基于AMESim的多液壓缸系統故障建模與仿真分析

韓博，王兆強，謝超，盧燦，劉斌山，王小強

(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620；2.中航通飛華南飛機工業有限公司，廣東珠海 519090；3.上海船舶設備研究所，上海 200000；4.上海海岳液壓機電工程有限公司，上海 200000)

0 前言

隨著工業技術的蓬勃發展，液壓技術在工程領域中應用日趨增長[1]。由于大型設備負載能力的增加，傳統的單執行機構驅動方式已經無法滿足現代制造要求，多液壓缸驅動負載在各工程領域得到廣泛的使用[2-3]，如工程機械、海洋工程、橋梁工程、航天航空等[4-7]。

然而，這些設備元件繁多、結構復雜，且造價昂貴，一旦發生故障不易排除，甚至會造成重大的事故[8-9]。運用計算機仿真技術不僅可以模擬系統功能，縮短開發周期和成本，還可以通過仿真對系統進行整體分析和評估，從而達到優化設計、提高系統穩定性及可靠性的目的[10]。基于AMESim建模仿真平臺對多液壓缸系統展開系統建模，可以驗證多液壓缸系統的合理性、性能參數的正確性，評估系統的可靠性與故障風險[11-12]。因此，對多液壓缸系統進行故障仿真建模研究意義重大。

本文作者首先簡要闡述一種多液壓缸系統的組成和工作原理，然后基于AMESim建模與仿真平臺進行系統建模，其次，結合現實失效方式對典型故障模式進行注入建模；最后，以齊動模式的工況為例，對不同故障模式和正常狀態的液壓缸運行參數進行對比分析，最后給出結論。

1 多液壓缸系統組成與原理

多液壓缸系統原理如圖1所示，它主要由液壓泵、溢流閥、節流閥、蓄能器、過濾器、三位四通電磁換向閥、二位三通電磁換向閥、雙桿液壓缸、單桿液壓缸等組成。其中三位四通電磁換向閥與雙桿液壓缸組共同組成鎖止機構，二位三通電磁換向閥與單桿液壓缸組共同組成舉升機構。

圖1 多液壓缸系統液壓原理

整個系統由液壓泵供液，起泵后，油泵向系統供油。當電控系統發送工作指令時，三位四通電磁換向閥接收到電流信號，閥芯在電磁鐵的作用下迅速向左移動，此時P口與A口接通，B口與T口接通。液壓油進入雙桿液壓缸組的上側液壓室，使得柱塞向下移動，機構開始開鎖。

根據機構位移信號調整電流大小，使得三位四通換向閥閥芯向右移動，當開鎖動作完成時，三位四通換向閥處于中位機能，鎖止機構靠其負載維持開鎖狀態。另一方面，在單桿液壓缸組沒有鎖止的情況下依靠其負載作用使得柱塞向下移動打開，進入工作狀態。

當結束工作狀態后，電控系統發送關閉指令，二位三通換向閥接收到電流信號，閥芯在電磁鐵的作用下向右移動，此時P口與A口接通，液壓油通入單桿液壓缸下側的液壓室，使得柱塞在抵抗負載的作用下，向上移動關閉。當關閉動作結束后，此時三位四通換向閥閥芯在電磁鐵的作用下，迅速向右移動。此時P口與B口接通，A口與T口接通。液壓油進入雙桿液壓缸組的下側液壓室，使得柱塞向上移動，機構鎖止，結束工作狀態。

2 AMESim建模仿真

根據多液壓缸系統的工作原理和結構特性[13]，利用AMESim搭建液壓系統和控制邏輯仿真模型。考慮到模型的復雜度，為保證系統建模準確性以及兼顧仿真效率，直接采用AMESim元件庫中現有的模型[14]，為分析不用工況下的系統特性和故障模擬奠定基礎[15]。

2.1 供油系統模型

根據圖1對供油系統進行AMESim建模，如圖2所示。除了液壓基本元件外，供油系統AMESim模型中還包含一個接收器元件，它作為液壓源故障信號的注入點。在供油系統模型中，參數設置見表1。

表1 供油系統AMESim模型參數

圖2 供油系統模型

2.2 舉升系統模型

舉升系統仿真模型主要由二位三通電磁換向閥、單桿液壓缸、模擬負載、控制單元ECU_V2和控制單元ECU_J2組成，如圖3所示。其中，單桿液壓缸為超級元件，其仿真模型如圖4所示。單桿液壓缸的無桿腔為氣動腔，有桿腔為液動腔。

