， ， ， (1.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004；2.燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004)

引言

翻車機(jī)具有生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于港口、冶金及發(fā)電等大型企業(yè)的物料裝卸系統(tǒng)之中。翻車機(jī)在卸料系統(tǒng)中是最核心和最復(fù)雜的設(shè)備，其一旦發(fā)生液壓控制系統(tǒng)故障，則故障排除困難、維修周期長(zhǎng)、嚴(yán)重影響生產(chǎn)[1]。所以對(duì)翻車機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷有著重要意義。本研究采用AMESim軟件對(duì)神華黃驊港3號(hào)翻車機(jī)液壓系統(tǒng)靠車部分進(jìn)行了建模故障仿真分析，其所得的一些結(jié)論為后續(xù)建立翻車機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)提供參考[2]。

仿真分析過(guò)程分為三個(gè)階段：首先，對(duì)液壓系統(tǒng)中的元件進(jìn)行建模，并根據(jù)元件的樣本曲線調(diào)整虛擬元件的各參數(shù)，使模擬的壓差-流量曲線與樣本中的基本一致，保證元件模型基本正確[3]；其次，基于元件模型，構(gòu)建整體液壓系統(tǒng)仿真模型；最后，對(duì)虛擬液壓系統(tǒng)注入常見(jiàn)故障，分析仿真結(jié)果，總結(jié)由于故障所導(dǎo)致的系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了由各個(gè)參數(shù)變化規(guī)律診斷液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障的目標(biāo)。

由于翻車機(jī)液壓系統(tǒng)自帶有接壓力傳感器的測(cè)壓接頭，而且壓力信號(hào)對(duì)故障的敏感性較高，所以仿真研究中采用系統(tǒng)中各部位的壓力值作為狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷的特征參數(shù)。

1　翻車機(jī)液壓系統(tǒng)原理及介紹

翻車機(jī)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩組液壓缸，包括壓車缸組和靠車缸組?？寇嚫捉M共8個(gè)液壓缸分布在C型轉(zhuǎn)子式翻車機(jī)的閉式側(cè)，其中每4個(gè)液壓缸的活塞桿由靠車板剛性連接在一起。靠車缸的整個(gè)工作過(guò)程包括：壓靠、保壓和回縮三個(gè)階段。壓車缸共10個(gè)，開(kāi)式側(cè)4個(gè)，閉式側(cè)6個(gè)?？寇囈簤合到y(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。當(dāng)電液換向閥右位工作時(shí)，靠車缸伸出，液壓缸有桿腔的油液經(jīng)節(jié)流閥和液壓鎖回油箱。溢流閥的調(diào)定壓力為80 bar。當(dāng)靠車缸壓靠到位，觸發(fā)靠車板上的限位開(kāi)關(guān)發(fā)出訊號(hào)，電液換向閥斷電中位工作，由液控單向閥將油液鎖死在靠車無(wú)桿腔內(nèi)。然后，翻車機(jī)開(kāi)始翻轉(zhuǎn)靠車缸承受車皮和物料的部分重力，使無(wú)桿腔壓力升高。在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)160°后，翻車機(jī)回轉(zhuǎn)到原位。隨后，電液換向閥左位工作，靠車缸無(wú)桿腔液控單向閥反向開(kāi)啟，靠車缸縮回。支路上的液控單向閥反向開(kāi)啟由兩個(gè)電磁換向閥共同控制。如圖1所示。

圖1　靠車液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2　關(guān)鍵液壓元件的建模與驗(yàn)證

翻車機(jī)液壓系統(tǒng)主要由電液換向閥、液控單向閥和液壓缸等元件組成。電液換向閥和液控單向閥在AMESim元件庫(kù)中沒(méi)有現(xiàn)成元件，本研究采用AMESim中的HCD庫(kù)建立這兩個(gè)元件。

