基于AMESim的柱塞泵內泄漏故障注入研究

尚澤譯，龍　江

(中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢，618307)

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基于AMESim的柱塞泵內泄漏故障注入研究

尚澤譯，龍江

(中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢，618307)

摘要：在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中構建軸向斜盤式壓力補償柱塞泵模型，根據故障注入思想，通過分析柱塞泵內泄漏故障成因，將AMESim中的泄漏子模型BAF02的直徑方向間隙作為影響柱塞泵內泄漏的主要參數。通過增大該徑向間隙，模擬柱塞泵因磨損而引起的活塞與缸體間隙增大，從而給柱塞泵模型注入內泄漏故障。運行仿真后，得到不同徑向間隙值對柱塞泵輸出壓力和輸出流量的影響情況。仿真實驗數據可以作為柱塞泵泄漏故障識別的數據源，研究方法為柱塞泵的故障注入探索提供了參考。

關鍵詞：柱塞泵；內泄漏；故障注入；AMESim仿真

航空液壓設備故障診斷與狀態預測技術隨著人工智能技術、高性能傳感器、計算機輔助測試技術的發展有了長足的進步。故障診斷與預測需要基于故障數據，然而，某些元件的故障數據樣本很有限。為了獲得故障數據，給研究對象引入故障，進行實驗或仿真，獲得故障數據樣本以開展故障診斷研究已成為一種行之有效的方法。

柱塞泵是液壓系統中結構復雜，工況惡劣，輸出特性要求較高的核心元件，是固液耦合、剛柔耦合作用的非線性壓力元件。液壓泵、馬達是液壓系統中最容易損壞的元件，據行業統計，液壓故障60%以上是由液壓泵、馬達引起的[1-2]。柱塞泵結構形式多樣，故障特征量和很多中間環節信息難以提取，而且液壓系統故障多因素耦合和傳遞路徑復雜，單純采用信號處理方法往往難以有效溯源，存在故障機理不清、智能診斷系統薄弱和辨識方法不足等問題[3]。

本文針對柱塞泵內泄漏故障，在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中建立壓力補償柱塞泵仿真模型，通過研究柱塞泵內泄漏的主要原因，給仿真模型注入由柱塞泵與缸體徑向間隙增大而引起的內泄漏故障。運行仿真后，對比合理間隙的柱塞泵與增大間隙的柱塞泵輸出壓力與流量的不同，實現了柱塞泵的內泄漏故障模擬，為柱塞泵故障診斷與預測提供故障樣本。文中所提出的方法能夠較為精確地模擬柱塞泵內泄漏故障，相較于柱塞泵物理故障注入，具有故障易于控制，獲得故障樣本成本低、代價小的優點。

1柱塞泵模型建立

飛機的液壓系統是個多余度、高壓大功率的復雜綜合系統，主要由多套(2-3套)彼此獨立但又相互備份的液壓系統構成。每套液壓系統由液壓能源系統及其對應的不同液壓用戶系統組成。能源系統包括油箱增壓系統、泵源系統以及備份能量轉換系統等；用戶系統則主要包括飛控系統、起落架系統以及反推力系統等[4]。柱塞泵作為大型運輸飛機液壓泵源系統的重要組成部件，在航空領域有著廣泛應用。隨著航空航天、裝備制造、工程機械等對液壓系統大流量、高轉速、高壓力的需求，柱塞泵朝著高速化、高壓化、低噪聲和長壽命的發展，使得柱塞泵結構日趨復雜。

1.1柱塞泵工作特點分析

柱塞泵一般包含5～9個柱塞，柱塞球頭與滑靴通過球鉸副連接，柱塞與缸體隨著主軸高速轉動的同時，在柱塞腔內水平往復運動。因柱塞往復運動引起的柱塞腔容積改變來實現柱塞泵的吸油和排油。柱塞副的運動比較復雜，除了柱塞沿著柱塞腔的平動和與缸體一起繞主軸的轉動，還包括柱塞在柱塞腔內受到壓力油膜支撐時的復雜運動。柱塞泵主軸的高速旋轉轉化為柱塞的高速平動，引起柱塞和缸體間的高速摩擦，在粘性摩擦力的作用下，柱塞還會繞自身中心進行自轉運動。由于柱塞副存在一定間隙，柱塞在柱塞腔內還有輕微的擺動[5]。

