CN105298989B - 电液伺服系统故障模拟液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电液伺服系统故障模拟液压控制系统，该系统包括供油回路、故障模拟回路和负载模拟回路三部分；供油回路用于为系统提供动力源；故障模拟回路用于模拟系统多种常见故障；负载模拟回路用于为故障模拟回路提供力负载和弹性负载。本发明之电液伺服系统故障模拟液压控制系统，可通过液压控制系统不同元器件之间的配合，实现电液伺服系统核心元件液压泵、液压缸、液压马达、控制阀、管道及变转速工况条件等多种常见故障的模拟。本发明液压控制系统结构简单，工作可靠，且功能多样、操作方式灵活、通用性强。

Description

电液伺服系统故障模拟液压控制系统

技术领域

本发明涉及一种电液伺服系统，特别是其故障模拟液压控制系统。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，使得电液伺服系统在国际竞争中发挥着越来越重要的作用，已被广泛应用于武器装备、民用设备、航空航天等领域，逐渐成为工业自动化和武器自动化不可或缺的重要方面。因而，对电液伺服系统进行状态监测及故障诊断研究具有十分重要的现实意义和工程实际意义。但是，由于电液伺服系统故障比较复杂，状态监测与故障诊断技术由理论阶段转化到工程应用阶段需要进行可靠性验证，如果在工程实践中检验，则所需周期长、成本高。所以，在实际中往往采取在液压实验台上对故障进行模拟与加速的方法，以获取系统从正常到异常故障状态的全过程运行信息。

目前，虽然国内外本领域技术人员针对上述问题设计了多种液压控制系统，如专利CN201859588U、CN202883520U、CN203038523U、CN203784021U等公开了多种实验用液压系统，但只能满足部分液压元件的故障模拟和检测功能，存在功能单一、通用性不强的问题。2009年加拿大学者Mark Karpenko和Nariman Sepehri在论文“Hardware-in-the-loopsimulator for research on fault tolerant control ofelectrohydraulic actuatorsin a flight control application”中公开了一种液压故障模拟系统，可以模拟多种液压系统常见故障，但其没有考虑液压系统核心元件液压泵、液压马达、管道及变转速工况条件等故障模拟方法，所以仍具有一定的局限性。因此，有必要发明一种能够模拟电液伺服系统多种故障且功能更加齐全的液压控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟电液伺服系统常见故障且功能更加齐全的电液伺服系统故障模拟液压控制系统，以缩短检验周期、降低成本、加快理论转化为应用的速度。

为了解决上述存在的技术问题，本发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种电液伺服系统故障模拟液压控制系统，它包括供油回路、故障模拟回路和负载模拟回路三部分。

供油回路用于为系统提供动力源，其结构是：在供油回路中，油箱上安装有加热器、温度计、液位计和空气滤清器；位于油箱上的主供油路上安装有液压泵；液压泵通过联轴器A与扭矩转速仪A连接；扭矩转速仪A通过联轴器B与电动机连接；电动机通过电路与变频器连接；与液压泵出油口相连的主供油路上依次设有单向阀A和球阀A，其两者之间并联有蓄能器A、压力表A和压力传感器A。位于油箱上的主回油路上设有回油过滤器，其上面依次设有冷却器和球阀B。另在主供油路上的液压泵出油口和主回油路上球阀B出油口分别与电液比例溢流阀两端相连。