2.1　電液換向閥仿真模型的建立

電液換向閥的模型，如圖2所示，圖中上面部分是主閥，下面部分是先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥是電磁換向閥，主閥是液控?fù)Q向閥[4]。電液換向閥仿真模型的各參數(shù)是參考樣本中的實(shí)際參數(shù)而設(shè)定的。為了使換向閥的測(cè)試壓力更接近翻車機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力，回路中T口設(shè)置了50 bar的背壓。樣本中電液換向閥P口至A口，P口至B口的壓差-流量曲線都為圖3中的2號(hào)曲線。仿真結(jié)果曲線如圖4所示，可見(jiàn)兩條曲線基本一致，說(shuō)明建模階段設(shè)置的各參數(shù)是正確的。

圖2　電液換向閥測(cè)試仿真回路

圖3　電液換向閥壓差-流量樣本曲線

圖4　電液換向閥壓差-流量仿真曲線

2.2　液控單向閥仿真模型的建立

翻車機(jī)液壓系統(tǒng)中的液控單向閥為SL10PA1-4X型號(hào)，實(shí)際結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。其中X和Y口為控制油口，從A口到B口流向?yàn)檎蜷_(kāi)啟，從B口到A口為反向開(kāi)啟。在AMESim中搭建的模型如圖6所示，模型中的各參數(shù)根據(jù)元件樣本參數(shù)設(shè)置。

圖5　液控單向閥實(shí)際結(jié)構(gòu)

圖6　液控單向閥仿真模型

在樣本中通徑為20 mm的液控單向閥正反向開(kāi)啟壓差-流量曲線如圖7所示，其中1號(hào)曲線為正向開(kāi)啟；虛線為反向開(kāi)啟。同樣，為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，將搭建好的液控單向閥模型放置于簡(jiǎn)單的仿真測(cè)試回路中，經(jīng)仿真計(jì)算得出的壓差-流量曲線如圖8所示，1號(hào)曲線是單向閥的正向開(kāi)啟壓差-流量曲線，其開(kāi)啟壓力為2.5 bar，2號(hào)曲線為反向開(kāi)啟曲線。

圖7　液控單向閥壓差-流量樣本曲線

圖8　單向閥正向、反向開(kāi)啟壓差-流量曲線

通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)樣本曲線與仿真結(jié)果基本一致。通過(guò)以上對(duì)液壓元件的仿真與驗(yàn)證，為翻車機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真分析奠定基礎(chǔ)。

3　翻車機(jī)靠車部分液壓系統(tǒng)的模擬與分析

根據(jù)靠車系統(tǒng)液壓原理圖建立仿真回路如圖9所示。使用AMESim的封裝功能，分別將電液換向閥(202)的液控單向閥(283.1～283.8)封裝成超收元件。8個(gè)靠車缸并聯(lián)連接，共同由電液換向閥控制。

圖9　靠車系統(tǒng)回路模型

圖中，除了電液換向閥和液控單向閥是用HCD庫(kù)搭建外，其他元件都取自AMESim自帶的HY庫(kù)。油缸負(fù)載是根據(jù)翻車機(jī)卸料過(guò)程機(jī)車重力變化推算出的。一個(gè)車皮滿載時(shí)總重量為104 t，翻車速度為1 r/min， 煤粉翻卸過(guò)程中的安息角為40°[5]。在靠車缸壓靠和回縮階段液壓缸不受負(fù)載，只有在保壓階段靠車液壓系統(tǒng)要承受機(jī)車和貨物的部分重力，這使缸體無(wú)桿腔壓力出現(xiàn)峰值。圖10是靠車缸無(wú)桿腔在整個(gè)工作過(guò)程中的壓力變化曲線。

由圖可見(jiàn)，從0至1.41 s是壓靠階段，最后1 s是回縮階段，中間階段為保壓過(guò)程。在壓靠和回縮階段壓力基本恒定。在保壓階段，由于液控單向閥將液壓缸中的油液鎖死， 當(dāng)負(fù)載增加時(shí)液壓缸中的壓力也跟隨著變化，最大值達(dá)到110 bar。這與生產(chǎn)實(shí)際測(cè)試值基本相符，再次說(shuō)明系統(tǒng)的仿真模型正確。

