大型液壓阻尼器仿真建模及靜動態性能試驗研究

孔金震，錢亞鵬，賀 楓，朱翊洲，謝永誠，彭志科

（1.上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240；2.常州格林電力機械制造有限公司，江蘇 常州213119；3.上海核工程研究設計院有限公司，上海200240）

液壓阻尼器是一種對速度反應靈敏的振動控制裝置，其對速度變化具有敏感性，并且可利用液壓油提供運動的阻力來消耗外部振動和沖擊造成的運動能量，從而可避免外界過大能量對設備造成的破壞，進而起到保護重要裝備的作用。由于液壓阻尼器具有減振和抗沖擊的性能，它被廣泛地使用在核電廠、火電廠等大型工業環境中[1]。馮虎田等[2]分析并設計了火箭發射系統插拔機構中所用的液壓阻尼器，以保證火箭發射過程中的安全性。張歡等[3]研究了液壓阻尼器在反應器出料系統中的應用。Alan[4]研究了液壓阻尼器在改善鐵路安全和穩定方面的應用等。

在核電廠中，大型液壓阻尼器用于支撐蒸汽發生器、主泵等主設備，并且屬于核安全1 級設備，因此，大型液壓阻尼器的正常運行對保證核電廠的安全運行有重要意義[5]。國內外大部分對核電廠大型液壓阻尼器的研究還停留在對大型液壓阻尼器的設計、制造及應用等方面[6-7]。用于國和一號和華龍一號等核島主設備的大型液壓阻尼器[8]的研發促進了我國核電設備國產化的進程。液壓阻尼器性能試驗臺架設計也取得了一定進展[9-10]，這對阻尼器的性能改進有重要意義。在液壓阻尼器的故障模式研究及售后維護方面，王振久[11]提出了液壓阻尼器的監測系統。謝洪虎等[12]對液壓阻尼器的關鍵密封件進行延壽可行性研究。但總的來說，對液壓阻尼器故障模式的研究目前仍處在起步階段。一方面是由于核電廠對于阻尼器的故障診斷研究不夠重視，另一方面是由于阻尼器參數信息分散在設計、調試、檢修等不同環節的負責人手中，不完整的數據信息增加了對液壓阻尼器故障診斷研究推進的難度。

目前核電廠只能通過定期對液壓油進行檢查和更換來對阻尼器進行維護保養，無法實際判斷運行中的阻尼器性能參數是否仍滿足設計要求。阻尼器性能一旦失效就會引起主設備動態反應的變化，這些影響則會通過連接的管道傳播，進而對整個核電廠系統的設備造成潛在的破壞威脅，給核電廠運行帶來嚴重安全隱患。由此，有必要開展阻尼器故障診斷技術研究，實時監測阻尼器性能參數，識別阻尼器的主要故障模式，開展阻尼器壽命預測，為核電廠智能運維提供科學依據而可減少運維成本，提高核電廠的可靠性和經濟性。

大型液壓阻尼器的失效模式主要包括性能失效與密封失效兩種形式。密封失效主要包含由阻尼器密封件老化、零件磨損等引起的內泄漏與外泄漏；性能失效包括超極限載荷等導致的結構件斷裂、阻尼孔堵塞及液壓油性能退化。大型液壓阻尼器故障原因、故障模式以及失效模式總結如圖1所示。本文將借助適用于多學科領域建模的AMESim(Advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems)軟件建立液壓阻尼器的仿真模型，對仿真模型的準確性進行驗證，進一步以泄漏成因造成的密封失效故障為例進行模擬并得出阻尼器的監測信號與工作狀況之間的緊密關系，為液壓阻尼器故障診斷系統研究及實際應用提供理論基礎與指引。

圖1 大型液壓阻尼器故障原因、故障模式以及失效模式

1 基于AMESim 的液壓阻尼器仿真建模

1.1 AMESim平臺簡介

AMESim是一款多學科綜合的建模與仿真分析軟件，可對液壓及機械復雜系統等進行建模、仿真計算及動力學分析，研究系統的動態性能等[13]。在建模過程中，它可以將實際中難以建模的部分，如摩擦、油液特性、氣體特性等考慮在內，并可與Matlab等軟件進行聯合仿真，分析功能強大。該平臺中的不同模型庫可協同使用，各應用庫之間完全兼容，不需要大量的編程即可實現復雜系統的多學科交叉建模與仿真。由于這款軟件在多學科領域的系統建模的優勢突出，已在工程機械、航空航天、車輛等領域得到廣泛的應用[14]。

