基于AMESim的柱塞泵内泄漏故障注入研究

尚泽译，龙　江

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉，618307)



基于AMESim的柱塞泵内泄漏故障注入研究

尚泽译，龙江

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉，618307)

摘要：在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中构建轴向斜盘式压力补偿柱塞泵模型，根据故障注入思想，通过分析柱塞泵内泄漏故障成因，将AMESim中的泄漏子模型BAF02的直径方向间隙作为影响柱塞泵内泄漏的主要参数。通过增大该径向间隙，模拟柱塞泵因磨损而引起的活塞与缸体间隙增大，从而给柱塞泵模型注入内泄漏故障。运行仿真后，得到不同径向间隙值对柱塞泵输出压力和输出流量的影响情况。仿真实验数据可以作为柱塞泵泄漏故障识别的数据源，研究方法为柱塞泵的故障注入探索提供了参考。

关键词：柱塞泵；内泄漏；故障注入；AMESim仿真

航空液压设备故障诊断与状态预测技术随着人工智能技术、高性能传感器、计算机辅助测试技术的发展有了长足的进步。故障诊断与预测需要基于故障数据，然而，某些元件的故障数据样本很有限。为了获得故障数据，给研究对象引入故障，进行实验或仿真，获得故障数据样本以开展故障诊断研究已成为一种行之有效的方法。

柱塞泵是液压系统中结构复杂，工况恶劣，输出特性要求较高的核心元件，是固液耦合、刚柔耦合作用的非线性压力元件。液压泵、马达是液压系统中最容易损坏的元件，据行业统计，液压故障60%以上是由液压泵、马达引起的[1-2]。柱塞泵结构形式多样，故障特征量和很多中间环节信息难以提取，而且液压系统故障多因素耦合和传递路径复杂，单纯采用信号处理方法往往难以有效溯源，存在故障机理不清、智能诊断系统薄弱和辨识方法不足等问题[3]。

本文针对柱塞泵内泄漏故障，在AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)中建立压力补偿柱塞泵仿真模型，通过研究柱塞泵内泄漏的主要原因，给仿真模型注入由柱塞泵与缸体径向间隙增大而引起的内泄漏故障。运行仿真后，对比合理间隙的柱塞泵与增大间隙的柱塞泵输出压力与流量的不同，实现了柱塞泵的内泄漏故障模拟，为柱塞泵故障诊断与预测提供故障样本。文中所提出的方法能够较为精确地模拟柱塞泵内泄漏故障，相较于柱塞泵物理故障注入，具有故障易于控制，获得故障样本成本低、代价小的优点。

1柱塞泵模型建立

飞机的液压系统是个多余度、高压大功率的复杂综合系统，主要由多套(2-3套)彼此独立但又相互备份的液压系统构成。每套液压系统由液压能源系统及其对应的不同液压用户系统组成。能源系统包括油箱增压系统、泵源系统以及备份能量转换系统等；用户系统则主要包括飞控系统、起落架系统以及反推力系统等[4]。柱塞泵作为大型运输飞机液压泵源系统的重要组成部件，在航空领域有着广泛应用。随着航空航天、装备制造、工程机械等对液压系统大流量、高转速、高压力的需求，柱塞泵朝着高速化、高压化、低噪声和长寿命的发展，使得柱塞泵结构日趋复杂。

1.1柱塞泵工作特点分析

柱塞泵一般包含5～9个柱塞，柱塞球头与滑靴通过球铰副连接，柱塞与缸体随着主轴高速转动的同时，在柱塞腔内水平往复运动。因柱塞往复运动引起的柱塞腔容积改变来实现柱塞泵的吸油和排油。柱塞副的运动比较复杂，除了柱塞沿着柱塞腔的平动和与缸体一起绕主轴的转动，还包括柱塞在柱塞腔内受到压力油膜支撑时的复杂运动。柱塞泵主轴的高速旋转转化为柱塞的高速平动，引起柱塞和缸体间的高速摩擦，在粘性摩擦力的作用下，柱塞还会绕自身中心进行自转运动。由于柱塞副存在一定间隙，柱塞在柱塞腔内还有轻微的摆动[5]。

在柱塞泵工作过程中，柱塞受力也是多维耦合。受到的作用力有：作用在柱塞底部的液压力、斜盘通过滑靴作用到柱塞上的力、柱塞与缸体间的油膜压力、柱塞与缸体间的摩擦力、柱塞绕主轴转动产生的离心力以及自身的重力等[6]。

1.2轴向压力补偿泵关键元件设计

作为柱塞泵的重要类别，斜盘式压力补偿柱塞泵因为输出压力稳定，广泛应用于工业各领域，将其作为研究对象比较有代表性。图1为5柱塞轴向压力补偿泵[7]的内部组成示意图。

