基于AMESim的液压启闭机油缸故障建模与仿真.pdf

2 0 1 4年 l 2月 第 4 3卷 第 1 2期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g De c ． 201 4 Vo1 ． 43 No ．1 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 0 6 基 于 A ME S i m的液压启 闭机油缸故障建模 与仿真 马赛平 ， 倪 刚亮 ， 汪晟 杰。 1 ． 扬州市江都永坚有限公司， 江苏 扬州2 2 5 2 0 0 2 ． 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 4 摘要 以某型液压启闭机油缸作为研 究对 象， 运 用 A ME S i m仿真软件建立 了其液压 系统的仿真模 型。通过向仿真模型中引入故障信 息， 对液压启 闭机 油缸的泄漏故障进行 了仿 真分析。仿真结 果与实际情况基本吻合 ， 验证 了仿真模型的正确性， 并在此基础上进一步给 出了不同泄漏间隙高 度影响下的液压缸泄漏对比曲线 ， 从而为液压启闭机液压缸 的设计优 化与故 障诊断提供 了理论 依据 。 关键词 液压缸 ； 内泄漏； A ME s i m软件 ； 建模与仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5～ 5 0 9 X 2 0 1 4 1 2 0 0 2 4 0 4 液压启闭机以油液作为工作介质传递能量 ， 从 而实现对闸门启闭的控制 ， 具有运行平稳、 结构紧 凑 、 承载能力强等优点 ， 在水利水电、 航运船闸等工 程中， 已获得越来越广泛 的应用。由于液压启 闭机 与传统卷扬式启闭机相 比具有无可比拟的优势 ， 国 内外大型水利枢纽 、 水库及电站闸门的启闭均已采 用液压启闭机 j 。 液压启 闭机性能的优劣直接影响着 闸门的运 行情况 ， 其对水利工程 的安全运行起着关键 的作 用。据统计 ， 7 0 ％的工程机械故障是由液压系统故 障引起 的 ， 然而 由于液压 系统封 闭 、 多样 的特 点 ， 使得液压系统的故障难 以诊断。液压缸作为液 压启闭机的执行机构 ， 油缸质量的好坏往往直接决 定着启闭机性能的优劣。因此 ， 对液压缸进行分析 建模 ， 实现对其的故障诊断具有重要的研究及实用 价值。 随着计算机技术的迅猛发展 ， 计算机仿真在机 械 、 液压等领域获得了越来越多的工程应用。计算 机仿真技术的应用不仅能够预测液压系统性能 ， 有 效缩短设计周期 ， 而且可以对系统进行整体的分析 与评估 ， 从而为系统的改进和优化提供 帮助， 最终 达到提高系统稳定性和可靠性的 目的 j 。通过计 算机仿真技术实现对液压缸的故障诊断， 对提高液 压启闭机工作可靠性和安全性具有重要意义 。 1 液压缸 的泄漏故障及检测方法 在实际工程应用中， 因为液压缸故障而导致机 械系统无法正常运行的情况屡见不鲜 。液压缸的 故障基本可以归纳为油缸动作不灵 、 泄漏 以及缸体 的损坏 ， 其中由于液压缸泄漏而引发的机械故障约 占 3 3 ％ 。泄漏故障不仅会造成油液损耗和环境 污染， 还会导致油温升高 ， 影响液压 系统 的效率和 性能。 液压缸的泄漏故障主要是由问隙、 温升和压差 引起的， 按泄漏发生部位可分为内泄漏和外泄漏。 外泄漏较易发现 ， 检测时通常通过观察活塞杆及缸 体密封处的渗漏情况来判断。而 内泄漏 则难 以观 察 ， 由于液压缸的封 闭式结构 ， 使得内泄漏故 障具 有一定的隐蔽性 。传统的液压缸 内泄漏检测方法 主要分为流量检测 和压力检测两种 。流量检测是 通过对液压缸进油和出油流量 的比较实现故 障的 判断。而压力检测则是通过监测液压缸 工作腔压 力是否存在异常下降的情况 ， 从而判断内泄漏故障 的发生。现行液压缸试验的国家及行业标准中对 液压缸内泄漏的试验项 目均 采用流量检测的方法 实现 。 采用传统的量杯测量法进行液压缸 内泄漏的 检测 ， 测量精确度容易受量杯精度和人为因素的影 响。