(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

裝備性能檢測(cè)和故障診斷是保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行和提高作業(yè)質(zhì)量的核心。通過建立故障診斷模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)變換并對(duì)故障做出診斷決策是極其重要的研究?jī)?nèi)容。

隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展，液壓系統(tǒng)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備尤其是大型、特大型設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用。液壓系統(tǒng)是涉及機(jī)、電、液、熱等多系統(tǒng)耦合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其故障也是復(fù)雜的問題，液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷一直是國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員共同面對(duì)的研究性課題，由此形成一系列液壓故障診斷方法，包括：傳統(tǒng)的主觀診斷法，現(xiàn)代的基于系統(tǒng)信號(hào)處理的故障診斷法、基于知識(shí)的故障診斷法以及基于解析模型的故障診斷法等。例如趙晨光等人提出了通過問、看、摸、試、聽、測(cè)六步檢修方法來實(shí)現(xiàn)高壓斷路器液壓操作機(jī)構(gòu)常見故障診斷和檢修[1]。張洪瑾等人研究了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)[2]。白慧芳等人通過對(duì)建立解析模型并設(shè)計(jì)觀測(cè)器的方法研究液壓調(diào)平系統(tǒng)的故障診斷，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的建立實(shí)現(xiàn)了液壓調(diào)平系統(tǒng)故障診斷的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[3]。張麗霞等人研究了變矩器補(bǔ)償支路的鍵合圖和診斷建模方法，建立了全局解析冗余關(guān)系和故障特征矩陣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了故障的檢測(cè)和隔離[4]。舒思材等人提出了基于WVPMCD和層次模糊熵的液壓泵故障診斷方法[5]。A.Y.Goharrizi等人利用離散小波變換建立故障特征模式檢測(cè)液壓執(zhí)行器內(nèi)泄漏[6]。S.C Abou等人提出了基于統(tǒng)計(jì)分析冗余和模糊邏輯理論的混合故障診斷方法，并研究了液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障混合診斷框架[7]，以及賀艷等人也提出了各自的故障診斷方法[8-10]。液壓系統(tǒng)具有容量大、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、反應(yīng)快、易控制、輸出力(或力矩)大等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前特裝車大多采用液壓系統(tǒng)傳遞動(dòng)力和執(zhí)行動(dòng)作。由于液壓系統(tǒng)是使用液體介質(zhì)在封閉管道內(nèi)傳遞壓力進(jìn)行工作的機(jī)械系統(tǒng)，造成液壓系統(tǒng)故障具有復(fù)雜性和隱蔽性等特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷較難實(shí)現(xiàn)[1-2]，而液壓系統(tǒng)難以拆卸使得傳統(tǒng)檢測(cè)方法不適應(yīng)液壓系統(tǒng)快速診斷和快速維修的要求。

本文在以上故障診斷方法分析基礎(chǔ)上，通過機(jī)-電-液聯(lián)合仿真等技術(shù)手段，基于AMESim和MATLAB軟件，提出了液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，擬用于實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)的故障模擬、注入與診斷仿真功能。

1 液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建要求

通過機(jī)-電-液聯(lián)合仿真等技術(shù)手段，提出了液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)的故障模擬、注入與診斷仿真功能，完成軟件開發(fā)：包括建立機(jī)電液系統(tǒng)故障模擬、注入與診斷仿真的流程與方法，能夠指導(dǎo)機(jī)電液系統(tǒng)故障診斷方案的設(shè)計(jì)；掌握常用液壓介質(zhì)的特性，包括粘度、體積彈性模量及熱膨脹系數(shù)等；典型液壓系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)⒐收隙ㄎ恢烈簤涸唤⒌某Ｓ靡簤涸抡婺Ｐ蛻?yīng)具有通用性和適用性；故障注入與診斷仿真軟件的人機(jī)界面友好，故障注入操作方便。

1.2 仿真系統(tǒng)構(gòu)建框架

液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)是基于MATLAB/GUI平臺(tái)上建立的，通過MATLAB與AMESim的軟件接口調(diào)用在AMESim建立的舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型，并在系統(tǒng)界面中實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的故障注入、運(yùn)行仿真、仿真實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警及故障診斷定位等功能。圖1是液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真構(gòu)架示意。