在柱塞泵工作過程中，柱塞受力也是多維耦合。受到的作用力有：作用在柱塞底部的液壓力、斜盤通過滑靴作用到柱塞上的力、柱塞與缸體間的油膜壓力、柱塞與缸體間的摩擦力、柱塞繞主軸轉動產生的離心力以及自身的重力等[6]。

1.2軸向壓力補償泵關鍵元件設計

作為柱塞泵的重要類別，斜盤式壓力補償柱塞泵因為輸出壓力穩定，廣泛應用于工業各領域，將其作為研究對象比較有代表性。圖1為5柱塞軸向壓力補償泵[7]的內部組成示意圖。

1—斜盤轉角調整活塞 2—滑靴 3—配流盤 4—柱塞

按照設計目標，在AMESim仿真軟件中建立一個9柱塞軸向斜盤式壓力補償泵。柱塞泵的關鍵組成包括：缸體、柱塞、配流盤、斜盤、斜盤轉角調整活塞、滑靴、傳動軸等。柱塞是柱塞泵的核心功能元件，采用AMESim軟件Hydraulic Component Design液壓元件設計庫(HCD庫)中的BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模型組合構成。BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模如圖2和圖3所示。

圖2　BAP12活塞子模型

圖3　BAF02泄漏子模

子模型的箭頭方向為信號正向，由該子模型計算的外部變量是它的輸出，用其他子模型計算的外部變量是它的輸入。紅色箭頭表示輸入量，綠色箭頭表示輸出量。BAP12活塞子模型有3個端口，端口1輸入壓力信號，輸出流量和體積。端口2輸入力，輸出位移和速度，端口3輸入位移和速度，輸出力信號。所以BAP12的端口1連接液壓管路，端口2、3連接力源、速度源或位移源。其他類型的子模型端口情況與此相似，只是輸入輸出量不同。

在AMESim的建模中，將柱塞泵轉子部分的轉動慣量用子模型RL04代替，涉及的阻力用阻尼器子模型RSD00代替。轉動慣量用子模型RL04和阻尼器子模型RSD00如圖4和圖5所示。

圖4RL04轉動慣量子模型圖5RSD00阻尼器子模型運用斜盤柱塞連接器子模型SWASH_PISTON_MECH705連接柱塞與斜盤，運用斜盤控制子模型SWASH_ACT_701連接斜盤與轉角調整活塞，采用彈簧活塞子模型BAP015模擬斜盤復位彈簧，配流盤子模型為SC_VALVE_PLATE702[8]。

1.3柱塞泵仿真模型設計

將建立的單個柱塞模型，與配流模型和斜盤柱塞連接器模型連接，定義為超級組件，然后通過與各個接口連接，建立整個柱塞泵的液壓模型。在HCD庫中選擇相應子模型創建控制閥模型，將斜盤轉動慣量用RL04子模型代替，斜盤阻力用MCCL_0AA子模型代替，考慮液壓油的壓力動態特性，在液壓管路中加入液壓腔體BHC11子模型，建立的9柱塞軸向壓力補償柱塞泵如圖6所示。

圖6軸向斜盤式壓力補償柱塞泵

2內泄漏故障注入

2.1故障注入概述

故障注入是指在分析研究對象故障機理的基礎上，選擇某種故障，將其有意識地引入到研究對象，加速研究對象產生錯誤或發生失效，造成研究對象出現施加的故障。并在此過程中，記錄分析研究對象的輸出信號，構建輸出信號與注入故障間的對應關系，觀測研究對象的故障行為，評價對象的故障表現，獲得對象的可靠性和容錯性評測結果。

按所注入的故障類型，可分為軟件故障注入和硬件故障注入兩類。按故障注入的實現方法，可分為模擬實現、硬件實現、軟件實現、重離子輻射誘發、電源干擾影響和激光實現的故障注入等[9]。故障注入技術主要集中應用于電路的失效分析和容錯設計，測評軟件和應用系統的可靠性以及驗證網絡系統的容錯評估和安全防護[10]，應用在柱塞泵故障分析中很少。因為工作環境的多樣性，以及柱塞泵的非線性、耦合性，針對柱塞泵的故障診斷表現出很強的模糊性，需要大量的故障數據樣本。

