液压减振器故障-参数集的知识表达及映射

2020-07-22邓佳林邹益胜张继冬

机械设计与制造 2020年7期

邓佳林，邹益胜，张继冬，张楷

（西南交通大学机械工程学院先进设计与制造研究所，四川成都 610000）

1 引言

自2007 年第六次铁路大提速以来，我国高速列车快速发展，为我国带来巨大社会经济效益。现代液压减振器几乎能实现任何实际需要的减振阻力特性，因此广泛地运用于铁道机车车辆和各种公路车辆[1]。作为高速列车悬挂系统重要部件的一系轴箱减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、抗蛇行减振器等均采用为液压减振器。液压减振器对保障高速列车安全、平稳运行，提高列车乘坐舒适性有着至关重要的作用。

液压减振器工作中通过节流孔对油液的节流作用产生阻尼力，从而对轨道不平顺等激励作用进行缓冲。液压部件由于疲劳、老化和磨损，在变载荷谱下非线性的累计损伤或在污染物浓度陡增的情况下，液压元件或系统的性能将急剧下降[2]。液压减振器具有机械和液压的双重特性，对于主动悬挂和半主动悬挂还要考虑控制系统的电学特性[3]。我国对液压减振器的研究起步相对较晚，针对故障的研究更不多见。液压零部件由于受机械、液压的共同作用，其损坏和失效往往发生在设备内部，具有隐蔽性，难以直接监测，更难以对故障特征进行提取。然而由于其在高速列车部件中的重要作用，对液压减振器的故障机理和诊断方法研究不可回避。

由于高速列车部件整车实验难度较大，运维履历故障数据更是难以准确检测和获取，因此通过液压仿真模型，对其进行有针对性的故障注入[4]，可解决实物故障注入或运维故障收集的实验周期长、耗费大的问题，从而有效缩短液压减振器的研发周期，并对设计参数进行优化反馈[5-7]。液压减振器故障仿真及应用的技术路线，如图1 所示。与传统动力学模型直接将液压减振器故障等效为阻尼线性衰减不同，侧重研究液压减振器仿真模型的构建和故障参数集映射规则。

图1 液压减振器故障仿真技术路线Fig.1 Fault Simulation Technology Route of Hydraulic Shock Absorber

以某型柯尼单向循环减振器为例，通过对液压减振器的故障机理分析，提取故障参数，以参数集的形式对故障模式进行参数化表达，基于AMESim 液压仿真软件对参数集进行调整，从而实现对液压减振器故障的参数表达和仿真，并基于该仿真模型对故障状态下的减振器阻尼特性进行了分析。

2 液压减振器仿真模型构建

2.1 液压减振器工作原理及动力学等效模型

各型减振器之间存在一定的差别，但究其工作原理而言，单向循环的液压减振器基本一致。通过参数的合理设置，几乎所有柯尼铁路车辆减振器的拉压行程的阻力比接近1：1，具有对称特性。

减振器工作行程分为拉伸和压缩，在压缩行程中，底阀单向阀关闭，活塞单向阀开启，油液由下腔流经上腔，再经由阻尼阀，主阻尼阀、补充阻尼阀、安全阀依次打开进入储油空间；当活塞拉伸行程时，活塞单向阀关闭，底阀开启，油液由上腔流经阻尼阀，主阻尼阀、补充阻尼阀、安全阀依次打开，经由底阀进入下腔。

传统的SIMPack 车体动力学仿真过程中，考虑到液压减振器的橡胶接头、油液及压缩空气等弹性因素和液压阻尼，直接将液压减振器等效为一个阻尼和弹簧串联线性模型[8-9]。设等效模型刚度系数为k，阻尼系数为c，活塞位移为x0，缸体受到振幅A，则其振动微分方程如下：

输入正弦位移x=Asin（ωt），解式（1）可得：

该理想化模型表达可以近似模拟液压减振器的工作原理，但难以对不同环境温度、粘度、工作缸运动速度下的阻尼特性进行准确的表达，更难对各个组成元件的故障特性进行分析。特别是针对抗蛇行减振器，由于其属于强非线性元件，必须考虑其动态的非线性刚度和阻尼特性[7]。

2.2 液压减振器AMESim 仿真模型

图2 液压减振器仿真模型Fig.2 Simulation Model of Hydraulic Shock Absorber

基于液压减振器结构和原理分析，通过对其各功能元件进行等效建模，在AMESim 中构建出的液压减振器仿真模型，如图2 所示。该模型为液压减振器正常状况下的工作模型，通过仿真可得到其动态阻尼特性。F、v、S的时域图像，如图3（a）所示。液压减振器的示功图，如图3（b）所示。阻尼-速度曲线，如图3（c）所示。通过对比数学模型和仿真模型的动态特性，可对液压减振器仿真模型进行参数修正。

图3 液压减振器模型动态阻尼特性Fig.3 Dynamic Damping Characteristics of Hydraulic Shock Absorber Model

3 液压减振器故障参数集构建与优化

3.1 液压减振器故障模式分析

液压系统由于其特殊性和复杂性，难以直接建立几何参数变化对性能参数影响的关系式，而且引起同一故障现象的原因往往不止一种物理参数的改变，而是一类故障模式下多种物理参数的改变而最终导致的。故障分析框架可分为特征层，关系层以及模式层，首先通过建立液压系统映射规则（仿真模型），进而分析导致顶层故障现象的底层故障模式，并转化或等效为易于表达的参数集，可有效对故障模式进行参数化表达。从某种意义上讲，底层故障模式的细化程度决定了故障分析框架的抽象级别[9]。在该框架中，底层参数通过AMESim 中HCD 库的液压元件参数进行等效表达。以单向阀阀片为例，平阀阀片等效模型的几何参数和性能参数，如图4 所示。通过设置该等效模型中的实参数可实现对平阀阀片性能的调节。

