 1 m 2 一 节流 孔径0 ． 8 mm 3 一 节 流孔 径0 ． 6 mm 4 一 节 流孔 径0 ． 4 mm 卜 节流 孔 径0 ． 2 mm 6 一 节流 孔径0 ． 1 mm 蠢 薹 霹 匿 2 2 0 24 0 26 0 2 8 0 3 0 0 时间， s a 油 缸活 塞 杆位 移 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 时间， s b 油缸活塞杆速度 图8 平衡阀故障仿真 由油缸活塞杆的位移和速度仿真结果可知 节流 孔堵塞后 ，油缸活塞杆响应时间随着堵塞情况不同而 不同，堵塞量越大，阀开口越小，响应时间越长，当 其孔径设置在0 ． 1 m m以下时，系统基本不响应 ，油 1 6 0 机床与液压 第4 l 卷 液通过溢流 阀溢流 ，油缸位移始终是 0 。 3 分流集流阀故障仿真 由原理图可知，分流集流阀的定节流孔易发生堵 塞 ，其故障能直接导致两个油缸有较大的不同步，可 能导致起落架与发射车连接处的铰链处产生巨大的应 力扭矩，对装备造成损坏。假定阀中A口的阻尼孔 孔径发生变化，作为故障参量注入模型进行仿真。 从图9可知正常状态下 ，两缸的位移差能够保 持在 1 0 米量级 ，但是节流孔故障后 ，两缸 的位移 差远远超过这一数值。分流集流阀的主要性能指标是 两出口端的流量和压力，但最终反映都是液压油缸活 塞杆 的位移 和速度 。 0 一．S0 蛊 。1 00 ．1 5 0 蠢一 2 0 0 一2 50 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s a 正 常 时两缸 位 移差 0 l 0 O 一0． 1 篓 -0 ．2 ．O． 3 ．0． 4 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s b 故障时两缸位移差 图9 两缸位移误差 A、B口流量差仿真结果如 图 1 O 所示 ，在起竖 阶 段，分流集流阀根据负载的变化情况分派 A 、B两 口 的流量，在正常情况下，A口和 B口的流量差应接近 0 ，A口故障后，流入两缸的流量有了明显的差异。 l o l o o 2 0 0 3 0 0 4 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s 时 间， s a 故 障情 况 下 b 正常 通径6 ． 0 mm 图 1 0 A、B口流量差 图 1 1 是 A口和 B口压力差仿真结果图，与流量 差的分析过程一样，正常时，几乎严格同步，可在故 障后表现 出明显差异 。 8 6 4 2 3 o ．2 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 时间／ s a l 故障情况下 8 6 芝 4 2 3 0 -2 I 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 时间， s b 正常通径6 ． 0 mm 图 1 1 A、B口压力差 4 结束语 通过建立某型发射车的起竖液压系统模型和载荷 模型，对换向阀、平衡阀和分流集流阀进行典型故障 注入 ，并仿真分析了故障机制，揭示系统相关故障的 状态 ，获取了系统的故障知识，知识量大，种类丰 富，形式多样 ，可信度高，可为故障诊断提供依据 ， 对液压系统故障的早期预防和诊断等均有重要意义。 参考文献 【 1 】秦贞超， 周志鸿． 基于 A M E S i m的无人机起飞弹射液压 系统的建模与仿真 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 9 1 61 8． 【 2 】刘茂福， 曹显利． 基于 A M E S i m的全液压轮胎起重机行 走系统仿真与优化[ J ] ． 机床 与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 0 5 55 7． 【 3 】吴国军， 张军花． 一种新型球式梭阀的设计及仿真分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 4 5 4 6 ． 【 4 】张晓波， 杨璐 ， 徐倩 ， 等． 基于 A M E S i m的汽车起重机双 向液压锁仿真与优化[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 4 5 3 55． 【 5 】姚晓光， 郭晓松 ， 冯永保 ， 等． 导弹起竖过程的载荷研究 [ J ] ． 兵工学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 6 7 1 9 7 2 2 ． 【 6 】左帅， 李艾民． 基于 A M E S i m的货物装卸机械手液压系 统[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 6 6 5 6 7 ． 上接 第 1 7 6页 【 4 】C HE N F C ． C o n fi g u r a t i o n S y n t h e s i s o f Ma c h i n i n g C e n t e r s w i t h T o o l C h a n g e Me c h a n i s m s 『 J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Ma c h i n e r 0 0 】 Ma n u f a c t u r e ， 1 9 9 9， 3 9 2 7 3 2 9 5 ． 【 5 】贺炜， 蔚泽峰 ， 陈婵娟． 加工中心弧面凸轮式自动换刀装 置[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 0 8 2 3 2 5 ． 【 6 】韩越梅． 加工中心自动换刀装置的研究进展[ J ] ． 装备 制造技术， 2 O L O 5 1 2 81 2 9 ． 【 7 】邹慧君． 机构系统设计[ M] ． 上海 上海科技出版社， 1 9 9 6 ． 【 8 】于伟华． 数控链式刀库的精确定位于控制 [ J ] ． 制造技 术与机床， 2 0 0 1 1 1 01 1 ． 【 9 】邱馄城． 刀库之发展趋势与未来展望[ J ] ． 制造技术与 机床 ， 2 0 0 7 4 1 1 4 ． 【 1 0 】 王社科， 杨庆东， 赵宏林． 高速加工中心的快速换刀技 术[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 1 1 2 5 7 ． 【 1 1 】 魏志强， 王先逵， 杨志刚． 高速加工中心及其关键技术 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 2 1 1 1 2 ． 【 1 2 】 王社科， 杨庆东， 孙志永． 浅谈快速自动换刀装置[ J ] ． 机械加工与 自动化， 2 0 0 2 1 O 2 0 2 2 ． 【 1 3 】 王元军， 杨琪， 俞晖， 等． 某型卧式加工中心自动换刀系 统可靠性与故障分析 [ J ] ． 中国制造业信息化， 2 0 1 0 7 7 6 7 8 ． 【 1 4 】 郭永基． 可靠性工程原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 02．