面對柱塞泵故障數據樣本較少，多故障混合的情況，研究人員提出了硬件故障注入方法，例如，人為拉大球頭滑靴副游隙[11]、添加齒面磨損等方法。很多硬件故障注入屬于破壞性試驗，存在試驗成本高、周期長的缺點，而故障軟件注入模擬仿真的方法則可以以很小的代價實現。在準確仿真模型基礎上的故障仿真能為診斷模型提供大量的訓練樣本，因此對液壓系統進行基于仿真方法的故障注入具有重要意義。

2.2柱塞泵內泄漏故障機理分析

柱塞泵內部有幾個重要的摩擦副，分別是：在缸體和柱塞間實現柱塞往復吸油和排油運動的柱塞副，在缸體和配流盤之間實現吸油和排油的配流副，在斜盤和滑靴之間把主軸旋轉運動轉化為柱塞的直線運動的滑靴副，在柱塞球頭和滑靴之間的球鉸副。柱塞和缸體之間存在壓力油膜，包括動力潤滑油膜和間隙油膜。動力潤滑油膜支撐柱塞，改善潤滑條件，對柱塞泵起到積極的作用。但是間隙油膜使得柱塞泵產生泄漏[12]，隨著柱塞與缸體因為高速摩擦而產生磨損，引起柱塞副間隙增大，使得柱塞泵內泄漏增加，進一步降低柱塞泵的容積效率。

基于柱塞泵內泄漏故障機理分析，提出仿真實驗的思路：將柱塞副徑向間隙作為研究對象，在柱塞泵仿真實驗中，通過逐步增大該徑向間隙，考察柱塞泵輸出壓力與輸出流量的脈動，根據輸出參數變化情況反應柱塞副徑向間隙增大引起的柱塞泵內泄漏故障。本文采取在仿真狀態中注入故障，屬于軟件故障注入的模擬實現。

3柱塞泵內泄漏模擬仿真實驗

在構建的軸向壓力補償泵仿真模型中，柱塞由活塞子模型BAP12和泄漏子模型BAF02組合構成。因為活塞子模型在結構上沒有間隙，將柱塞副的徑向間隙轉化為泄漏子模型BAF02的徑向間隙，這樣轉化是基于AMESim建模特點，符合柱塞副由于間隙增大而造成泄漏增加的實際。

3.1仿真參數設置

圖7　全局變量

仿真參數主要包括各個子模型的尺寸、轉動慣量、質量、彈性系數、剛度等，在AMESim中通過全局變量和局部變量定義。柱塞泵模型全局變量設置如圖7所示，主要局部參數如表1所示。

表1　主要局部參數

仿真實驗用流通面積可調節流閥模擬負載，節流閥通流面積通過輸入信號控制。輸入信號和通流面積如圖8和圖9所示。

圖8　輸入信號

圖9　節流閥通流面積

仿真實驗中，運用AMESim批運行功能，可以對參數的多個值進行仿真。將泄漏子模型BAF02徑向間隙值pclear分別設置為0.005、0.055、0.105、0.155、0.205mm，其中pclear=0.005是柱塞副正常間隙值，其余4個則模擬柱塞副磨損導致間隙增大的數值。