改用高精度流量传感器 ， 测量液压缸进油与出 收稿 日期 2 0 1 41 2 0 2 基金项 目 江苏省重大成果 转化项 目 B A 2 0 1 4 1 3 0 作者简介 马赛平 1 9 6 8 一 ， 男 ， 江苏扬 州人 ， 扬 州市江都永坚有限公司工程师 ， 主要研究 方向为机械与液压系统设计 。 2 4 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 表 1 启闭机液压缸 回路元件参数 参数 取值 电机转速／ r m i n 系统流量／ L ra i n 工作压力／ M P a 液压缸内径／ m m 活塞杆直径／ ra m 最大行程／ m m 泄漏模块间隙高度／ m m 泄漏模块间隙长度／ m m 油液绝对粘度／ 1 0～P a s 液压缸的工作过程 ， 设 置仿真时间为 6 2 0 s ， 仿真间 隔为 0 ． 5 s ， 运行类 型为单独运行 。运行仿真后 ， 得 到液压缸位移及速度曲线分别如图 3 、 图 4所示。 ＼ ＼ 7 ． ＼ ＼ ／ ＼ ＼ ／ ＼ ／ 0 ． 0 4 0 ． O 3 ￡ 0 ． 0 2 蓄0 ．0 1 0 00 艇 ．0 ． 0t ．O ．O 2 图 3液压缸位移 曲线 0 1 O 0 2 00 3 0 0 4 0 5 00 60 0 7 00 时 间 ， s 图 4液压缸速度 曲线 由图 3可知 ， 系统运行 4 0 1 ． 5 s 后 ， 启闭机液压 缸完全缩回， 闸门打开 ， 电磁换 向阀 8保持得 电状 态， 锁紧闸门， 有效 防止 闸门的下落。在 t4 2 0 s 时 ， 控制信号改变， 电磁换向阀 8失电 、 电磁换向阀 9得 电， 插装阀 1 3开启 ， 闸门依靠 自重关 闭。位移 曲线与启 闭机实际工作情况吻合， 证明了利用 A M E S i m搭建启闭机液压缸工作 回路模型模 拟液 2 6 压缸实际工作过程的可行性 。 单杆活塞式油缸的速度公式如下。 a ． 有杆腔 q ／ A l4 q B ／ 竹 ∥ 一d 1 b ． 无杆腔 ． q ／ A 24 q B ／ r r D 2 式中 表示速度； g表示流量 ； D表示活塞直径 ； d 表示活塞杆直径 ； 叼 表示容积效率。 根据表 l 设定的参数 ， 代人速度计算公式 1 可 得 到 闸 门开 启 时 液压 缸 活塞 的运 动 速 度 为 0 ． 0 1 6 6 8 m ／ s ，与 图4 所 示 运 行 结 果 0 ． 0 1 6 4 7 m ／ s 基本一致 ， 由于泄漏问题的存在 ， 导致 仿真结果略小于计算值 ， 误 差在允许范围 内， 从而 验证了该仿真模型的正确性 。 3液压 缸 内泄漏故障仿 真分析 液压缸 内泄漏主要发生在活塞与缸筒壁面间 的动密封部分和活塞与活塞杆之间的静密封部分 ， 由于活塞与活塞杆装配时 留有一定的过盈量 ， 两者 间的密封属于固定密封 ， 只要设计合理 ， 加工得 当， 此处的泄漏完全可以防止。然而， 在工作过程 中活 塞与缸筒壁面常处于相对运动状态 ， 使用中的磨损 会不断加大两者 间的间隙 ， 影响密封性能 ， 造成严 重的内泄漏问题 。因此 ， 在仿真中忽略了液压缸活 塞与活塞杆间静密封处 的泄漏 ， 通过 引入泄漏模 块 ， 设置液压缸活塞与壁面间的间隙大小及接触长 度 ， 主要考虑活塞与缸筒内壁处的内泄漏 。 启闭机液压缸的内泄漏曲线如图5所示。从 图 中可看出， 在闸门开启阶段启闭机液压缸的内泄漏 量约为0 ． 3 m L ／ m i n ． 当闸门完全开启后 ， 随着压力的 升高 ， 曲线 出现 了少许波动 ， 内泄漏量也有所减少 ； 在闸门关闭阶段 ， 油液 向与之前相反的方向泄漏。 2o o l O O i 0 b ． 1 0 0 ．2 0 0 憋 ． 3 0 0 ．40 0 一 。 L 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 时间 ／ s 图 5液压缸 内泄漏 曲线 同心环形间隙流量计算公式为 瑚 ㈣ 吣 啪