由于液壓阻尼器既涉及到機械領域的相關知識，又與液壓系統密不可分，因此本文所涉及到AMESim 平臺中的應用庫包括的機械庫、液壓庫及信號控制庫，結合液壓元件設計庫(HCD)等對液壓阻尼器進行仿真建模。機械庫用于設計液壓阻尼器的基礎機械結構，HCD用于設計液壓阻尼器的特殊結構，液壓庫用于構建液壓相關的部分。在此基礎上，通過調節物理參數等，對液壓阻尼器的不同運行狀態進行仿真分析。如調節泄漏模塊的直徑間隙等參數模擬液壓阻尼器的泄漏工況，調節阻尼孔的直徑模擬液壓阻尼器阻尼孔的堵塞等。大型液壓阻尼器主要由拉方向阻尼閥、壓方向阻尼閥、主油缸及輔油缸等組成。當被支撐設備受到外界沖擊時，液壓阻尼器的阻尼閥關閉，產生阻尼力，此時阻尼器變成近似剛性的連接元件，以抵抗外界沖擊力，起到減振作用，保護設備。

1.2 液壓阻尼器仿真模型建立

大型液壓阻尼器簡圖及其工作原理示意圖如圖2、圖3所示。本文中，仿真模型主要由液壓阻尼器和液壓加載試驗系統模型兩部分組成。前者是根據液壓阻尼器的工作原理來構建的，模型中各模塊的尺寸參數依照液壓阻尼器真實尺寸來設置；后者是為了模擬真實情況中的液壓加載，以便于液壓阻尼器的靜、動態試驗的仿真。詳細模型如圖4所示。圖中模型主要用于靜態性能仿真，動態性能仿真在此模型的基礎上進行了一些調整。阻尼器的重力也被考慮在此部分模型中。

圖2 液壓阻尼器簡圖

圖3 液壓阻尼器工作原理示意圖

由圖2可知，液壓阻尼器部分用于模擬液壓阻尼器本體，由無桿腔、有桿腔、活塞、拉向阻尼閥、壓向阻尼閥等元件組成。由此，圖4的模型中建立了阻尼器缸體（1、2）、閥芯小孔（3）、彈簧（4）、閥芯（5）等。其中，阻尼器缸體采用BAP12 子模型，閥芯部分采用BAP35子模型，閥芯小孔采用BHORF0子模型，閥芯質量采用MAS005 帶阻力和限位質量的模型，彈簧采用BAP016 模型。液壓加載系統模型的作用是模擬液壓阻尼器在實際工況下所受的外部載荷情況。主要包括加載液壓缸（6）、換向閥（7）、溢流閥（8）、單向閥（9）、液壓源（10）等部分。加載液壓缸采用HJ001 雙出桿結構模型，換向閥采用三位四通換向閥模型，用于控制加載液壓缸的運動方向。

圖4 液壓阻尼器AMESim仿真模型建模

1.3 模型參數及環境參數設置

根據液壓阻尼器的結構及尺寸，相應設置仿真模型中各參數。模型中重要元件的部分初始參數如表1所示，以壓向阻尼閥參數為例。元件編號與圖4中的編號相對應。（未列出的參數取軟件模塊中默認值。）

表1 阻尼器元件參數列表

依據液壓阻尼器實際工作條件及經驗，設置環境參數（液壓油特性參數等）。其中，油液溫度設置為25°C，油液密度設為1 072.4 kg/m3，絕對黏度設為214.91 cP。在此模型中，重力加速度取9.806 65 m/s2。（未列出的其他參數取默認值。）

2 仿真模型驗證及故障模擬

仿真模型建立完畢后，為了驗證模型的正確性與可靠性，對液壓阻尼器的性能試驗進行仿真[9-10]。將仿真得到的結果與格林提供的外推阻尼器試驗報告中的結果對比，以驗證模型的正確性。由于現實中運行過程存在著不可避免的摩擦阻力、元件之間存在加工誤差等無法控制的情況，軟件仿真結果與現實情況允許有一定的差別。