3.2模擬仿真

仿真方式選擇批運行模式，仿真時間為1s，打印間隔0.001s。仿真完成后，繪制不同徑向間隙值對柱塞泵輸出流量的影響，如圖10所示。

圖10　柱塞泵輸出流量—時間

輸出流量與輸入信號的變化情況大體一致，隨著泄漏子模型徑向間隙的增大，柱塞泵輸出流量出現波動，并且間隙越大，波動越劇烈。當柱塞副間隙由正常值pclear=0.005mm增大0.05mm后，輸出流量的變化很??；當間隙增大0.1mm后，輸出流量出現了明顯的波動，pclear>0.055mm的流量數據可以作為柱塞泵內泄漏故障數據樣本。對徑向間隙pclear增大0.05mm后輸出流量的微小變化可以理解為，在設定的仿真條件下，該柱塞泵對柱塞副徑向間隙增大的耐受值為0.05mm。當柱塞副徑向間隙繼續增大時，柱塞泵就會出現明顯的流量波動。這個結論對柱塞泵設計與使用維護很重要，通過建模仿真可以找到柱塞泵對引起內泄漏的柱塞副徑向間隙的耐受臨界值，柱塞泵的使用壽命就是直到當柱塞副徑向間隙不超過0.055mm的使用時間，而維護工作的主要目的就是盡可能延遲柱塞副出現超過0.055mm的間隙。

將需要輸出仿真結果的變量拖動到“觀察變量窗口欄Watch Variables”，把結果文件輸出到指定路徑的CSV文件，即可得到故障數據樣本，該CSV文件可以用Excel打開，作為內泄漏故障診斷數據樣本，如表2所示。

表2　內泄漏故障流量數據(部分)

繪制不同徑向間隙值對柱塞泵輸出壓力和斜盤傾角影響，如圖11和圖12所示。

圖11　柱塞泵輸出壓力—時間

圖12　斜盤傾角—時間

當柱塞副泄漏子模型徑向間隙pclear<0.055mm時，輸出壓力平穩，柱塞泵工作正常。pclear>0.055mm時，壓力出現較為明顯的波動，且隨著間隙的增大而增大，柱塞泵出現內泄漏故障，壓力數據可以作為柱塞泵內泄漏故障數據。按照輸出流量故障數據樣本的輸出方法得到輸出壓力故障數據樣本。

與柱塞泵輸出流量和輸出壓力的變化情況一致，斜盤傾角也是柱塞副徑向間隙pclear>0.055mm后，傾角波動逐漸加劇，表現出內泄漏故障。綜上所述，通過軟件仿真人為增大柱塞副徑向間隙，模擬柱塞副磨損產生內泄漏，可以實現柱塞泵內泄漏故障注入。

4結論

本文建立了軸向壓力補償泵的仿真模型，分析了造成柱塞泵內泄漏故障的機理和主要影響參數，獲得了柱塞泵內泄漏故障仿真實驗數據樣本，得到的結論主要有：(1)可以通過AMSEim泄漏子模型徑向間隙代替柱塞泵的柱塞副徑向間隙，建立柱塞泵仿真模型。(2)通過調整柱塞泵仿真模型中的泄漏子模型徑向間隙可以快速、低成本的得到柱塞泵模擬內泄漏故障數據樣本。(3)柱塞泵輸出流量和輸出壓力波動正比于柱塞副徑向間隙。柱塞泵對內泄漏故障具有一定的耐受能力，只有當柱塞副徑向間隙超過某一值后，柱塞泵才表現出故障，可以通過模擬仿真實驗找到這個耐受臨界值的近似值。

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[責任編輯、校對：東艷]

Internal Leakage Fault Injection Research on Piston Pump Based on AMESim

SHANGZe-yi,LONGJiang

(School of Aviation Engineering,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Abstract：A pressure compensated axial swash plate piston pump simulation model was built in AMESim software.According to the fault injection thought,the radial clearance of AMESim leakage sub model BAF02 was taken as a prime parameter after the analysis of the cause of the pump leakage fault.The leakage fault was injected to the pump by enlarging the radial clearance, which could imitate the increase of clearance caused by abrasion between the piston and cylinder.After the operation of the simulation,the influence of different radial clearance values on the output pressure and flow rate of the pump was obtained.The simulation experimental data can be used as the data source of identification leakage fault of the piston pump.The research method provided a reference for the fault injection of piston pump.

Key words：piston pump;internal leakage;fault injection;AMESim simulation

中圖分類號：TH137

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)01-0024-06

作者簡介：尚澤譯(1987-)，男，四川汶川人，碩士研究生，從事航空液壓油泵故障診斷與預測、模式識別研究。

基金項目：四川省教育廳科研重點項目(16ZA0020)；中國民航飛行學院研究生創新基金項目(X2014-15)

收稿日期：2015-12-10