故障模拟回路用于模拟系统多种常见故障，其结构是：主供油路上球阀C进油口与球阀A出油口连接，出油口与溢流减压阀A进油口连接；溢流减压阀A的出油口与精过滤器A的进油口连接。主回油路上球阀B进油口与单向阀B出油口连接，该单向阀B进油口与油液污染度传感器的出油口连接；该油液污染度传感器的进油口与单向阀C出油口相连，该单向阀C又与流量计A、针型阀A、球阀D依次串联，球阀D的进油口与主供油路上精过滤器A的出油口连接。所述油液污染度传感器的进油口还与单向阀D的出油口相连，该单向阀D的进油口与溢流阀、针型阀B的并联出油口相连，溢流阀、针型阀B的并联进油口连接于伺服阀A的回油口，该主回油路上安装有压力表B；伺服阀A的进油口与精过滤器A的出油口连接，该主供油路上安装有蓄能器B和压力表C；伺服阀A的进油口、回油口和两个工作口上分别接有压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D和压力传感器E；伺服阀A的两个工作口分别与平衡阀组A的进油口和回油口连接；平衡阀组A的两个工作口分别与串联在一起的球阀E、流量计B、针型阀C的两端相连；该球阀E与平衡阀组A工作口相连的端口与球阀F进油口相连，该球阀F与针型阀D、流量计C、单向阀E依次串联，单向阀E的出油口接于单向阀C的出油口；球阀F的进油口还与球阀G的进油口相连，该球阀G和温度-压力补偿流量控制阀A串联，温度-压力补偿流量控制阀A的出油口接于针型阀D的出油口；球阀F的进油口还与球阀H相连，该球阀H和球阀I串联，串联后球阀I的另一端接于单向阀E的出油口；球阀H和球阀I之间安装有蓄能器C；所述针型阀C与平衡阀组A工作口相连的端口与球阀J进油口相连，该球阀J与针型阀E、流量计D、单向阀F依次串联，单向阀F的出油口接于单向阀D的出油口；球阀J的进油口还与球阀K的进油口相连，该球阀K和温度-压力补偿流量控制阀B依次串联，温度-压力补偿流量控制阀B的出油口接于针型阀E的出油口；球阀K的进油口还与球阀L相连，该球阀L和球阀M依次串联，串联后球阀M的另一端接于单向阀F的出油口；球阀L和球阀M之间安装有蓄能器D；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，设有依次串联的球阀N、对称液压缸A、球阀O，并且两端分别接有压力传感器F和压力传感器G；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，还设有依次串联的球阀P、非对称液压缸、球阀Q；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，还设有依次串联的球阀R、液压马达、球阀S；液压马达通过联轴器C与减速器连接；减速器通过联轴器D与扭矩转速仪B连接；扭矩转速仪B通过联轴器E与磁粉制动器连接。

负载模拟回路用于为故障模拟回路提供力负载和弹性负载，其结构是：

在负载模拟回路中，球阀T的进油口与主供油路上球阀A的出油口相连；球阀T的出油口与溢流减压阀B的进油口连接；溢流减压阀B的出油口与精过滤器B的进油口连接；精过滤器B出油口与伺服阀B的进油口连接；在上述精过滤器B和伺服阀B之间依次安装有蓄能器E、压力表D、压力传感器H；上述伺服阀B的回油口与单向阀G进油口相连，该单向阀G出油口与球阀B进油口连接；伺服阀B的两个工作口分别与平衡阀组B的进油口和回油口连接；平衡阀组B的两个工作口分别与对称液压缸B的两个工作口连接；对称液压缸B的两个工作口端分别安装有压力传感器I和压力传感器J；对称液压缸B工作侧活塞杆端安装有弹簧组件和力传感器，该力传感器可根据实际需要与故障模拟回路的对称液压缸A或非对称液压缸的活塞杆相连。

本发明与现有技术相比具有如下优点：设计合理，结构简单，工作可靠；且功能多样、操作方式灵活、通用性更强，具有一定的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的流程示意简图。

图中：1-油箱；2-加热器；3-温度计；4-液位计；5-空气滤清器；6-液压泵；7-联轴器；8-扭矩转速仪；9-电动机；10-变频器；11-电液比例溢流阀；12-单向阀；13-球阀；14-蓄能器；15-压力表；16-压力传感器；17-冷却器；18-回油过滤器；19-溢流减压阀；20-精过滤器；21-油液污染度传感器；22-流量计；23-针型阀；24-溢流阀；25-伺服阀；26-平衡阀组；27-温度-压力补偿流量控制阀；28-对称液压缸；29-非对称液压缸；30-液压马达；31-减速器；32-磁粉制动器；33-弹簧组件；34-力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。

