趙俊東，鄭 瑤，張 寧，周立成

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065； 2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

1 引 言

結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)是飛機(jī)設(shè)計(jì)與研制過程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。電液伺服系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于調(diào)整控制、易于實(shí)現(xiàn)各種加載形式，在強(qiáng)度試驗(yàn)加載系統(tǒng)中獲得了大量應(yīng)用。但是，液壓系統(tǒng)工作環(huán)境往往存在許多干擾因素，同時(shí)隨著元件的老化，系統(tǒng)通常會出現(xiàn)各種故障模式。因此，對液壓系統(tǒng)的故障診斷研究是保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)成功的一個(gè)重要研究方向。液壓系統(tǒng)智能故障診斷的研究需要獲得大量的系統(tǒng)運(yùn)行特性以及故障樣本，然而液壓元件都是比較昂貴的，且液壓系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行的，所以直接采用試驗(yàn)法進(jìn)行故障模擬是不現(xiàn)實(shí)的[2]。

本文基于AMESim系統(tǒng)建模與仿真軟件建立電液伺服加載系統(tǒng)的無損故障模型，結(jié)合故障注入技術(shù)來獲取系統(tǒng)的運(yùn)行特性及故障樣本，為液壓系統(tǒng)的智能故障診斷技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 液壓伺服加載系統(tǒng)故障機(jī)理

本文以某單通道位移控制疲勞加載系統(tǒng)為對象，其基本原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由伺服閥、液壓作動(dòng)缸、位移傳感器、控制器及一系列輔助元件組成[3]。該系統(tǒng)是一個(gè)由機(jī)電液綜合組成的系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)的故障模式包括機(jī)械設(shè)備中的形變、斷裂、腐蝕、熱應(yīng)力和變形等，以及液壓系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的油液污染、泄漏、氣蝕、液壓卡死、油溫過高、電氣信號失真、噪聲與系統(tǒng)振蕩等。液壓系統(tǒng)的故障具有隱蔽性、多樣性、隨機(jī)性和模糊性等特點(diǎn)[4]，增加了系統(tǒng)故障診斷的復(fù)雜性。因此，基于計(jì)算機(jī)建模技術(shù)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是非常必要的。

圖1 位移控制加載系統(tǒng)基本原理

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模

AMESim軟件是一個(gè)包含機(jī)械、液壓、電氣、自動(dòng)化等眾多學(xué)科的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)平臺，因其具有完整的軟件功能，用戶可以將涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)模型建立在一個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)平臺上[5]。

通過對系統(tǒng)原理與故障機(jī)理的分析，可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)最核心的元件為伺服閥與液壓作動(dòng)缸，而且二者也是故障易發(fā)且難以發(fā)現(xiàn)的液壓元件，因此直接使用AMESim提供的元件模型不能很好地實(shí)現(xiàn)研究目的。本文利用AMESim提供的HCD庫與二次開發(fā)功能來對伺服閥與液壓作動(dòng)缸進(jìn)行建模，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)模型的建立。

3.1 兩級雙噴嘴擋板式電液伺服閥建模

在該位置控制加載系統(tǒng)中使用的是兩級結(jié)構(gòu)的雙噴嘴擋板式電液伺服閥，這種伺服閥主要由永磁式力矩馬達(dá)、前置級雙噴嘴擋板閥及功率級四通滑閥組成[6]。其中，永磁式力矩馬達(dá)通過電機(jī)轉(zhuǎn)換控制雙噴嘴擋板閥實(shí)現(xiàn)液壓放大，功率級滑閥閥芯反饋桿與擋板相連，形成反饋回路，來控制油路通斷、方向及流量大小。

(1)永磁式力矩馬達(dá)建模

基于對力矩馬達(dá)原理與結(jié)構(gòu)的研究，利用AMESim提供的電磁元件搭建永磁式力矩馬達(dá)模型，如圖2所示。

圖2 永磁式力矩馬達(dá)模型

(2)前置級雙噴嘴擋板閥建模

這部分主要由擋板與噴嘴組成，利用Flexure tube模擬彈簧管和擋板，搭建前置級雙噴嘴擋板閥模型，如圖3所示。

圖3 前置級雙噴嘴擋板閥模型

(3)功率級滑閥建模

基于功率級滑閥的原理，使用AMESim提供的HCD庫搭建其模型，如圖4所示。

圖4 功率級滑閥模型

3.2 液壓作動(dòng)缸建模

通過對液壓作動(dòng)缸原理與故障機(jī)理的研究[7]，使用AMESim的HCD庫搭建液壓作動(dòng)缸模型，如圖5所示，其中設(shè)置了泄漏模塊，通過設(shè)置左腔活塞桿直徑為0模擬無桿腔。