1—斜盘转角调整活塞 2—滑靴 3—配流盘 4—柱塞

按照设计目标，在AMESim仿真软件中建立一个9柱塞轴向斜盘式压力补偿泵。柱塞泵的关键组成包括：缸体、柱塞、配流盘、斜盘、斜盘转角调整活塞、滑靴、传动轴等。柱塞是柱塞泵的核心功能元件，采用AMESim软件Hydraulic Component Design液压元件设计库(HCD库)中的BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模型组合构成。BAP12活塞子模型和BAF02泄漏子模如图2和图3所示。

图2　BAP12活塞子模型

图3　BAF02泄漏子模

子模型的箭头方向为信号正向，由该子模型计算的外部变量是它的输出，用其他子模型计算的外部变量是它的输入。红色箭头表示输入量，绿色箭头表示输出量。BAP12活塞子模型有3个端口，端口1输入压力信号，输出流量和体积。端口2输入力，输出位移和速度，端口3输入位移和速度，输出力信号。所以BAP12的端口1连接液压管路，端口2、3连接力源、速度源或位移源。其他类型的子模型端口情况与此相似，只是输入输出量不同。

在AMESim的建模中，将柱塞泵转子部分的转动惯量用子模型RL04代替，涉及的阻力用阻尼器子模型RSD00代替。转动惯量用子模型RL04和阻尼器子模型RSD00如图4和图5所示。

图4RL04转动惯量子模型图5RSD00阻尼器子模型运用斜盘柱塞连接器子模型SWASH_PISTON_MECH705连接柱塞与斜盘，运用斜盘控制子模型SWASH_ACT_701连接斜盘与转角调整活塞，采用弹簧活塞子模型BAP015模拟斜盘复位弹簧，配流盘子模型为SC_VALVE_PLATE702[8]。

1.3柱塞泵仿真模型设计

将建立的单个柱塞模型，与配流模型和斜盘柱塞连接器模型连接，定义为超级组件，然后通过与各个接口连接，建立整个柱塞泵的液压模型。在HCD库中选择相应子模型创建控制阀模型，将斜盘转动惯量用RL04子模型代替，斜盘阻力用MCCL_0AA子模型代替，考虑液压油的压力动态特性，在液压管路中加入液压腔体BHC11子模型，建立的9柱塞轴向压力补偿柱塞泵如图6所示。

图6轴向斜盘式压力补偿柱塞泵

2内泄漏故障注入

2.1故障注入概述

故障注入是指在分析研究对象故障机理的基础上，选择某种故障，将其有意识地引入到研究对象，加速研究对象产生错误或发生失效，造成研究对象出现施加的故障。并在此过程中，记录分析研究对象的输出信号，构建输出信号与注入故障间的对应关系，观测研究对象的故障行为，评价对象的故障表现，获得对象的可靠性和容错性评测结果。

按所注入的故障类型，可分为软件故障注入和硬件故障注入两类。按故障注入的实现方法，可分为模拟实现、硬件实现、软件实现、重离子辐射诱发、电源干扰影响和激光实现的故障注入等[9]。故障注入技术主要集中应用于电路的失效分析和容错设计，测评软件和应用系统的可靠性以及验证网络系统的容错评估和安全防护[10]，应用在柱塞泵故障分析中很少。因为工作环境的多样性，以及柱塞泵的非线性、耦合性，针对柱塞泵的故障诊断表现出很强的模糊性，需要大量的故障数据样本。

面对柱塞泵故障数据样本较少，多故障混合的情况，研究人员提出了硬件故障注入方法，例如，人为拉大球头滑靴副游隙[11]、添加齿面磨损等方法。很多硬件故障注入属于破坏性试验，存在试验成本高、周期长的缺点，而故障软件注入模拟仿真的方法则可以以很小的代价实现。在准确仿真模型基础上的故障仿真能为诊断模型提供大量的训练样本，因此对液压系统进行基于仿真方法的故障注入具有重要意义。

2.2柱塞泵内泄漏故障机理分析

柱塞泵内部有几个重要的摩擦副，分别是：在缸体和柱塞间实现柱塞往复吸油和排油运动的柱塞副，在缸体和配流盘之间实现吸油和排油的配流副，在斜盘和滑靴之间把主轴旋转运动转化为柱塞的直线运动的滑靴副，在柱塞球头和滑靴之间的球铰副。柱塞和缸体之间存在压力油膜，包括动力润滑油膜和间隙油膜。动力润滑油膜支撑柱塞，改善润滑条件，对柱塞泵起到积极的作用。但是间隙油膜使得柱塞泵产生泄漏[12]，随着柱塞与缸体因为高速摩擦而产生磨损，引起柱塞副间隙增大，使得柱塞泵内泄漏增加，进一步降低柱塞泵的容积效率。

基于柱塞泵内泄漏故障机理分析，提出仿真实验的思路：将柱塞副径向间隙作为研究对象，在柱塞泵仿真实验中，通过逐步增大该径向间隙，考察柱塞泵输出压力与输出流量的脉动，根据输出参数变化情况反应柱塞副径向间隙增大引起的柱塞泵内泄漏故障。本文采取在仿真状态中注入故障，属于软件故障注入的模拟实现。