图4 AMESim 仿真单向阀平阀阀片等效模型及性能参数Fig.4 The Equivalent Model and Performance Parameters of the Flapper Valve Plate by AMESim

无论是机械设备或是其零部件，影响其失效的基本因素总可以归结为设计制造过程因素（原始因素）和运转维修过程因素（工况使用因素）两大方面，其具体形式为断裂、裂纹、磨损、变形、腐蚀、松脱等[11]。根据液压减振器结构组成元件，对元件的功能、材料、结构特点、失效模式和影响进行分析，可得出各零部件的故障模式及影响参数。通过对可能引起相似结果的零部件参数进行联合故障仿真设置，可获得不同的性能特点。由于示功图是反映载荷随位移变化规律的图形，也是液压减振器的主要性能特性呈现方法，因此其参数集主要表示外部易于通过示功图反映和区别的现象（即认为不同故障产生类似示功图时，归为同一类故障现象）。文献[15]对液压减振器主要的故障模式及其示功图进行了总结归纳。

3.2 液压减振器故障参数集映射规则

从参数映射角度考虑，严格的故障现象与参数集的映射规则定义应该为：

（1）如果故障现象出现，则由于至少一个参数发生了改变；

（2）如果一个参数或参数集发生改变，则必然导致某种或某些现象的出现。

然而由于一些故障现象的边界难以严格定义，会出现重叠情况，且某些参数引起的现象可能会相互削弱，因此，根据故障参数映射的实际情况，我们对参数映射规则调整后，作如下表述：

①在故障现象集中，不存在没有故障现象与之对应的参数或参数集；在故障参数集中，也不存在没有故障与之对应的故障现象。

②若某个参数与某一故障现象存在一一对应关系，必须在历史数据和仿真结果中满足该参数改变不引起其他故障现象发生，且该故障现象发生一定因为该参数改变。

③对于不同参数集引起同一故障现象时，需对该参数集做合并处理。

④对于同一参数集引起不同故障时，需重新分析定义参数集或对其进行拆分。

3.3 基于映射规则的液压减振器参数集构建及优化

根据对减振器各零部件建模参数的分析和故障模式及影响的分析，如表1 所示。在参数映射规则下进行的参数映射，可得到故障现象与参数集的关联关系，如图5 所示。更为准确的参数集描述不仅应该包含参数影响关系，同时还应该包含参数的上限、下限阈值及发生概率[12]，这些数据可从历史运维数据中统计获得。对于联合仿真过程，故障参数集还应包含其拓扑结构和环境参数[13]。

图5 故障现象-参数集映射表达示意图Fig.5 Failure Phenomenon-Parameter Set Mapping Expression Diagram

根据功能关联关系进行参数集映射所得到的故障参数集是一个定性分析过程，构建的参数集中各参数对故障现象的影响程度不尽相同，根据其影响大小可选择出关键参数。再以对示功图影响最大为目标对所构建的参数集参数进行优化，筛选出最重要的故障参数。通过AMESim 导出一个关键参数集，利用Isight 集成平台，以仿真阻尼力曲线与目标阻尼力曲线差值平方的最小值为优化目标，以各参数的影响阈值为优化约束条件，对每个参数取三水平值进行正交实验，来对参数集进行优化。目标阻尼力曲线是对某成熟车型进行减振器实验，通过线性插值所得，由企业提供[14]。

4 故障参数集表达仿真实例

以液压减振器压缩内泄漏为例，可能导致其压缩内泄漏的物理参数，如表1 所示。然后，对AMESim 中与之对应的仿真参数进行设置。

表1 压缩行程内泄漏故障参数集及其仿真Tab.1 Leakage Failure Parameter Set and Simulation in the Compression Stroke

通过仿真实验结果发现，各个参数只有在某个区间内才对仿真结果有明显影响。在其影响区间内，通过对所得的压缩内泄漏故障参数集各参数进行4 水平划分，根据表2 中的实验因素和水平设置，进行参数组合集正交实验，可得各故障参数变化时对示功图的影响。以c1参数为例，其对示功图的影响，如图6所示。

表2 故障参数集因素水平方案Tab.2 Failure Parameter Set Factor and Horizontal Setting Scheme

图6 液压减振器压缩内泄漏影响参数c1Fig.6 Influence Parameters of Hydraulic Shock Absorber Internal Leakage

根据实验结果选取对仿真模型影响最大的关键参数，确定对该故障现象下影响最大参数组合。其多故障参数共同影响下的示功图，如图7 所示。

图7 压缩内泄漏参数集的示功图影响Fig.7 Influence of the Indicator Diagram of the Internal Leakage Parameter Set

图8 拉伸内泄漏参数集的示功图影响Fig.8 Influence of the Indicator Diagram of Tension Internal Leakage Parameter Set

图9 轻微外泄露参数集的示功图影响Fig.9 Influence of the Indicator Diagram of a Small External Leakage Parameter Set

图10 阻尼力过大参数集的示功图影响Fig.10 Influence of the Indicator Diagram of the Parameter Set of the Large Damping Force

同理，按照上述方法，可分别实现对液压减振器拉伸行程内泄漏、轻微外泄漏、阻尼力过大等故障现象的故障注入，如图8～图10 所示。从图7～图10 可以看出，通过故障参数集的调整可以对减振器仿真模型实现不同的故障注入。并且与总结归纳的故障模式示功图对比可以发现，基于故障参数集表达故障仿真模型的示功图与其吻合良好，从而验证了所建模型的准确性。