1、液压综合性能试验台故障分析与处理 卿绿军 陈万强 李祥阳 王玮 陶佳欣 西安航空学院 陕西省泵类装备工程研究中心 摘 要： 为解决液压综合性能试验台在负载模拟状态下的故障, 从液压动力系统低速稳定性角度, 通过建立变频电机机械特性模型, 分析不同转速下其输出特性曲线, 阐述该故障的发生机制;结合该液压试验台动力系统特点, 给出故障解决方案, 并对其进行验证。实验结果表明:该方案能有效解决液压综合性能试验台因加载冲击导致的停机故障, 对诊断液压系统故障、保障液压综合试验台安全稳定运行具有指导和借鉴意义。关键词： 液压试验台; 故障分析; 压力冲击; 稳定性; 作者简介：卿绿军 (1987) ,
2、男, 硕士, 主要研究方向为流体传动技术。E-mail:。收稿日期：2016-09-05基金：国家自然科学基金项目 (51575420) Fault Analysis and Processing for the Comprehensive Performance Hydraulic Test RigQING Lvjun CHEN Wanqiang LI Xiangyang WANG Wei TAO Jiaxin Xian Aeronautical University; Abstract： In order to solve fault in the comprehensive perfor
3、mance hydraulic test rig under the load simulation condition, the output characteristic curves under different rotating speed were analyzed from the low speed stability of hydraulic power system, the occurrence mechanism of the fault was expounded through the establishment of mechanical characterist
4、ics of variable-frequency motor model. Combined with the characteristics of the dynamic system of the hydraulic test rig, the corresponding processing method was proposed, and its validation was carried out. The results show that the method can effectively solve the fault of the comprehensive perfor
5、mance hydraulic test rig. It has great guidance and reference significance to protect the safe and stable operation of hydraulic test rig.Keyword： Hydraulic test rig; Fault analysis; Pressure shock; Stability; Received： 2016-09-05液压试验台作为一种关键的测试设备被广泛应用于航空、航天、船舶等领域, 其性能直接影响对被测试对象性能的评价, 而液压试验台的实质也是一种液压
6、系统。随着测试技术自动化和智能化程度提高及被测试对象工况复杂多变, 液压试验台已成为复杂的机电液系统, 对其运行状态的有效识别及故障诊断成为亟待解决的技术难题1-2。目前, 国内外学者主要采用支持向量机3-4、神经网络5-6、故障树7、专家系统8-9等现代故障诊断理论方法研究了因油液污染、磨损、泄漏等引起的液压系统故障, 并取得大量的研究成果, 而涉及液压系统运行参数不合理等非液压元件损坏导致系统故障的相关文献较少, 该液压系统故障具有隐蔽性强的特点。以实际应用的液压综合性能试验台为研究对象, 针对其在负载模拟过程出现的停机故障问题, 结合变转速液压试验台特点, 采用理论计算和数字仿真分析其故
7、障发生机制, 对解决该类型液压系统故障问题具有重要实际意义。1 故障现象工况:系统的流量为 24 L/min, 压力为 4.5MPa, 变频电机转速为 320 r/min, 变量柱塞泵排量为 80 m L/r。在负载模拟工作时, 液压综合性能试验台出现停机故障, 系统压力、流量如图 1 所示。图 1 液压系统受到加载冲击时其输出流量和压力响应曲线图 (电机转速为 320 r/min 且泵排量为 80 m L) 下载原图2 液压系统故障机制分析2.1 液压综合性能试验台工作原理液压综合性能试验台主要由变频电机、变量柱塞泵、比例溢流阀、转速转矩传感器、压力流量传感器、负载模拟装置以及连接各个液压元
8、件的接头、管路组成, 如图 2 所示。基本工作原理:变频电机拖动变量柱塞泵, 输出压力油, 通过比例溢流阀设定系统的压力, 满足工况对系统流量、压力的要求。图 2 液压综合性能试验台液压回路图 下载原图2.2 液压系统故障机制分析经检查判断液压、电气等元件无损坏, 再结合液压故障发生阶段, 初步确定是因为负载模拟瞬间, 产生压力冲击, 引起液压动力系统失稳, 导致液压系统故障。为解决该液压系统故障, 有必要对该液压试验台的液压动力系统稳定性进行分析。该液压动力系统由变量柱塞泵和变频电机组成, 而变频电机作为液压动力系统核心元件之一, 其稳定性对液压动力系统稳定性产生重要影响。依据电机学原理可知
