基于AMESim舉高消防車調平液壓系統故障仿真

魏蘇杰 王 欣 徐志升 程凱華 李 強

1大連理工大學機械工程學院 大連 116024 2大連船舶重工集團裝備制造有限公司 大連 116024

3泰安航天特種車有限公司 泰安 271000

0 前言

百米級舉高消防車是一種在市政搶修和消防救援等場合常用的工程機械，為減少火災保證人民財產安全，其可靠性優劣尤為重要[1-3]。據統計，工程機械故障中有80%是由液壓系統故障引起的，實際的液壓系統是復雜的非線性系統，故障產生的原因是相互關聯的，主要表現為震動、噪聲或活塞桿動作緩慢等，僅依靠人為觀察診斷故障的位置和原因，周期長且準確性差[4]。因此，提出建立智能液壓故障預測系統，但現存在的問題是故障數據不足，通過搭建試驗平臺來獲取精確的數據樣本，會消耗大量時間、人力和物力。為此，提出采用實驗虛擬化的辦法進行故障仿真來獲取故障數據。

近年來，很多學者研究液壓系統故障仿真，但大多數主要集中在對系統某一種故障的仿真分析。汪宇亮[5]根據液壓缸泄漏故障機理研究建立基于AMESim液壓缸泄漏故障的模型與仿真；趙鵬等[6]采用AMESim軟件構建齒輪泵泄漏故障模型，并將故障仿真數據用于故障預測；謝沅辰等[7]通過對飛機襟翼液壓系統作故障分析與仿真，得到不同故障形式下的故障樣本數據；王如等[8]進行了AMESim液壓支架液壓系統泄漏故障仿真研究。本文對舉高消防車調平液壓系統中幾種典型故障進行仿真與分析，并進行了液壓系統故障特征、故障樣本及故障矩陣的整理，為智能液壓故障預測系統的建立提供故障數據。

舉高消防車的液壓系統主要由支腿液壓系統、回轉液壓系統、臂架起升變幅液壓系統和調平液壓系統構成。其中作業平臺需要載人工作，對調平機構有較高的可靠性要求。因此，主要以調平液壓系統為研究對象，分析其工作原理及常見故障，并建立其各種故障下的AMESim仿真模型，實現液壓系統故障動態仿真。

1 調平系統工作原理與故障分析

舉高消防車調平液壓系統由液壓泵、蓄能器、平衡閥、液壓缸、手動換向閥、差壓順序閥等部件組成，其主要功能是用于保證載人工作平臺始終與地面保持水平，調平液壓系統原理如圖1所示。液壓系統從油源液壓泵出發到執行元件液壓缸有3條液壓回路，其一是由液壓泵14、差壓順序閥12、電磁換向閥8、梭閥7、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，該液壓回路為調節平臺角度的主液壓回路；其二是由液壓泵14、二位二通閥11、二位四通閥10、三位四通電磁閥9、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，該液壓回路為常閉狀態，是液壓備用回路，在主液壓回路出現故障時，才開始工作，用于調節平臺角度；其三是由蓄能器2、手動液壓泵3、手動換向閥4、平衡閥5和液壓缸6組成的液壓回路，用于緊急制動或補油，即在出現緊急狀態或漏油時，啟動的液壓回路。由此可見，該液壓系統為冗余設計，這樣充分保證了消防工作人員的安全。

圖1 調平液壓系統原理圖

采用主液壓回路和備用液壓回路，保障了人身安全，但大大增加了前期投資成本和后期維護費用。對比而言，若采用智能液壓故障預測系統，可以通過檢測液壓系統流量、壓力和位移等的變化，判斷出故障可能發生位置和時間，便于維修人員提前檢查和維修，不僅減少前期投資成本和后期維護費用，而且大大減少安全事故的發生，保證人身安全。

調平液壓系統主液壓回路中，油液從主液壓泵14流出，流經單向閥13、電磁換向閥8和平衡閥5，流入調平液壓缸6，帶動活塞桿移動。當電磁換向閥8處于左位時，油液進入液壓缸無桿腔側，活塞桿伸出；當電磁換向閥8處于右位時，油液進入液壓缸有桿腔側，活塞桿縮回。液壓系統中元件故障統計，如表1所示，液壓泵主要故障為內泄漏，表現為油泵過熱或泵出口流量不足和壓力不足；液壓缸的典型故障為液壓缸內泄漏，主要表現為活塞桿不能動、動力不足或速度達不到規定值；換向閥的典型故障為閥芯卡滯，表現為液壓缸進油口壓力不足；平衡閥回油不通，主要是溢流閥卡住造成的；泵出口壓力增大，可能是安全閥卡住造成的；還有其他的輔件造成的系統問題。接下來主要對調平液壓系統中液壓泵內泄漏、液壓缸內泄漏、換向閥卡滯、平衡閥卡滯、安全閥卡滯故障進行建模與仿真分析。