2.1 動、靜態性能試驗仿真

2.1.1 靜態性能試驗仿真

參考液壓阻尼器生產廠家格林公司提供的外推阻尼器試驗報告中的試驗設置，對主要的靜態性能試驗（閉鎖速度試驗）進行仿真。室溫下，使阻尼器活塞由低速運動，逐漸增大運動速度，觀察阻尼器活塞速度的變化及載荷的變化情況。調整仿真模型中液壓加載系統模型部分的參數，使其輸入為5 000 kN。得到如圖5所示的仿真結果，圖中展示出了活塞桿速度及載荷隨時間的變化情況。

圖5 靜態性能仿真結果

由圖5可以看出，在外界加載下，活塞速度逐漸增大，當其到達一定值后會急劇下降，此時對應阻尼器的閉鎖過程，其速度峰值即為阻尼器的閉鎖速度。當阻尼器發生閉鎖后，載荷的值也到升至5 000 kN附近，同時還存在一定的閉鎖后速度。與阻尼器的實際靜態性能試驗曲線對比，仿真曲線的走勢及特征與其相似，因此可初步從靜態性能的角度確定模型的準確性。

2.1.2 動態性能試驗仿真

參考液壓阻尼器生產廠家格林公司提供的外推阻尼器試驗報告中的試驗設置，對主要的動態性能試驗進行仿真。室溫下，對阻尼器輸入不同載荷、頻率的正弦信號，觀察阻尼器活塞的位移及載荷，得到位移-載荷的關系圖，并分析其特征。對仿真模型進行一些調整，可直接對阻尼器輸入正弦力，調整其參數，此處以頻率1 Hz、幅值為5 000 kN的正弦輸入為例展示仿真結果。得到如圖6所示的仿真結果，圖中展示了活塞桿的位移及其載荷隨時間的變化情況。

圖6 動態性能仿真結果

由圖6可以看出，活塞桿的位移與載荷是同相位變化的。進一步分析，得到如圖7所示的力-位移曲線，可以得出阻尼器有剛度特性的結論，通過計算得知其平均剛度值為2 019 kN/mm。與阻尼器的實際靜態性能試驗曲線對比，仿真曲線的走勢及特征與其相似，因此可初步從動態性能的角度確定模型的準確性。

圖7 力-位移曲線

2.1.3 性能試驗仿真小結

由上述仿真，阻尼器仿真模型的動態性能及靜態性能都與真實情況的試驗結果相符合，進一步驗證了模型的可靠性，同時也對阻尼器的各項特性有了更加深入的理解，為故障模擬等工作打下基礎。

2.2 仿真模型的故障模擬

在驗證了仿真模型的可靠性后，進行阻尼器的故障模擬試驗的仿真。主要包含阻尼器的內泄漏故障、外泄漏故障以及堵塞故障的模擬。此處以內泄漏故障為例來介紹。在AMESim軟件中的泄漏模塊中，對參數直徑間隙進行調整，可進行阻尼器內泄漏故障的模擬。將參數直徑間隙由小調大，閉鎖速度上升，閉鎖后速度上升，載荷下降。即需要更大的外界速度輸入才能使阻尼器閉鎖，而且閉鎖后的阻尼力也相應變小。

3 監測信號與阻尼器工作狀態邏輯關系

圖8 液壓阻尼器工作原理圖及本試驗方案的監測點

本研究采用的監測點如圖8所示。監測量包含有桿腔和無桿腔的壓力P1、P2，活塞桿的位移S，阻尼器溫度T等。

根據仿真結果，通過定性分析，探究在阻尼器不同的工作狀態下監測信號之間的邏輯關系。在本研究中考慮四種不同的阻尼器工況，包括：正常工況、存在外泄漏工況、存在內泄漏工況、存在阻尼閥堵塞工況。關于阻尼器的正常工作模式，結合被支撐設備的運行工況，有以下四種：熱位移模式、靜止模式、偶發沖擊模式、振動模式。以監測信號與阻尼器正常工作狀態的邏輯關系作為一個參照，總結如表2。

3.1 存在外泄漏工況

外泄漏會導致阻尼器儲油箱油量減少，嚴重時導致工作腔缺油。除外泄漏導致阻尼器儲油量減少外，阻尼器長期工作及其工作模式也會使儲油量減少。根據儲油量損耗對該故障模式進行以下分級：輕微（指儲油量下降最初值的20 %或以下）、一般（指儲油量下降最初值的20%～60%）、嚴重（指儲油量下降最初值的60%～90%）、失效（指儲油量下降最初值的90 %以上；全部消耗時背壓會突然消失）。監測信號與阻尼器存在外泄漏工況的邏輯關系如表3所示。