圖10　靠車缸工作過(guò)程無(wú)桿腔壓力曲線

4　單缸液壓系統(tǒng)仿真模型故障的注入及分析

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋，翻車機(jī)靠車系統(tǒng)主要常見(jiàn)的故障為液壓缸內(nèi)泄、電液換向閥先導(dǎo)級(jí)電磁鐵失效和液控單向閥不能反向開(kāi)啟。

4.1　液壓缸內(nèi)泄故障仿真

液壓缸內(nèi)泄是由于翻車機(jī)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，液壓缸密封圈老化，以及靠車缸偏載使缸筒內(nèi)壁和活塞磨損嚴(yán)重等原因造成的。由于油缸內(nèi)泄漏發(fā)生在液壓缸內(nèi)部，當(dāng)內(nèi)泄漏流量較小時(shí)很難被發(fā)覺(jué)，只有在內(nèi)泄過(guò)于嚴(yán)重而影響活塞的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。本研究中靠車缸內(nèi)泄故障仿真是通過(guò)設(shè)置HY庫(kù)中的油缸內(nèi)泄系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。在AMESim軟件中按公式(1)計(jì)算內(nèi)泄漏流量：

qleak=(p1-p2)×leak

(1)

式中：qleak為泄漏流量；p1為無(wú)桿腔壓力；p2為有桿腔壓力；leak為泄漏系數(shù)，在正常情況下leak=0。

液壓缸內(nèi)泄漏流量理論計(jì)算公式為(2)式[6]：

(2)

式中：d1為液壓缸活塞直徑；δ0為活塞與缸筒同心時(shí)的縫隙高度；μ為油液動(dòng)力黏度；l為活塞密封長(zhǎng)度；ε為相對(duì)偏心距；e為偏心距。比較公式(1)和公式(2)可以得出內(nèi)泄漏系統(tǒng)計(jì)算公式(3)：

(3)

經(jīng)計(jì)算內(nèi)泄漏系數(shù)為5.2 L/(min·bar)-1。

在保壓階段，正常情況下是由4個(gè)靠車缸共同承擔(dān)貨物和車皮重量。當(dāng)一個(gè)液壓缸發(fā)生內(nèi)泄時(shí)無(wú)桿腔的壓力難以建立，原來(lái)由4個(gè)靠車缸承受的負(fù)載變?yōu)?個(gè)缸承受，使這3個(gè)缸壓力增大。圖11為整個(gè)工作過(guò)程中正?？寇嚫缀蛢?nèi)泄缸無(wú)桿腔壓力的仿真結(jié)果曲線。圖中1號(hào)曲線為與內(nèi)泄缸并聯(lián)的正?？寇嚫谉o(wú)桿腔的壓力曲線，2號(hào)曲線為內(nèi)泄缸無(wú)桿腔壓力曲線?？梢?jiàn)，內(nèi)泄缸的壓力要明顯小于正常缸的壓力，仿真結(jié)果證明了前文分析的結(jié)論。

圖11　正?？寇嚫缀陀袃?nèi)泄缸無(wú)桿腔壓力曲線

因此，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)靠車缸無(wú)桿腔壓力可以確定翻車機(jī)靠車液壓系統(tǒng)中哪一個(gè)液壓缸發(fā)生了內(nèi)泄漏故障。