圖3 舉升系統模型

圖4 單桿液壓缸模型

除了液壓基本元件外，供油系統AMESim模型中還包含可變節流孔、速度與位移傳感器、發射器、接收器、狀態機，這些元件共同組成了舉升系統的邏輯控制系統。其中速度與位移傳感器將油缸速度與位移量通過發射器傳輸給ECU_J2上的接收器去做一定的邏輯運算，ECU_J2將結果傳遞給ECU_V2并轉化成電流信號控制二位三通電磁閥的換位。另一方面，二位三通電磁閥的故障注入也在控制單元ECU_V2上，并且可變節流孔和接收器元件組成了油缸故障注入點。

在舉升系統模型中，參數設置參照表2。

表2 舉升系統AMESim模型參數

2.3 鎖止系統模型

鎖止系統仿真模型主要由三位四通電磁換向閥、雙桿液壓缸、模擬負載、控制單元ECU_V1和控制單元ECU_J1組成，如圖5所示。

圖5 鎖止系統模型

除了液壓基本元件外，鎖止系統AMESim模型中還包含信號庫元件、位移傳感器、狀態機、發射器、接收器等，這些元件共同組成了鎖止系統的閉環控制系統。一方面，位移傳感器將鎖止缸的位移量通過發射器傳輸給ECU_J1上的接收器，控制單元ECU_J1可以根據鎖止缸是否鎖止到位來控制油缸是否帶載，這樣可以模擬機構解鎖油缸在負載的作用下自由下落的過程。另一方面，ECU_J2將油缸位移的計算結果傳遞給ECU_V1并結合油缸的速度量做一定的判斷，最后將結果轉化成電流信號控制三位四通電磁閥的換位。三位四通電磁閥的故障注入也在控制單元ECU_V1上，可變節流孔和接收器元件也組成了鎖止缸故障注入點。在鎖止系統仿真模型中，參數設置見表3。

表3 鎖止系統AMESim模型參數

2.4 整體系統模型

圖6為多液壓缸系統整體仿真模型。由執行系統和鎖止系統組成一個子系統。多液壓缸系統整體由供油系統和兩個子系統組成。其工況模式有3種：分動、連動、齊動。分動指的是兩個子系統之間獨立完成工作，連動指在1號子系統完成工作時2號子系統開始工作，齊動則為兩個子系統同時完成工作。

圖6 多液壓缸系統整體仿真模型

3 故障注入仿真分析

將典型故障模式進行故障建模，將失效原因、失效模式表示為相應的輸入輸出信號變化、系統參數變化、性能指標變化等參數或狀態量，將之注入到系統模型，進行結果分析，即可驗證系統的故障模式[9]。

文中所涉及到的典型故障機制模型及其建模方式如表4所示。

表4 故障機制模型及其建模方式

以齊動模式為例，分別對液壓源故障、二位三通電磁換向閥故障、三位四通電磁換向閥故障、作動液壓缸故障和鎖止液壓缸故障進行建模與仿真分析。以1號子系統為例進行故障注入仿真分析。由于2號子系統各液壓缸位移曲線與1號子系統正常模式下相同，為了突出故障與非故障的對比，不再展示。

3.1 液壓源故障注入仿真結果

模擬液壓源故障點，可以在供油系統中添加可變節流孔元件和常數元件。其中常數元件用來調節可變節流孔的通徑，當常數為0時，節流孔通徑為0，無油液流入兩個子系統，此時相當于液壓源失效。圖7為液壓源故障注入與正常模式下1號子系統各液壓缸位移曲線對比。液壓源故障模式下，由于液壓源已關閉，二位三通電磁換向閥和三位四通電磁換向閥雖然有電流信號，但是并沒有壓力使鎖止缸活塞向下移動，因此鎖止機構并未解鎖，油缸位移也為0。

圖7 液壓源故障下多液壓缸位移曲線

3.2 二位三通電磁換向閥故障注入仿真結果

模擬二位三通電磁換向閥故障，可以將控制邏輯建模中的電磁輸入信號的增益置0。此時二位三通電磁換向閥電流為0，電磁閥失效。

圖8為二位三通電磁換向閥故障注入與正常模式下1號子系統各液壓缸位移曲線對比。二位三通電磁換向閥故障模式下，1號鎖止缸在0 s處開始伸出，伸出動作用時0.15 s；1號油缸機構解鎖后，在0.26 s處油缸在負載的作用下自動伸出，伸出動作用時1.26 s。伸出后，由于二位三通電磁閥故障，一直處于中位機能，并沒有壓力使1號油缸收回，又由于油缸不再收回，無法給三位四通電磁閥收回鎖止缸的信號，所以1號鎖止缸也不再收回。

圖8 二位三通電磁換向閥故障下多液壓缸位移曲線

3.3 三位四通電磁換向閥故障注入仿真結果

和二位三通電磁閥故障注入相同，將三位四通電磁換向閥前的電磁輸入信號的增益置0。

圖9為三位四通電磁換向閥故障注入與正常模式下1號子系統各液壓缸位移曲線對比。三位四通電磁換向閥故障模式下，1號三位四通電磁換向閥失效，鎖止缸位移一直為0；鎖止機構并未解鎖，油缸被鎖死，位移也為0。