圖1 液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真架構(gòu)示意圖

1.3 仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程

液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程總體可分成以下步驟，如圖2所示：

1)啟動(dòng)故障診斷演示驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)主界面。在參數(shù)設(shè)置一欄輸入相應(yīng)參數(shù)，如溫度、油液密度、絕對(duì)粘度和彈性模量。MATLAB通過ameputp命令將參數(shù)值輸入到AMESim模型中；

2)點(diǎn)擊“故障注入”按鈕，系統(tǒng)彈出故障注入界面。在故障如入界面可通過下拉菜單選擇要注入的故障元件和故障參數(shù)，并輸入故障參數(shù)值：

液壓缸泄露系數(shù)(L/min/bar)、溢流閥開啟壓力(bar)、濾油器孔口直徑(mm)、液壓泵排量(cc/rev)、換向閥最大開啟流量(L/min) (僅限簡(jiǎn)單模型)、換向閥壓降(bar)(僅限簡(jiǎn)單模型)、單向閥開啟流量(L/min)(僅限簡(jiǎn)單模型)、二位二通換向閥閥芯卡死、平衡閥閥芯卡死、三位四通換向閥閥芯卡死(僅限HCD模型)、三位四通換向閥內(nèi)泄(僅限HCD模型)、雙向液壓鎖中位泄露(僅限HCD模型)、平衡閥彈簧斷裂或閥芯卡死(僅限HCD模型)、比例流量閥流量無法調(diào)節(jié)(僅限HCD模型)、比例流量閥調(diào)節(jié)不穩(wěn)定(僅限HCD模型)。

也可選擇仿真實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的參數(shù)值：液壓缸(左)進(jìn)油壓力(bar)、液壓缸(右)進(jìn)油壓力(bar)、液壓缸(左)回油壓力(bar)、液壓缸(右)回油壓力(bar)、舉升角度(degree)、舉升角速度(rev/min)、液壓缸(左)舉升力(N)、液壓缸(右)舉升力(N)。點(diǎn)擊“確定”按鈕，返回至系統(tǒng)主界面。

3)在主界面點(diǎn)擊“啟動(dòng)仿真”按鈕，系統(tǒng)開始進(jìn)行仿真，可實(shí)現(xiàn)仿真并在圖線顯示區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示仿真曲線。仿真曲線的實(shí)時(shí)顯示是通過仿真和繪圖的多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，即每仿真5秒顯示一段仿真曲線；

4)在“故障閾值”可輸入預(yù)設(shè)的閾值，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)某參數(shù)值(如液壓缸舉升力)與原始參數(shù)值差值超出閾值范圍，會(huì)在“故障報(bào)警”一欄顯示故障現(xiàn)象(如液壓缸舉升無力)；

5)點(diǎn)擊“多圖線繪制”按鈕，會(huì)在新窗口中顯示多個(gè)故障參數(shù)的變化曲線；

6)點(diǎn)擊“保存仿真數(shù)據(jù)”，可根據(jù)仿真頻率將多組數(shù)據(jù)(共802組)儲(chǔ)存在txt文本中；

7)點(diǎn)擊“讀取仿真數(shù)據(jù)”按鈕，可對(duì)已保存的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

8)仿真結(jié)束后，點(diǎn)擊“故障診斷”按鈕，系統(tǒng)后臺(tái)開始根據(jù)故障樹及AMESim模型中的多個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)來進(jìn)行故障元件的定位。

圖2 液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真運(yùn)行流程

2 液壓系統(tǒng)故障注入與診斷仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 液壓舉升回路仿真模型建立

以某典型液壓舉升回路系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)診斷流程和方法進(jìn)行演示和驗(yàn)證。

2.1.1 基于HYD液壓庫(kù)模型建立

根據(jù)液壓舉升回路原理，建立如圖3所示的AMESim仿真回路模型，為后續(xù)進(jìn)行故障模擬、注入和診斷過程的演示驗(yàn)證提供模型支持。

圖3 AMESim仿真回路模型建立

圖4 AMESim HCD仿真回路模型建立

利用AMESim簡(jiǎn)單模塊搭建舉升回路，并在該回路中添加14個(gè)sensor作為故障診斷檢測(cè)所用?；芈吩謩e為1舉升油缸，2平衡閥，3雙向液壓鎖，4三位四通電磁換向閥，5比例流量閥，6比例溢流閥，7進(jìn)油濾油器，8單向閥(大、中泵各對(duì)應(yīng)一個(gè))，9液壓泵(大泵和中泵)，10二位二通電磁換向閥(大、中泵各對(duì)應(yīng)一個(gè))，11出油濾油器。其中平面機(jī)械結(jié)構(gòu)為負(fù)載仿真輸入，反饋信號(hào)是利用轉(zhuǎn)動(dòng)副處的角位移傳感器作為輸入信號(hào)，進(jìn)而控制比例溢流閥的開度?；芈贩抡鏁r(shí)間為80 s。