在图1所示的电液伺服系统故障模拟液压控制系统的流程示意简图中，本发明包括供油回路、故障模拟回路和负载模拟回路三部分。

供油回路用于为系统提供动力源，其结构是：在供油回路中，油箱1上安装有加热器2、温度计3、液位计4和空气滤清器5；位于油箱上的主供油路上安装有液压泵6；液压泵6通过联轴器A-7.1与扭矩转速仪A-8.1连接；扭矩转速仪A-8.1通过联轴器B-7.2与电动机9连接；电动机9通过电路与变频器10连接；与液压泵6出油口相连的主供油路上依次设有单向阀A-12.1和球阀A-13.1，其两者之间并联有蓄能器A-14.1、压力表A-15.1和压力传感器A-16.1。位于油箱上的主回油路上设有回油过滤器18，其上面依次设有冷却器17和球阀B-13.2。另在主供油路上的液压泵6出油口和主回油路上球阀B-13.2出油口分别与电液比例溢流阀11两端相连。

故障模拟回路用于模拟系统多种常见故障，其结构是：主供油路上球阀C-13.3进油口与球阀A-13.1出油口连接，出油口与溢流减压阀A-19.1进油口连接；溢流减压阀A-19.1的出油口与精过滤器A-20.1的进油口连接。主回油路上球阀B-13.2进油口与单向阀B-12.2出油口连接，该单向阀B-12.2进油口与油液污染度传感器21的出油口连接；该油液污染度传感器21的进油口与单向阀C-12.3出油口相连，该单向阀C-12.3又与流量计A-22.1、针型阀A-23.1、球阀D-13.4依次串联，球阀D-13.4的进油口与主供油路上精过滤器A-20.1的出油口连接。所述油液污染度传感器21的进油口还与单向阀D-12.4的出油口相连，该单向阀D-12.4的进油口与溢流阀24、针型阀B-23.2的并联出油口相连，溢流阀24、针型阀B-23.2的并联进油口连接于伺服阀A-25.1的回油口，该主回油路上安装有压力表B-15.2；伺服阀A-25.1的进油口与精过滤器A-20.1的出油口连接，该主供油路上安装有蓄能器B-14.2和压力表C-15.3；伺服阀A-25.1的进油口、回油口和两个工作口上分别接有压力传感器B-16.2、压力传感器C-16.3、压力传感器D-16.4和压力传感器E-16.5；伺服阀A-25.1的两个工作口分别与平衡阀组A-26.1的进油口和回油口连接；平衡阀组A-26.1的两个工作口分别与串联在一起的球阀E-13.5、流量计B-22.2、针型阀C-23.3的两端相连；该球阀E-13.5与平衡阀组A-26.1工作口相连的端口与球阀F-13.6进油口相连，该球阀F-13.6与针型阀D-23.4、流量计C-22.3、单向阀E-12.5依次串联，单向阀E-12.5的出油口接于单向阀C-12.3的出油口；球阀F-13.6的进油口还与球阀G-13.7的进油口相连，该球阀G-13.7和温度-压力补偿流量控制阀A-27.1串联，温度-压力补偿流量控制阀A-27.1的出油口接于针型阀D-23.4的出油口；球阀F-13.6的进油口还与球阀H-13.8相连，该球阀H-13.8和球阀I-13.9串联，串联后球阀I-13.9的另一端接于单向阀E-12.5的出油口；球阀H-13.8和球阀I-13.9之间安装有蓄能器C-14.3；所述针型阀C-23.3与平衡阀组A-26.1工作口相连的端口与球阀J-13.10进油口相连，该球阀J-13.10与针型阀E-23.5、流量计D-22.4、单向阀F-12.6依次串联，单向阀F-12.6的出油口接于单向阀D-12.4的出油口；球阀J-13.10的进油口还与球阀K-13.11的进油口相连，该球阀K-13.11和温度-压力补偿流量控制阀B-27.2依次串联，温度-压力补偿流量控制阀B-27.2的出油口接于针型阀E-23.5的出油口；球阀K-13.11的进油口还与球阀L-13.12相连，该球阀L-13.12和球阀M-13.13依次串联，串联后球阀M-13.13的另一端接于单向阀F-12.6的出油口；球阀L-13.12和球阀M-13.13之间安装有蓄能器D-14.4；所述球阀F-13.6进油口和球阀J-13.10进油口之间，设有依次串联的球阀N-13.14、对称液压缸A-28.1、球阀O-13.15，并且两端分别接有压力传感器F-16.6和压力传感器G-16.7；所述球阀F-13.6进油口和球阀J-13.10进油口之间，还设有依次串联的球阀P-13.16、非对称液压缸29、球阀Q-13.17；所述球阀F-13.6进油口和球阀J-13.10进油口之间，还设有依次串联的球阀R-13.18、液压马达30、球阀S-13.19；液压马达30通过联轴器C-7.3与减速器31连接；减速器31通过联轴器D-7.4与扭矩转速仪B-8.2连接；扭矩转速仪B-8.2通过联轴器E-7.5与磁粉制动器32连接。