圖5 液壓作動(dòng)缸模型

3.3 位移控制加載液壓系統(tǒng)建模

基于上述核心元件伺服閥和液壓作動(dòng)缸的模型，結(jié)合系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)整體仿真模型，如圖6所示，模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖6 位移控制加載液壓系統(tǒng)模型

表1 系統(tǒng)模型主要參數(shù)

4 系統(tǒng)故障仿真

該系統(tǒng)為輸入正弦信號的疲勞加載系統(tǒng)，本文基于已建立的系統(tǒng)模型，通過故障注入方法，即通過修改元件參數(shù)等方式，使用AMESim批處理功能，進(jìn)行系統(tǒng)特性分析與故障仿真，進(jìn)而獲取故障樣本。

4.1 伺服閥噴嘴堵塞故障仿真

在液壓系統(tǒng)中，近70%的故障由油液污染引起，油液中混入的各種顆粒物極有可能造成液壓元件的堵塞故障[8]。本文以伺服閥中堵塞幾率較高的噴嘴堵塞為例，通過修改噴嘴嘴口直徑來實(shí)現(xiàn)故障模擬，結(jié)果如圖7-圖10所示。

圖7 伺服閥閥芯位移

圖8 伺服閥噴嘴流量

圖9 液壓作動(dòng)缸無桿腔壓力

圖10 系統(tǒng)輸出位移誤差

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)伺服閥噴嘴發(fā)生堵塞時(shí)，閥芯位移出現(xiàn)滯后，閥控流量減小，壓力出現(xiàn)波動(dòng)，系統(tǒng)輸出位移誤差增大。

4.2 液壓作動(dòng)缸內(nèi)泄漏故障仿真

液壓作動(dòng)缸在使用過程中由于老化、密封件磨損或嵌入異物等原因，導(dǎo)致液壓缸出現(xiàn)內(nèi)泄漏故障模式[9]，而且內(nèi)泄漏難以發(fā)現(xiàn)，是液壓系統(tǒng)故障診斷的重點(diǎn)。本文通過修改液壓作動(dòng)缸中泄漏模塊的間隙來模擬內(nèi)泄漏故障，仿真結(jié)果如圖11-圖14所示。

圖11 泄漏模塊流量

圖12 伺服閥閥芯位移

圖13 作動(dòng)缸無桿腔壓力

圖14 系統(tǒng)輸出位移誤差

通過故障仿真結(jié)果可知，泄漏量增大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)滯后，輸出位移誤差增大，無桿腔壓力出現(xiàn)波動(dòng)。

除此之外，使用該模型還可以用于分析液壓系統(tǒng)主要元件的運(yùn)行特性，不同變量如溫度、油液黏度等對系統(tǒng)的影響，以及模擬系統(tǒng)其它故障模式，如伺服閥閥芯磨損、液壓缸摩擦阻力增大[10]、溢流閥堵塞壓力偏小[11]、油液中混入空氣[12]以及傳感器、控制系統(tǒng)故障等。同時(shí)，使用AMESim提

供的Continuation run模式可以暫停運(yùn)行修改模型參數(shù)來模擬系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的故障，以此來作為故障診斷研究的驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

本文以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中某位移加載液壓系統(tǒng)為研究對象，通過對其原理與結(jié)構(gòu)的研究，使用AMESim仿真軟件分別建立了兩級雙噴嘴擋板式電液伺服閥及液壓作動(dòng)缸詳細(xì)模型，進(jìn)而搭建了完整的系統(tǒng)仿真模型。應(yīng)用此模型對液壓系統(tǒng)的常見故障模式進(jìn)行了模擬，得到了系統(tǒng)在各種故障模式下的運(yùn)行狀態(tài)與特性，為開展液壓加載系統(tǒng)智能故障方法研究獲取了大量正常狀態(tài)與故障狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

同時(shí)，由于該模型能夠較好地反映系統(tǒng)運(yùn)行特性，因此該模型也可以為系統(tǒng)元件選取、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、控制系統(tǒng)優(yōu)化等提供指導(dǎo)。