9、, 普通异步电动机的最大电磁转矩是10其中: sync为异步电动机转子同步角速度;V TH为戴维南等效电压;R TH为戴维南电阻;X TH为戴维南电抗;X 2为折合到定子侧的转子每相漏电抗。当变频电动机采用恒压频比 (V/F) 原理调速时, 变频电机最大电磁转矩为:式中:V s为异步电动机输入电压。该液压试验台采用的西门子三相异步电动机, 其主要参数11如表 1 所示。表 1 三相异步电动机的主要参数 下载原表 结合表 1 数据, 利用 MATLAB 绘制出变频电动机在不同频率下机械特性曲线, 如图 3 所示。由图 3 可知:异步电机在不同频率下具有不同的机械特性曲线, 且随着频率降低, 变频
10、异步电机输出最大转矩逐渐减小。当频率降低到一定值时, 变频电动机输出最大转矩小, 抗干扰能力弱, 严重影响系统稳定性。图 3 不同频率下变频电机机械特性曲线图 下载原图结合液压综合试验台故障发生时工况参数可知, 其故障发生原因是:当变频电机转速低于 500 r/min 时, 其最大输出转矩小, 机械特性弱, 此时变频电机拖动的液压动力系统稳定性差;当液压系统进行加载模拟时, 产生压力冲击, 通过机液参数耦合作用传递到液压动力系统的变频电机, 超过其最大输出转矩, 引起液压动力系统停机, 导致液压系统故障。3 改进方案为解决该液压系统负载模拟过程中的故障, 提高液压系统稳定性, 实质是提高液压动
11、力系统的变频电机最大输出转矩, 结合变频电机在不同频率下的机械特性曲线可知, 应该提升变频电机的工作转速。对于该液压系统而言, 若柱塞泵排量不变, 随着变频电机转速增加, 系统流量增大;再结合该液压试验台液压动力系统变排量、变转速复合调速特点, 应降低变量柱塞泵的排量, 满足工况对流量的要求。依据流体力学可知, 柱塞泵的容积效率 v12为:其中:C s为层流泄漏系数;p 为进出口压差; 为油液动力黏度;n 为泵转速;为排量比 (取 1) 。结合 REXROTH 提供的实验数据13, 得到柱塞泵的容积效率与排量的关系曲线, 如图 4 所示。由图 4 可知:随着变量柱塞泵排量减小, 其容积效率降低
12、, 且在低排量情况下, 柱塞泵变量机构时常伴随颤动状况, 引起流量及压力的剧烈波动。因此, 结合工况参数, 兼顾液压系统稳定性、效率, 其改进方案是提高变频电机的工作转速且降低变量柱塞泵容积效率比。图 4 在 4.5 MPa 下柱塞泵容积效率与排量之间关系图 下载原图4 改进方案验证结合工况要求的系统流量 24 L/min, 系统压力为 4.5 MPa 条件, 将变频电机的转速由 320 r/min 提高到 800 r/min, 变量柱塞泵排量由 80 m L/r 减小至 30m L/r。当液压综合性能试验台在设定参数下稳定运行时进行负载模拟, 负载模拟输入信号为 0-1 阶跃信号, 实验结果
13、如图 5 所示。图 5 液压系统受到加载冲击时其输出流量和压力响应曲线图 (电机转速为 800 r/min 且泵排量为 30 m L/r) 下载原图如图 5 所示, 液压综合性能试验台在改进方案设定参数运行时, 液压系统在t=32 s 进行负载模拟, 输入 0-1 阶跃信号, 对液压系统产生压力冲击。变频电机转速从 800 r/min 降低为 790 r/min、系统流量从 24 L/min 降为 22 L/min、系统压力由 4.5 MPa 增大为 4.8 MPa。由于该液压系统中电机转速、压力、流量参数采用的开环控制, 故在压力冲击作用后这些参数实际值与期望值存在一定的误差。对比图 1 和
14、图 5 可知, 液压综合试验台在改进方案确定的参数下运行时能有效解决负载模拟过程中压力冲击引起的故障。因此, 合理设置变频电机运行转速、变量柱塞泵排量对变转速变排量液压动力系统稳定性、抗干扰能力具有重要影响。5 总结针对液压综合性能试验台在负载模拟状态下的故障, 从变转速液压动力低速性能角度, 确定了该液压试验台故障原因:液压动力系统变频电机处于低速运转时, 其最大输出转矩小, 抗干扰能力弱;当其受到加载冲击时, 变频电机发生停转, 导致液压试验台发生停机故障;再结合该试验台液压动力系统变转速变排量特点, 给出改进方案, 并进行验证, 其结果表明:改进方案能有效解决液压综合性能试验台在负载模拟
15、过程中发生的停机故障, 对液压系统故障诊断具有指导和借鉴意义。参考文献1谷立臣, 刘沛津, 陈江城.基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术J.机械工程学报, 2011, 47 (24) :141-149.GU L C, LIU P J, CHEN J C.State Recognition Technique of Hydraulic System Based on Electrical Parameters Information FusionJ.Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47 (24) :141-149. 2卿绿军, 谷立臣, 孙昱
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