3柱塞泵内泄漏模拟仿真实验

在构建的轴向压力补偿泵仿真模型中，柱塞由活塞子模型BAP12和泄漏子模型BAF02组合构成。因为活塞子模型在结构上没有间隙，将柱塞副的径向间隙转化为泄漏子模型BAF02的径向间隙，这样转化是基于AMESim建模特点，符合柱塞副由于间隙增大而造成泄漏增加的实际。

3.1仿真参数设置

图7　全局变量

仿真参数主要包括各个子模型的尺寸、转动惯量、质量、弹性系数、刚度等，在AMESim中通过全局变量和局部变量定义。柱塞泵模型全局变量设置如图7所示，主要局部参数如表1所示。

表1　主要局部参数

仿真实验用流通面积可调节流阀模拟负载，节流阀通流面积通过输入信号控制。输入信号和通流面积如图8和图9所示。

图8　输入信号

图9　节流阀通流面积

仿真实验中，运用AMESim批运行功能，可以对参数的多个值进行仿真。将泄漏子模型BAF02径向间隙值pclear分别设置为0.005、0.055、0.105、0.155、0.205mm，其中pclear=0.005是柱塞副正常间隙值，其余4个则模拟柱塞副磨损导致间隙增大的数值。

3.2模拟仿真

仿真方式选择批运行模式，仿真时间为1s，打印间隔0.001s。仿真完成后，绘制不同径向间隙值对柱塞泵输出流量的影响，如图10所示。

图10　柱塞泵输出流量—时间

输出流量与输入信号的变化情况大体一致，随着泄漏子模型径向间隙的增大，柱塞泵输出流量出现波动，并且间隙越大，波动越剧烈。当柱塞副间隙由正常值pclear=0.005mm增大0.05mm后，输出流量的变化很小；当间隙增大0.1mm后，输出流量出现了明显的波动，pclear>0.055mm的流量数据可以作为柱塞泵内泄漏故障数据样本。对径向间隙pclear增大0.05mm后输出流量的微小变化可以理解为，在设定的仿真条件下，该柱塞泵对柱塞副径向间隙增大的耐受值为0.05mm。当柱塞副径向间隙继续增大时，柱塞泵就会出现明显的流量波动。这个结论对柱塞泵设计与使用维护很重要，通过建模仿真可以找到柱塞泵对引起内泄漏的柱塞副径向间隙的耐受临界值，柱塞泵的使用寿命就是直到当柱塞副径向间隙不超过0.055mm的使用时间，而维护工作的主要目的就是尽可能延迟柱塞副出现超过0.055mm的间隙。

将需要输出仿真结果的变量拖动到“观察变量窗口栏Watch Variables”，把结果文件输出到指定路径的CSV文件，即可得到故障数据样本，该CSV文件可以用Excel打开，作为内泄漏故障诊断数据样本，如表2所示。

表2　内泄漏故障流量数据(部分)

绘制不同径向间隙值对柱塞泵输出压力和斜盘倾角影响，如图11和图12所示。

图11　柱塞泵输出压力—时间

图12　斜盘倾角—时间

当柱塞副泄漏子模型径向间隙pclear<0.055mm时，输出压力平稳，柱塞泵工作正常。pclear>0.055mm时，压力出现较为明显的波动，且随着间隙的增大而增大，柱塞泵出现内泄漏故障，压力数据可以作为柱塞泵内泄漏故障数据。按照输出流量故障数据样本的输出方法得到输出压力故障数据样本。

与柱塞泵输出流量和输出压力的变化情况一致，斜盘倾角也是柱塞副径向间隙pclear>0.055mm后，倾角波动逐渐加剧，表现出内泄漏故障。综上所述，通过软件仿真人为增大柱塞副径向间隙，模拟柱塞副磨损产生内泄漏，可以实现柱塞泵内泄漏故障注入。

4结论

本文建立了轴向压力补偿泵的仿真模型，分析了造成柱塞泵内泄漏故障的机理和主要影响参数，获得了柱塞泵内泄漏故障仿真实验数据样本，得到的结论主要有：(1)可以通过AMSEim泄漏子模型径向间隙代替柱塞泵的柱塞副径向间隙，建立柱塞泵仿真模型。(2)通过调整柱塞泵仿真模型中的泄漏子模型径向间隙可以快速、低成本的得到柱塞泵模拟内泄漏故障数据样本。(3)柱塞泵输出流量和输出压力波动正比于柱塞副径向间隙。柱塞泵对内泄漏故障具有一定的耐受能力，只有当柱塞副径向间隙超过某一值后，柱塞泵才表现出故障，可以通过模拟仿真实验找到这个耐受临界值的近似值。

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[责任编辑、校对：东艳]

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

中图分类号：TH137

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)01-0024-06

作者简介：尚泽译(1987-)，男，四川汶川人，硕士研究生，从事航空液压油泵故障诊断与预测、模式识别研究。

基金项目：四川省教育厅科研重点项目(16ZA0020)；中国民航飞行学院研究生创新基金项目(X2014-15)

收稿日期：2015-12-10