翻車機液壓控制系統(tǒng)常見故障仿真研究

， ， ， (1.燕山大學 河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室， 河北 秦皇島　066004；2.燕山大學 先進鍛壓成形技術(shù)與科學教育部重點實驗室， 河北 秦皇島　066004)

引言

翻車機具有生產(chǎn)效率高、自動化程度高等優(yōu)點，被廣泛應用于港口、冶金及發(fā)電等大型企業(yè)的物料裝卸系統(tǒng)之中。翻車機在卸料系統(tǒng)中是最核心和最復雜的設備，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、嚴重影響生產(chǎn)[1]。所以對翻車機液壓系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷有著重要意義。本研究采用AMESim軟件對神華黃驊港3號翻車機液壓系統(tǒng)靠車部分進行了建模故障仿真分析，其所得的一些結(jié)論為后續(xù)建立翻車機液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)提供參考[2]。

仿真分析過程分為三個階段：首先，對液壓系統(tǒng)中的元件進行建模，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，對虛擬液壓系統(tǒng)注入常見故障，分析仿真結(jié)果，總結(jié)由于故障所導致的系統(tǒng)各個參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)了由各個參數(shù)變化規(guī)律診斷液壓系統(tǒng)常見故障的目標。

由于翻車機液壓系統(tǒng)自帶有接壓力傳感器的測壓接頭，而且壓力信號對故障的敏感性較高，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　翻車機液壓系統(tǒng)原理及介紹

翻車機液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(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個液壓缸分布在C型轉(zhuǎn)子式翻車機的閉式側(cè)，其中每4個液壓缸的活塞桿由靠車板剛性連接在一起?？寇嚫椎恼麄€工作過程包括：壓靠、保壓和回縮三個階段。壓車缸共10個，開式側(cè)4個，閉式側(cè)6個?？寇囈簤合到y(tǒng)簡圖如圖1所示。當電液換向閥右位工作時，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。當靠車缸壓靠到位，觸發(fā)靠車板上的限位開關(guān)發(fā)出訊號，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桿腔內(nèi)。然后，翻車機開始翻轉(zhuǎn)靠車缸承受車皮和物料的部分重力，使無桿腔壓力升高。在翻車機翻轉(zhuǎn)160°后，翻車機回轉(zhuǎn)到原位。隨后，電液換向閥左位工作，靠車缸無桿腔液控單向閥反向開啟，靠車缸縮回。支路上的液控單向閥反向開啟由兩個電磁換向閥共同控制。如圖1所示。

圖1　靠車液壓系統(tǒng)簡圖

2　關(guān)鍵液壓元件的建模與驗證

翻車機液壓系統(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元件庫中沒有現(xiàn)成元件，本研究采用AMESim中的HCD庫建立這兩個元件。

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，下面部分是先導閥。先導閥是電磁換向閥，主閥是液控換向閥[4]。電液換向閥仿真模型的各參數(shù)是參考樣本中的實際參數(shù)而設定的。為了使換向閥的測試壓力更接近翻車機液壓系統(tǒng)工作壓力，回路中T口設置了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號曲線。仿真結(jié)果曲線如圖4所示，可見兩條曲線基本一致，說明建模階段設置的各參數(shù)是正確的。

圖2　電液換向閥測試仿真回路

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

翻車機液壓系統(tǒng)中的液控單向閥為SL10PA1-4X型號，實際結(jié)構(gòu)見圖5。其中X和Y口為控制油口，從A口到B口流向為正向開啟，從B口到A口為反向開啟。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)設置。

圖5　液控單向閥實際結(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啟壓差-流量曲線如圖7所示，其中1號曲線為正向開啟；虛線為反向開啟。同樣，為了驗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單的仿真測試回路中，經(jīng)仿真計算得出的壓差-流量曲線如圖8所示，1號曲線是單向閥的正向開啟壓差-流量曲線，其開啟壓力為2.5 bar，2號曲線為反向開啟曲線。