圖9 三位四通電磁換向閥故障下多液壓缸位移曲線

3.4 油缸故障注入仿真結果

模擬油缸故障點，可以在子系統油缸進油口處中添加可變節流孔元件和常數元件。其中常數元件用來調節可變節流孔的通徑，當常數為0時，節流孔通徑為0，無油液流入油缸，此時相當于油缸堵塞失效。

圖10為左油缸故障注入與正常模式下1號子系統各液壓缸位移曲線對比。1號鎖止缸在0 s處開始伸出，伸出動作用時0.21 s；1號右油缸在等到鎖止缸伸出到位后，在其負載的作用下開始伸出。由于左油缸堵塞故障，其位移為0并且右油缸排油口流量增大1倍使得其伸出所用時間變短，提前進入工作狀態。當右油缸結束工作狀態時，由于左油缸位移一直為0，三位四通電磁閥檢測到左、右油缸都已關閉的信號，所以鎖止缸在5.47 s收回，收回用時0.09 s。

圖10 左油缸故障下多液壓缸時間位移曲線

3.5 鎖止缸故障注入仿真結果

和左油缸故障注入相同，添加可變節流孔元件和常數元件，并將常數置0。

圖11為左鎖止液壓缸故障注入與正常模式下1號子系統各液壓缸位移曲線對比。

圖11 左鎖止缸故障下多液壓缸位移曲線

如圖11所示，左鎖止液壓缸故障模式下，1號左鎖止缸位移一直為0，左鎖止缸失效；左油缸在機構鎖止的作用下位移為0。由于左油缸被鎖止，右油缸排油口流量增大1倍使得其伸出所用時間變短，提前進入工作狀態。當右油缸結束工作狀態時，由于左油缸位移一直為0，三位四通電磁閥檢測到左、右油缸都已關閉的信號，所以鎖止缸在5.47 s開始收回。又因為左鎖止缸故障，兩缸平均位移量減少一半，導致伺服系統調節紊亂，鎖止缸緩慢關閉。

3.6 故障注入仿真分析

建立液壓源故障，發現當主液壓源失效時，二位三通電磁閥和三位四通電磁閥雖然有電流信號但是各液壓缸并沒有響應，故位移為0。在真實故障中，主液壓源一旦停機，就必須根據需求考慮蓄能器充氣的初始壓力或者準備備用液壓源。

建立二位三通電磁閥故障時，油缸在重力的作用下伸出，但無法收回，此時的電控系統通過檢測油缸的位移信號來調整三位四通電磁閥的電磁信號，由于油缸不在收回狀態，三位四通電磁閥也不再換向。因此，發生該種故障油缸無法收回時，三位四通電磁閥是否需要根據實際需求，改變信號將鎖止缸收回上鎖，使系統保持該種故障狀態是控制策略需要考慮的問題。

三位四通電磁閥故障時，鎖止機構并未解鎖，油缸位移一直為0。該種失效方式僅導致無法進入工作狀態，一般情況下考慮更換電磁閥。

左油缸故障時，左油缸在得到鎖止缸伸出到位信號后，位移一直為0。又由于故障左油缸位移為0，三位四通電磁閥檢測到正常右油缸關閉的信號，所以鎖止缸收回。針對單缸故障問題，需要考慮只存在一個油缸保持正常工作狀態是否可以暫時獨立完成負載的舉升，是否會產生負載過大導致油缸活塞桿變形的問題。

左鎖止缸故障時，左鎖止缸位移一直為0，機構無法解鎖，因此左油缸也無法開啟，油缸位移為0。針對鎖止缸單缸故障問題，由于閉環控制系統是根據兩鎖止缸的平均位移量調整電磁閥閥芯位置，因此需考慮更全面的控制策略，使得當鎖止缸堵塞時，另外一個鎖止缸可以正常伸出和收回。

4 結論

為了實現多液壓缸系統故障注入仿真，本文作者以多液壓缸系統仿真模型為基礎，將系統仿真模型與子系統故障模式相關聯，建立了液壓、結構、控制等不同子系統和機電液不同學科機制的系統故障模型，實現了不同故障位置、不同失效方式的故障注入與仿真控制功能，最后對不同故障模式下與正常模式下的仿真結果進行對比分析。

結果表明：通過添加或修改子模型和參數，為多液壓缸系統仿真模型注入故障信息，可以方便地將現實失效方式轉換成模塊化的仿真模型，實現液壓系統故障仿真。這為后續的同類產品設計與優化提供了參考。

在后續的研究中，作者將基于該多液壓缸系統仿真模型，進行同步性分析與多參數優化。