表1 主要元件故障統計

2 調平系統故障仿真模型

采用AMESim軟件構建的調平液壓系統仿真模型，如圖2所示，包括油源模塊、主進油路模塊、備用進油路模塊、平衡閥模塊和負載模塊。由于主液壓回路運用頻繁易損壞，僅對主液壓回路進行故障注入與仿真分析。

圖2 調平液壓系統仿真模型

液壓系統故障主要是由最基本的元件故障直接或間接引起的。因此，首先分析各元件的故障現象，及故障注入模型的搭建，其次將這些故障模型依次加入調平液壓系統主液壓回路的仿真模型中，最后根據仿真結果，提取每個元件不同損壞程度的故障數據。

2.1 液壓泵泄漏故障模型

由表1可知，液壓泵油液中混入空氣，可通過泵是否有噪聲人為判斷，在此不再進行考慮。僅考慮液壓泵內泄漏故障，主要表現為油泵過熱或泵出口流量壓力不足。為了模擬液壓泵內泄漏故障，將液壓泵并聯一個節流閥，圖3為液壓泵故障注入模型。通過改變節流閥孔徑大小，來模擬液壓泵不同程度泄漏狀況，液壓泵泄漏故障由小到大分別選取節流閥孔徑為0.000 1 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm、0.55 mm。

圖3 液壓泵故障注入模型

2.2 液壓缸內泄漏故障模型

從表1可知，液壓缸活塞桿不能動作或動作無力，速度達不到規定要求等常見故障現象，均是由于液壓缸內泄漏造成的。為了模擬液壓缸內泄漏故障，利用AMESim中的HCD庫搭建液壓缸內泄漏故障注入模型，如圖4所示。通過液阻模擬液壓缸內泄，端口1、2進行液壓油的流量交換，端口3、4的速度決定運動方向。液壓缸發生內泄漏時，一部分液壓油會流經液阻直接進入另一腔室，活塞桿動作無力，為模擬不同程度內泄漏，液阻間隙依次設置為0、0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm。

圖4 液壓缸故障注入模型

2.3 換向閥卡滯故障模型

換向閥卡滯，導致閥芯運動不到位，開口變小。對于仿真中的換向閥模型，設飽和電流的值為A,換向閥的開口X，輸入信號為I，則換向閥的開口大小D為

通過改變輸入電流信號的大小，可對相應換向閥閥芯卡滯導致開口不足的故障形式，將信號設置為40、36、32、28、24模擬仿真開口度為100%、90%、80%、70%、60%的情況。

2.4 平衡閥和安全閥卡滯故障模型

平衡閥中溢流閥卡滯導致液壓缸無法回油，液壓系統壓力增大，長時間造成液壓缸及系統其他元件損壞，引發安全事故。同理，如果安全閥卡滯故障，造成液壓泵出口壓力增加，長時間液壓泵損壞。如圖5所示，通過在溢流閥出口增設節流閥來模擬，閥卡滯故障，利用調節節流閥開口大小來模擬不同溢流閥卡滯故障情況。平衡閥故障中節流口開口由大到小依次為5 mm、1 mm、0.85 mm、0.5 mm和0.35 mm，安全閥故障中節流口開口由小到大依次為5 mm、1 mm、0.5 mm、0.3 mm和0.1mm，模擬閥芯卡滯程度，設定5 mm為節流口開口最大位置。

圖5 溢流閥卡滯故障注入模型

3 仿真結果分析

將液壓缸泄漏、液壓泵泄漏、換向閥卡滯、平衡閥、安全閥卡滯故障，依次注入調平系統主液壓回路中，利用AMESim軟件進行仿真分析。調平液壓系統仿真參數設置如表2所示，假設液壓系統油液不被污染，液壓系統不出現堵塞故障，液壓系統油溫保持在一定范圍內。模擬液壓缸、液壓泵、平衡閥、安全閥故障仿真時，保證換向閥右位完全打開；模擬換向閥卡滯情況時，其他部件均為正常。

