《基于AMESim的飞机试验液压作动筒的故障特性仿真》
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摘 要：AMESim是一种工程系统高级建模和仿真平台软件，飞机试验液压作动筒的主要作用是在静力或疲劳试验过程中实现对飞机结构的加载或自由度约束等。以试验所用的30吨行程1米的作动筒为例，介绍该作动筒的结构与工作原理，利用AMESim对该作动筒的液压系统建立模型并进行仿真，提取该作动筒不同故障的压力流量特征。通过分析仿真结果可进一步了解作动筒的故障特性，对作动筒故障的预防和排除有较为积极的作用。
关键词：AMESim软件、飞机试验作动筒、液压系统、仿真、故障特征
1.前言
在飞机结构试验中液压作动筒作为主要的加载工具要求具有加载精度高，反应迅速等特点。它的加载精度，可靠性对试验安全、质量等有着直接的影响。在实际工作当中，为了在试验过程中安装方便等，作动筒使用了集成阀块，这就使得油路系统趋于集中复杂，故障发生的可能性增大，在故障初期不易发现，同时故障出现后又诊断困难。因此，研究飞机试验液压作动筒故障机理对液压作动筒的安全、稳定和高效运行及试验安全等具有重要意义。以我所使用的设计载荷为30t、行程1m的作动筒为例（如图1所示）。
该作动筒由缸体，阀块和传感器组成，液压阀有伺服阀、电磁换向阀、液控单向阀和节流阀等。在使用过程中的主要故障有缸体内泄露，外泄露；由于油液污染造成的伺服阀灵敏度、分辨率降低；还有其他一些电气故障等。由伯努利方程可知，当液压系统的发生故障时，最直接的表现就是系统压力和流量的变化。所以本次仿真主要在进油口，回油口加上监测点，找出该点的油压、流量与相关故障的对应关系从而在以后的使用过程中通过压力流量的变化来判断故障的类型。
AMESim表示工程系统仿真高级建模环
境（Advanced Modeling Environment forperforming Simulation of engineering sysstems），基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统可以显示在环境中。AMESim使用图标符号代表各种系统的标准符号，为流体动力、机械、控制系统提供了一个完善的
仿真环境[1][2]。根据飞机试验作动筒液压系统元件组成及工作特点建立AMESim仿真模型如图。
2.1.进入AMESim软件环境，在草图模式下，根据液压怍动筒的工作原理从机械、控制、液压应用库[3]中选取相应的元件构建系统原理图。（ 如图3 所示） ；
2.2.在子模型中为所建模型中的相关元件选择适当的子模型，
2.3.进入参数模式，这是仿真中最为关键的一步，参数设置的正确与否直接关系到仿真结果的好坏，相关参数设置如下；
液压油：根据实际情况，设置为46号
抗磨液压油的属性；
系统压力及流量：由一台液压泵提供，
柱塞泵转速1500 r /min，排量30mL /min，公称压力21MPa；
伺服阀：最大流量为63L/min，频率80Hz，电流为40mA；
作动器缸体：活塞尺寸190mm，活塞杆尺寸125mm，行程1m；
系统负载：选择质量块和弹簧组成；
仿真时间针对不同故障分别为2s和10s。
2.4.限于篇幅，在仿真模式中，只对作动筒的2种最常见且不易发现的典型故障（缸体的内泄漏，伺服阀被污染）进行仿真。
3.仿真结果及故障分析
液压作动筒的两种常见典型故障为：（1）由于长时间使用，造成密封件的磨损而导致泄漏，对于外泄漏，一般肉眼即可看见，故不在仿真范围内；（2）由于油液的污染造成伺服阀的分辨率下降和产生零偏，使得在试验过程中加载跟随性变低。
在AMESim仿真环境下，对于第一种故障的仿真是通过在液压缸的进油口和出油口并联一个阻尼孔来实现的，调节阻尼孔的大小即可模拟泄漏量的大小，图5为在不同的泄漏当量时作动筒在执行指令时的进口流量曲线。
由图可知，在无泄漏的情况下，反馈很快可以到达指令位置，进油口的流量几乎为0，；在泄漏当量为0.5mm时，伺服阀的进油口会在大约零点几秒的震荡后稳定下来，但是会有一个持续的约为1L/min的流量存在；在泄漏当量为0.7mm时，传感器反馈稳定后，伺服阀的进油口有一个2L/min的流量。由此可知缸体内泄漏当量与流量的关系。
对于伺服阀被污染的仿真，主要是通过给一个斜坡信号，降低伺服阀的分辨率来实现
图6为图4的局部放大图，可以更清晰的看到在伺服阀被污染后，输出力曲线变成一个类波浪的曲线，这就是当伺服阀被污染后，作动筒在给定较指令变化较小时会出现爬行的重要原因。
4.结论
对飞机试验作动筒建立了基于AMESim
的液压油路模型，对典型故障进行了流量特性分析，仿真结果较为符合实际情况，验证了所建模型的有效性。后续还可围绕该模型进行其他类型的故障仿真，提取作动筒故障特征，用于作动筒的故障诊断及预测。
参考文献：
[1]付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真-从入门到精通. [M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2006.
[2]付永领，祁晓野.LMS Imagine.LabAMESim系统建模和仿真. [M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2006.
[3]余佑官，龚国芳，胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封， 2005，