4.2　電液換向閥先導(dǎo)閥級(jí)電磁鐵故障仿真

在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中電氣故障發(fā)生概率要大于液壓系統(tǒng)故障。線圈老化或電磁鐵失效等都會(huì)導(dǎo)致電液換向閥不能完成既定功能。電磁鐵失效最直接的表現(xiàn)是它對(duì)先導(dǎo)閥芯的控制力減小，由于控制力減小，導(dǎo)致先導(dǎo)閥芯的響應(yīng)速度變慢。本研究用減小閥芯控制力模擬換向閥電磁鐵失效故障。閥芯控制力在正常情況下設(shè)置為40 N，當(dāng)電磁鐵失效時(shí)控制力將減小，將其設(shè)為5 N。將故障注入仿真液壓系統(tǒng)后，計(jì)算出液壓缸無(wú)桿腔的壓力曲線如圖12所示，其中1號(hào)曲線是存在故障工況下靠車缸無(wú)桿腔壓力變化曲線，2號(hào)曲線是正常工況下壓力曲線?？梢?jiàn)，因?yàn)閾Q向閥先導(dǎo)級(jí)電磁鐵失效，使換向閥響應(yīng)速度減慢，當(dāng)靠車缸承受負(fù)載時(shí)無(wú)桿腔仍然與泵源接通，使其壓力相對(duì)正常工況較大。當(dāng)支路上的單向閥鎖死后將靠車缸無(wú)桿腔油液憋住，并保持較高壓力。所以在保壓階段存在故障系統(tǒng)中的靠車缸無(wú)桿腔壓力相對(duì)正常工況下要明顯增大。圖13為電液換向閥先導(dǎo)閥芯位移曲線， 其中1號(hào)曲線是有故障工況下的位移，2號(hào)正常工況下的位移。當(dāng)控制力減小后換向閥先導(dǎo)閥芯位移要減小。

圖12　電液換向閥電磁鐵失效時(shí)和正常系統(tǒng)靠車缸無(wú)桿腔壓力

圖13　電液換向閥電磁鐵失效和正常情況先導(dǎo)閥芯位移

4.3　液控單向閥反向未開(kāi)啟故障仿真

液控單向閥的結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)液控單向閥的控制活塞卡死或控制油路Y堵塞都會(huì)導(dǎo)致單向閥不能反向開(kāi)啟。本研究通過(guò)增大控制活塞與閥體之間的摩擦力模擬單向閥反向未開(kāi)啟故障，根據(jù)系統(tǒng)壓力與控制活塞面積，設(shè)置摩擦力為40 kN。其他參數(shù)都與正常系統(tǒng)一致。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得出由反向未開(kāi)啟單向閥控制的靠車缸與其他液壓缸的無(wú)桿腔壓力波動(dòng)曲線，如圖14所示，其中1號(hào)曲線為故障單向閥控制的液壓缸無(wú)桿腔壓力曲線，2號(hào)曲線為與故障缸并聯(lián)在同一靠車板上的液壓缸無(wú)桿腔壓力。由于靠車缸的活塞桿由靠車板剛性連接在一起，當(dāng)有一個(gè)缸未回縮時(shí)，導(dǎo)致其他3個(gè)缸也都不動(dòng)作，這使由故障單向閥控制的靠車缸無(wú)桿腔壓力在回縮階段急劇增大，它要與其他3個(gè)缸有桿腔壓力相平衡，仿真結(jié)果也說(shuō)明這一結(jié)論。

5　結(jié)論

本研究采用模擬仿真的方法對(duì)翻車機(jī)液壓系統(tǒng)靠車部分進(jìn)行了分析。通過(guò)向正常系統(tǒng)注入生產(chǎn)中常見(jiàn)故障，分析各種故障對(duì)液壓缸無(wú)桿腔壓力的影響，總結(jié)不同故障下壓力的變化特點(diǎn)。當(dāng)液壓缸發(fā)生內(nèi)泄漏故障時(shí)，在保壓階段內(nèi)泄漏缸無(wú)桿腔壓力將減小至接近0 bar。當(dāng)電液換向閥先導(dǎo)級(jí)電磁鐵失效時(shí)，導(dǎo)致全部靠車缸在保壓階段無(wú)桿腔的壓力相對(duì)正常工況下的壓力增加。當(dāng)發(fā)生單向閥反向未開(kāi)啟故障時(shí)，在靠車缸回縮階段由故障單向閥控制的靠車缸無(wú)桿腔壓力要急劇增加。這些規(guī)律為建立翻車機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)提供了有力參考。

圖14　由反向未開(kāi)啟單向閥控制的靠車缸無(wú)桿腔壓力與正?？寇嚫讐毫η€

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