负载模拟回路用于为故障模拟回路提供力负载和弹性负载，其结构是：

在负载模拟回路中，球阀T-13.20的进油口与主供油路上球阀A-13.1的出油口相连；球阀T-13.20的出油口与溢流减压阀B-19.2的进油口连接；溢流减压阀B-19.2的出油口与精过滤器B-20.2的进油口连接；精过滤器B-20.2出油口与伺服阀B-25.2的进油口连接；在上述精过滤器B-20.2和伺服阀B-25.2之间依次安装有蓄能器E-14.5、压力表D－15.4、压力传感器H-16.8；上述伺服阀B-25.2的回油口与单向阀G-12.7进油口相连，该单向阀G-12.7出油口与球阀B-13.2进油口连接；伺服阀B-25.2的两个工作口分别与平衡阀组B-26.2的进油口和回油口连接；平衡阀组B-26.2的两个工作口分别与对称液压缸B-28.2的两个工作口连接；对称液压缸B-28.2的两个工作口端分别安装有压力传感器I-16.9和压力传感器J-16.10；对称液压缸B-28.2工作侧活塞杆端安装有弹簧组件33和力传感器34，该力传感器34可根据实际需要与故障模拟回路的对称液压缸A-28.1或非对称液压缸29的活塞杆相连。

参照图1，本发明之电液伺服系统故障模拟方法如下：

1、液压泵故障模拟

液压泵6是整个液压系统的核心，是系统的动力源，液压泵最常见的失效形式是磨损，本实验台主要用于研究工业装备和武器装备中最常用的柱塞泵的故障模拟方法。

(1)柱塞泵的故障模拟

柱塞泵的磨损主要发生在配流盘、滑靴与斜盘3个元件上，柱塞泵的故障模拟采用人工打磨配流盘、滑靴、斜盘、中心弹簧的方法，模拟配流盘磨损、滑靴磨损、松靴、脱靴、中心弹簧失效等故障。

(2)泵的内泄漏故障模拟

由单向阀C-12.3、流量计A-22.1、针型阀A-23.1和球阀D-13.4组成的支路可实现泵的内泄漏故障模拟。通过调节针型阀A-23.1开口度的大小模拟液压泵6的内泄漏大小。当针型阀A-23.1和球阀D-13.4处于关闭状态时，液压泵内泄漏模拟支路不工作。

(3)泵变转速工况模拟

通过变频器10调节电动机9的转速，进而可使液压泵6在预设变转速工况下运行，以模拟液压泵变转速工作条件。

2、液压缸故障模拟

(1)内泄漏

由针型阀C-23.3、流量计B-22.2和球阀E-13.5组成的支路可实现液压缸内泄漏故障模拟。通过调节针型阀C-23.3开口度的大小模拟液压缸的内泄漏大小。当针型阀C-23.3和球阀E-13.5处于关闭状态时，液压缸内泄漏模拟支路不工作。