可以得出，阻尼器存在外泄漏的工況下，背壓會下降，隨故障級別的上升，背壓下降的趨勢增大，活塞桿速度只有在發生失效、處于偶發沖擊及持續振動時才會有增大的趨勢，其他指標與正常狀態無異。

表2 監測信號與阻尼器正常工作狀態的邏輯關系

表3 監測信號與阻尼器存在外泄漏工況的邏輯關系

3.2 存在內泄漏工況

內泄漏是指阻尼閥閉鎖后，活塞兩邊的液壓油除了通過預先設定的溢流通道流動外，還可通過其他部位流動的工況。該故障模式僅影響整機性能中旁路速度（使變大）及動態剛度（使變小）指標（極其嚴重時可能影響閉鎖速度，但幾乎不可能出現，不予研究對策）。

本項目將該故障模式劃分為以下兩個級別：一般（旁路速度大于出廠測試值且達到規范書要求上限值的90%）、嚴重（旁路速度大于規范書要求上限值）。監測信號與阻尼器存在內泄漏工況的邏輯關系如表4所示。可以得出，存在內泄漏的工況下，當系統處于偶發沖擊模式、振動模式的工作模式時，活塞桿的速度及位移相對于正常狀態略大，其他指標與正常狀態無異。

3.3 存在阻尼閥堵塞工況

阻尼閥堵塞工況是指阻尼閥組（由單向閥+溢流閥構成）遭到異物堵塞從而改變阻尼特性的工況。異物可能是裝配前清洗未徹底的機加殘留物或長期運行過程產生的磨損粉末等。前者導致單向閥堵塞（顆粒長度大于單向閥）或溢流閥的堵塞；后者堆積可能導致溢流閥的堵塞。單向閥堵塞將使閉鎖速度變小，溢流閥堵塞將使旁路速度變小。本項目將該故障模式劃分為以下兩個級別：一般（閉鎖速度或旁路速度達到出廠測試值的60%，或達到規范書要求下限值的1.1倍）、嚴重（閉鎖速度或旁路速度小于規范書要求下限值）。監測信號與阻尼器存在阻尼閥堵塞工況的邏輯關系如表5所示。可以得出，存在阻尼閥堵塞的工況下，當系統處于偶發沖擊模式、振動模式的工作模式時，活塞桿的速度及位移相對于正常狀態略小，其他指標與正常狀態無異。

表4 監測信號與阻尼器存在內泄漏工況的邏輯關系

表5 監測信號與阻尼器存在阻尼閥堵塞工況的邏輯關系

4 結語

本文針對大型液壓阻尼器的故障模式，利用多學科綜合的建模仿真軟件AMESim平臺對大型液壓阻尼器進行建模，通過液壓阻尼器和液壓加載試驗系統兩部分仿真模型來模擬阻尼器的真實工作狀態，并對模型進行了動、靜態性能試驗仿真，以驗證模型的準確性與可靠性。通過調節仿真模型的參數，如泄漏模塊的直徑間隙等對仿真模型進行故障模擬并分析。最后，結合被支撐設備的四種運行工作模式（熱位移模式、靜止模式、偶發沖擊模式、振動模式），對阻尼器在正常工況、存在外泄漏工況、存在內泄漏工況、存在阻尼閥堵塞工況四種不同工況下監測信號進行定性分析，得出其中的邏輯關系。存在外泄漏的工況下，背壓會下降，隨故障級別的上升，背壓下降的趨勢增大，活塞桿速度只有在發生失效、處于偶發沖擊及持續振動時才會有增大的趨勢，其他指標與正常狀態無異。存在內泄漏的工況下，當系統處于偶發沖擊模式、振動模式的工作模式時，活塞桿的速度及位移相對于正常狀態略大，其他指標與正常狀態無異。存在阻尼閥堵塞的工況下，當系統處于偶發沖擊模式、振動模式的工作模式時，活塞桿的速度及位移相對于正常狀態略小，其他指標與正常狀態無異。本文的研究可為液壓阻尼器進一步故障模式研究及故障診斷系統研究打下良好的理論基礎。