液壓舉升回路仿真模型主要有以下12種液壓元件：

1)舉升油缸：實(shí)現(xiàn)舉升和回落動(dòng)作，AMESim簡(jiǎn)單模型中采用HJ020模塊。

2)平衡閥：保證舉升油缸有桿和無桿腔的壓力平衡，在AMESim中構(gòu)建簡(jiǎn)單的平衡閥模型，其中單向閥模塊為CV000，節(jié)流閥1和2模塊為OR0000，濾油器模塊為OR0000，液壓2端口閥模塊為HV01。

3)雙向液壓鎖：油缸保持時(shí)保壓作用，在AMESim中雙向液壓鎖由2個(gè)彈簧液壓止回閥搭建，其模塊型號(hào)為CV005。

4)三位四通換向閥：控制油路連通、斷開或改變液流方向，在AMESim簡(jiǎn)單模型中模塊型號(hào)為HSV34_12-3。

5)比例流量閥：控制流量，在AMESim搭建是將節(jié)流閥和減壓閥配合，從而產(chǎn)生壓力補(bǔ)償，使流量不隨負(fù)載壓力而變化。

6)比例溢流閥：溢流穩(wěn)壓，限壓保護(hù)，防止沖擊，在AMESim中簡(jiǎn)單模型采用RV01模塊。

7)進(jìn)油濾油器：清除油液中的各種雜質(zhì)，由彈簧液壓止回閥CV002和濾油器OR0000組成。

8)單向閥：控制油液的單向流動(dòng)，大中泵各對(duì)應(yīng)一個(gè)單向閥，在AMESim中采用CV000。

9)液壓泵：提供高壓油，實(shí)現(xiàn)舉升油缸動(dòng)作，在AMESim中泵模塊為FU001，電機(jī)模塊為PM000，兩泵轉(zhuǎn)速都為2000 rev/min。

10)二位二通電磁換向閥：控制油路的聯(lián)通、斷開或改變液流方向。油缸舉升和下降時(shí)斷電，油缸保持時(shí)通電，實(shí)現(xiàn)油路的卸荷。大、中泵各對(duì)應(yīng)一個(gè)換向閥。大、中泵各對(duì)應(yīng)一個(gè)換向閥。在AMESim中兩個(gè)二位二通電磁換向閥模塊均為PV022，參數(shù)設(shè)置也相同。

11)回油濾油器：控制油路的通斷，在AMESim中模型搭建方式與進(jìn)油濾油器基本相同，只是把彈簧液壓止回閥開啟方向轉(zhuǎn)成向下，其余參數(shù)設(shè)置相同。

12)sensor模塊：共添加了22個(gè)sensor模塊，其中涉及到流量、壓力、速度、位移、力、角位移、角速度等一系列傳感器，這些傳感器將應(yīng)用在故障仿真和檢測(cè)中。

2.1.2 基于HCD液壓庫(kù)模型建立

HCD模型搭建回路中，把1舉升油缸，2平衡閥，3雙向液壓鎖，4三位四通電磁換向閥分別用HCD模型代替了簡(jiǎn)單模型放入到舉升回路中進(jìn)行仿真，搭建結(jié)果如圖4所示。該回路仿真80 s，并將仿真設(shè)置中的容錯(cuò)率調(diào)整為0.002。Sensor信號(hào)和圖3所示位置一樣。

2.2 液壓舉升回路模型工作原理

2.2.1 油缸舉升

9液壓泵泵油→8單向閥→7進(jìn)油濾油器→5比例流量閥(調(diào)節(jié)流量)→4電磁換向閥(YA16通電，換向閥處于左位)→3雙向液壓鎖→2平衡閥→1舉升油缸無桿腔進(jìn)油(舉升)→1舉升油缸有桿腔回油→3液壓鎖→4電磁換向閥→11回油濾油器→油箱。