(2)外泄漏

由球阀F-13.6、针型阀D-23.4、流量计C-22.3、单向阀E-12.5组成的支路以及球阀J-13.10、针型阀E-23.5、流量计D-22.4、单向阀F-12.6组成的另一支路可实现液压缸两工作腔外泄漏故障模拟。通过调节针型阀D-23.4、E-23.5开口度大小可分别模拟液压缸两工作腔外泄漏的大小，当针型阀D-23.4、E-23.5和球阀F-13.6、J-13.10处于关闭状态时，液压缸外泄漏模拟支路不工作。

(3)爬行

溢流阀24用来调节液压缸工作时的背压，可模拟液压缸不同的工作负载，以掌握不同负载下液压缸的动态特性。

通过调节溢流阀24增加液压缸的负载，并调节泄漏量来模拟液压缸的爬行故障。

3、管道故障模拟

(1)管道泄漏

由球阀G-13.7、温度-压力补偿流量控制阀A-27.1、流量计C-22.3、单向阀E-12.5组成的支路以及球阀K-13.11、温度-压力补偿流量控制阀B-27.2、流量计D-22.4、单向阀F-12.6组成的另一支路可实现管道泄漏故障模拟。通过调节温度-压力补偿流量控制阀A-27.1、B-27.2开口度大小分别模拟伺服阀A-25.1和液压缸之间进、回油管道泄漏的大小，当温度-压力补偿流量控制阀A-27.1、B-27.2和球阀G-13.7、K-13.11处于关闭状态时，管道泄漏模拟支路不工作。

(2)管道效应

液压泵6和伺服阀A-25.1之间，以及伺服阀A-25.1和液压缸之间进、回油管道可替换为硬管、软管、直管、弯管等形式，以模拟不同类型管道的管道效应。

4、供油压力故障模拟

通过调节溢流减压阀A-19.1开口度的大小可实现故障模拟回路的供油压力不足故障模拟。通过调节溢流减压阀B-19.2开口度的大小可实现负载模拟回路的供油压力不足故障模拟。

5、回油滤油器堵塞故障模拟

针型阀B-23.2和溢流阀24配合使用可实现回油滤油器堵塞故障模拟。通过调节针型阀B-23.2开口度大小可模拟回油滤油器不同堵塞程度，此时溢流阀24主要起到过载保护作用。

6、蓄能器安装位置对系统性能影响的模拟

蓄能器B-14.2、E-14.5安装于伺服阀前，起到阀前油压脉动调节作用。

当球阀H-13.8和L-13.12开启、球阀I-13.9和M-13.13关闭时，蓄能器C-14.3、D-14.4安装于控制阀后，起到阀后油压脉动调节作用。

当球阀H-13.8和L-13.12关闭、球阀I-13.9和M-13.13开启时，蓄能器C-14.3、D-14.4安装于回油路上，起到回油路油压脉动调节作用。

7、负载模拟

负载模拟回路可为故障模拟回路提供力负载和弹性负载。

力负载的大小和变化规律可通过溢流减压阀B-19.2和伺服阀B-25.2配合进行调节。

弹性负载的大小可通过更换不同刚度的弹簧组件33进行调节。

负载模拟回路执行元件对称液压缸B-28.2安装在可移动导轨上，可根据试验需要调整位置，以对故障模拟回路中的对称液压缸A-28.1或非对称液压缸29进行加载。

8、控制阀更换

伺服阀A-25.1、B-25.2安装在转接阀块上，转接阀块可根据需要进行特殊设计，以安装比例阀、普通阀等不同类型的控制阀。

9、执行元件更换

通过控制球阀N-13.14、O-13.15、P-13.16、Q-13.17、R-13.18、S-13.19的开闭，可将故障模拟回路中的执行元件更换为对称液压缸A-28.1、非对称液压缸29、液压马达30等不同类型的元件。

10、污染故障模拟与故障加速

液压油污染一方面由嵌入在实验台中的污染度传感器21检测，另一方面定期抽取液压油油样，由润滑油液检测实验室进行油液理化性能、光谱、铁谱等分析，监测设备的磨损状态。

在液压油中加入少量水、酸、固体颗粒物人工模拟液压油污染，可以加速系统磨损，实现故障加速，缩短监测时间。

Claims (2)