圖7　液控單向閥壓差-流量樣本曲線

圖8　單向閥正向、反向開啟壓差-流量曲線

通過對比可見樣本曲線與仿真結(jié)果基本一致。通過以上對液壓元件的仿真與驗證，為翻車機液壓系統(tǒng)的仿真分析奠定基礎(chǔ)。

3　翻車機靠車部分液壓系統(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庫搭建外，其他元件都取自AMESim自帶的HY庫。油缸負載是根據(jù)翻車機卸料過程機車重力變化推算出的。一個車皮滿載時總重量為104 t，翻車速度為1 r/min， 煤粉翻卸過程中的安息角為40°[5]。在靠車缸壓靠和回縮階段液壓缸不受負載，只有在保壓階段靠車液壓系統(tǒng)要承受機車和貨物的部分重力，這使缸體無桿腔壓力出現(xiàn)峰值。圖10是靠車缸無桿腔在整個工作過程中的壓力變化曲線。

由圖可見，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， 當負載增加時液壓缸中的壓力也跟隨著變化，最大值達到110 bar。這與生產(chǎn)實際測試值基本相符，再次說明系統(tǒng)的仿真模型正確。

圖10　靠車缸工作過程無桿腔壓力曲線

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)場反饋，翻車機靠車系統(tǒng)主要常見的故障為液壓缸內(nèi)泄、電液換向閥先導級電磁鐵失效和液控單向閥不能反向開啟。

4.1　液壓缸內(nèi)泄故障仿真

液壓缸內(nèi)泄是由于翻車機工作時間過長，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，當內(nèi)泄漏流量較小時很難被發(fā)覺，只有在內(nèi)泄過于嚴重而影響活塞的運動速度時才會被發(fā)現(xiàn)。本研究中靠車缸內(nèi)泄故障仿真是通過設置HY庫中的油缸內(nèi)泄系數(shù)實現(xiàn)的。在AMESim軟件中按公式(1)計算內(nèi)泄漏流量：

qleak=(p1-p2)×leak

(1)

式中：qleak為泄漏流量；p1為無桿腔壓力；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的縫隙高度；μ為油液動力黏度；l為活塞密封長度；ε為相對偏心距；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)計算公式(3)：

(3)

經(jīng)計算內(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個靠車缸共同承擔貨物和車皮重量。當一個液壓缸發(fā)生內(nèi)泄時無桿腔的壓力難以建立，原來由4個靠車缸承受的負載變?yōu)?個缸承受，使這3個缸壓力增大。圖11為整個工作過程中正?？寇嚫缀蛢?nèi)泄缸無桿腔壓力的仿真結(jié)果曲線。圖中1號曲線為與內(nèi)泄缸并聯(lián)的正常靠車缸無桿腔的壓力曲線，2號曲線為內(nèi)泄缸無桿腔壓力曲線?？梢姡瑑?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)泄缸無桿腔壓力曲線

因此，通過檢測各個靠車缸無桿腔壓力可以確定翻車機靠車液壓系統(tǒng)中哪一個液壓缸發(fā)生了內(nèi)泄漏故障。

4.2　電液換向閥先導閥級電磁鐵故障仿真

在復雜機械系統(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導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)是它對先導閥芯的控制力減小，由于控制力減小，導致先導閥芯的響應速度變慢。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置為40 N，當電磁鐵失效時控制力將減小，將其設為5 N。將故障注入仿真液壓系統(tǒng)后，計算出液壓缸無桿腔的壓力曲線如圖12所示，其中1號曲線是存在故障工況下靠車缸無桿腔壓力變化曲線，2號曲線是正常工況下壓力曲線?？梢?，因為換向閥先導級電磁鐵失效，使換向閥響應速度減慢，當靠車缸承受負載時無桿腔仍然與泵源接通，使其壓力相對正常工況較大。當支路上的單向閥鎖死后將靠車缸無桿腔油液憋住，并保持較高壓力。所以在保壓階段存在故障系統(tǒng)中的靠車缸無桿腔壓力相對正常工況下要明顯增大。圖13為電液換向閥先導閥芯位移曲線， 其中1號曲線是有故障工況下的位移，2號正常工況下的位移。當控制力減小后換向閥先導閥芯位移要減小。

圖12　電液換向閥電磁鐵失效時和正常系統(tǒng)靠車缸無桿腔壓力

圖13　電液換向閥電磁鐵失效和正常情況先導閥芯位移

4.3　液控單向閥反向未開啟故障仿真

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

5　結(jié)論

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

圖14　由反向未開啟單向閥控制的靠車缸無桿腔壓力與正?？寇嚫讐毫η€

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