表2 調平液壓系統仿真參數

3.1 液壓泵泄漏故障

液壓泵泄漏故障注入調平主液壓回路中，曲線如圖6所示。從仿真曲線可知，隨著泄漏直徑增加，泵泄漏量增大，泵出口壓力、流量及活塞桿伸出速度逐漸減小。在泄漏直徑大于0.4 mm之后，泵出口壓力、流量及活塞桿伸出速度下降速度突然增加，根據曲線斜率不難看出變量對泄漏量敏感度遞增排序為壓力、速度、流量。3個變量可作為檢測泵泄漏的故障特征，故在泵出口位置增設流量、壓力傳感器，在活塞桿上增設速度傳感器，通過數據變化，來檢測是否發生泵泄漏故障。

圖6 泵泄漏故障仿真曲線

3.2 液壓缸泄漏故障

液壓缸長時間使用活塞磨損，形成環形縫隙造成內泄漏，由于內泄漏隱蔽性較強，很難肉眼發現。仿真設置液阻間隙為0、0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm，液壓缸內泄漏故障仿真如圖7所示。仿真結果看出，隨著活塞磨損增大，泄漏量增加，液壓缸進口壓力、流量減小，活塞桿速度減小，平臺調平時間增長。在磨損直徑增加到0.03 mm后，液壓缸進口壓力、流量，活塞桿速度變化增大，根據曲線斜率不難看出變量對泄漏量敏感度遞增排序為速度、壓力、流量。液壓缸出口壓力、流量及活塞桿速度可作為故障特征，在相應位置增設傳感器，來監測液壓缸的健康狀態。

圖7 液壓缸內泄漏故障仿真曲線

3.3 換向閥故障

換向閥卡滯故障，將開口度由大到小依次設置為100%、90%、80%、70%、60%，故障仿真曲線如圖8所示。隨著換向閥開口逐漸變小，換向閥出口壓力和活塞桿速度降低明顯，可作為故障特征，壓力信號最為敏感。在換向閥出口位置增設壓力傳感器，通過壓力傳感和速度傳感器信號，檢測換向閥是否出現故障。

圖8 換向閥卡滯故障仿真曲線

3.4 平衡閥和安全閥故障

平衡閥與安全閥故障是溢流閥卡滯或堵塞造成流量減小。平衡閥故障中節流閥開口由大變小，仿真曲線如圖9所示，在開口為20%～100%之間時，有桿腔壓力、流量和活塞桿速度變化不明顯，當開口度小于20%時，有桿腔壓力突增，有桿腔流量和活塞桿速度突降，故此時平衡閥開始逐漸失效。在有桿腔處設置流量壓力傳感器。

圖9 平衡閥卡滯故障仿真曲線

安全閥故障中節流口由大到小，仿真曲線如圖10所示，隨著開口變小輸入流量增加，在開口小于10%時，活塞桿出現失速現象，系統壓力異常增高，造成整個液壓系統損壞，引發安全事故。系統壓力可以作為安全閥故障特征。表3為安全閥故障數據。

表3 安全閥故障數據

圖10 安全閥卡滯故障仿真曲線

3.5 故障特征和故障樣本

故障特征矩陣如表4所示，表中流量、壓力和速度均由設置的傳感器測得。Ps為系統壓力；qs為系統流量；Pd為換向閥出口壓力；P1為液壓缸無桿腔壓力；q1為液壓缸無桿腔流量；P2為液壓缸有桿腔壓力；q2為液壓缸有桿腔流量；v為活塞桿速度。

表4 調平主液壓回路故障特征矩陣

故障仿真的數據以表5的形式進行統計，作為監督學習故障樣本，為智能故障預測系統的搭建提供樣本數據。

表5 部分故障樣本

4 結論

總結了液壓系統中常見的故障，包括液壓泵、液壓缸、換向閥、溢流閥故障，并根據元件故障原理在AMESim中建立各個故障模型，并注入調平主液壓回路進行故障仿真分析。利用AMESim軟件建立調平液壓系統的故障模型能夠較好地模擬液壓系統的實際故障狀態，不需要耗費人力、物力搭建試驗平臺，就可以獲取液壓系統幾種典型故障模式的故障特征和故障數據。

以舉高消防車調平液壓系統故障仿真為例，為復雜液壓系統故障研究數據的獲取提供了新思路。后續將通過試驗來驗證仿真結果的合理性。