2.2.2 油缸保持

9液壓泵→10電磁換向閥→11回油濾油器→油箱。

2.2.3 油缸下降

9液壓泵→8單向閥→7進(jìn)油濾油器→5比例流量閥→4電磁換向閥(YA17通電，位于右位)→3雙向液壓鎖→2平衡閥→1舉升油缸有桿腔進(jìn)油(下降)→1舉升油缸無桿腔回油→2平衡閥→3液壓鎖→4電磁換向閥→11回油濾油器→油箱。

2.3 故障診斷

以上述液壓舉升系統(tǒng)模型為例，采用故障樹形式，分別針對(duì)舉升速度下降、自動(dòng)溜缸、液壓爬行和液壓過沖故障進(jìn)行了分析。

2.3.1 液壓缸舉升速度下降、推力不足故障分析

根據(jù)如圖5所示的“舉升速度下降，舉升力不足”故障樹及AMESim模型中的多個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)來進(jìn)行故障元件的定位。

圖5 “舉升速度下降，舉升力不足”故障樹

定位過程如下：

第一步：檢測(cè)左側(cè)液壓泵出口處流量均值(mean(q1))，若流量均值小于57.6 L/min，則認(rèn)為左側(cè)液壓泵出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第二步：檢測(cè)右側(cè)液壓泵出口處流量均值(mean(q2))，若流量均值小于36 L/min，則認(rèn)為右側(cè)液壓泵出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第三步：檢測(cè)舉升過程中二位二通電磁換向閥入口處流量均值mean(q3(:,[201:601]))，若流量值大于0.1 L/min，則認(rèn)為二位二通電磁換向閥出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第四步：檢測(cè)溢流閥入口處壓力最大值(max(p2))，若壓力最大值小于210 bar，則認(rèn)為溢流閥出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第五步：檢測(cè)平衡閥入口處壓力值(p3(660))與流量值值(q5(660))，若壓力值約等于溢流閥入口處壓力最大值(max(p2))且流量值為零，則認(rèn)為平衡閥出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第六步：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷三位四通電磁換向閥和液壓缸是否發(fā)生故障。

2.3.2 自動(dòng)溜缸故障分析

根據(jù)如圖6所示的“舉升系統(tǒng)液壓缸自動(dòng)溜缸現(xiàn)象”故障樹及AMESim模型中的多個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)來進(jìn)行故障元件的定位。

圖6 “自動(dòng)溜缸”故障樹

定位如下：

第一步：檢測(cè)雙向液壓鎖入口處保持過程中的流量平均值(q5(:,[710:801]))，若流量平均值大于1 mL/min，則認(rèn)為平衡閥和雙向液壓鎖同時(shí)出現(xiàn)故障，否則進(jìn)入下一步。

第二步：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷液壓缸是否發(fā)生故障。

2.3.3 液壓過沖故障分析

根據(jù)如圖7所示的“液壓過沖現(xiàn)象”故障樹及AMESim模型中的多個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)來進(jìn)行故障元件的定位。

圖7 “液壓過沖”故障樹

檢測(cè)舉升保持階段三位四通電磁閥處流量均值(mean(q5(:,[408:801])))和二位二通電磁閥處流量均值(mean(q3(:,[408:801]))，mean(q4(:,[408:801])))，若三位四通電磁閥處流量均值不為零且二位二通電磁閥處流量均值為零，則認(rèn)為電磁閥無法回位。

當(dāng)系統(tǒng)定位到故障元件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出故障模式選擇界面，如圖8。

點(diǎn)擊故障模式下面的“確定”按鈕，會(huì)在主界面故障模式一欄中顯示相應(yīng)的故障模式，如圖9，同時(shí)會(huì)彈出故障診斷結(jié)果進(jìn)行分析說明文件，包括故障機(jī)理和監(jiān)測(cè)方法。

3 結(jié)束語

在分析液壓系統(tǒng)故障診斷方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于

圖8 故障模式選擇界面 圖9 主界面顯示故障模式

AMESim和MATLAB軟件構(gòu)建故障診斷數(shù)字仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，通過故障注入技術(shù)對(duì)典型故障模式進(jìn)行模擬，以某典型液壓舉升回路系統(tǒng)為例，對(duì)診斷流程和方法進(jìn)行演示和驗(yàn)證。該仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于類似系統(tǒng)、不同工況、不同故障模式的故障注入與故障診斷仿真，極大程度上提高了液壓系統(tǒng)的可靠性的設(shè)計(jì)[11]。