1.一种电液伺服系统故障模拟液压控制系统，它包括供油回路、故障模拟回路和负载模拟回路三部分；在供油回路中，油箱上安装有加热器、温度计、液位计和空气滤清器；位于油箱上的主供油路上安装有液压泵；液压泵通过联轴器A与扭矩转速仪A连接；扭矩转速仪A通过联轴器B与电动机连接；电动机通过电路与变频器连接；与液压泵出油口相连的主供油路上依次设有单向阀A和球阀A，其两者之间并联有蓄能器A、压力表A和压力传感器A，位于油箱上的主回油路上设有回油过滤器，其上面依次设有冷却器和球阀B，另在主供油路上的液压泵出油口和主回油路上球阀B出油口分别与电液比例溢流阀两端相连；

其特征在于：在故障模拟回路中，主供油路上球阀C进油口与球阀A出油口连接，球阀C出油口与溢流减压阀A进油口连接；溢流减压阀A的出油口与精过滤器A的进油口连接，主回油路上球阀B进油口与单向阀B出油口连接，该单向阀B进油口与油液污染度传感器的出油口连接；该油液污染度传感器的进油口与单向阀C出油口相连，该单向阀C又与流量计A、针型阀A、球阀D依次串联，球阀D的进油口与主供油路上精过滤器A的出油口连接，所述油液污染度传感器的进油口还与单向阀D的出油口相连，该单向阀D的进油口与溢流阀、针型阀B的并联出油口相连，溢流阀、针型阀B的并联进油口连接于伺服阀A的回油口，该主回油路上安装有压力表B；伺服阀A的进油口与精过滤器A的出油口连接，该主供油路上安装有蓄能器B和压力表C；伺服阀A的进油口、回油口和两个工作口上分别接有压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D和压力传感器E；伺服阀A的两个工作口分别与平衡阀组A的进油口和回油口连接；平衡阀组A的两个工作口分别与串联在一起的球阀E、流量计B、针型阀C的两端相连；该球阀E与平衡阀组A工作口相连的端口与球阀F进油口相连，该球阀F与针型阀D、流量计C、单向阀E依次串联，单向阀E的出油口接于单向阀C的出油口；球阀F的进油口还与球阀G的进油口相连，该球阀G和温度-压力补偿流量控制阀A串联，温度-压力补偿流量控制阀A的出油口接于针型阀D的出油口；球阀F的进油口还与球阀H相连，该球阀H和球阀I串联，串联后球阀I的另一端接于单向阀E的出油口；球阀H和球阀I之间安装有蓄能器C；所述针型阀C与平衡阀组A工作口相连的端口与球阀J进油口相连，该球阀J与针型阀E、流量计D、单向阀F依次串联，单向阀F的出油口接于单向阀D的出油口；球阀J的进油口还与球阀K的进油口相连，该球阀K和温度-压力补偿流量控制阀B依次串联，温度-压力补偿流量控制阀B的出油口接于针型阀E的出油口；球阀K的进油口还与球阀L相连，该球阀L和球阀M依次串联，串联后球阀M的另一端接于单向阀F的出油口；球阀L和球阀M之间安装有蓄能器D；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，设有依次串联的球阀N、对称液压缸A、球阀O，并且两端分别接有压力传感器F和压力传感器G；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，还设有依次串联的球阀P、非对称液压缸、球阀Q；所述球阀F进油口和球阀J进油口之间，还设有依次串联的球阀R、液压马达、球阀S；液压马达通过联轴器C与减速器连接；减速器通过联轴器D与扭矩转速仪B连接；扭矩转速仪B通过联轴器E与磁粉制动器连接。

2.根据权利要求1所述的一种电液伺服系统故障模拟液压控制系统，其特征在于，在负载模拟回路中，球阀T的进油口与主供油路上球阀A的出油口相连；球阀T的出油口与溢流减压阀B的进油口连接；溢流减压阀B的出油口与精过滤器B的进油口连接；精过滤器B出油口与伺服阀B的进油口连接；在上述精过滤器B和伺服阀B之间依次安装有蓄能器E、压力表D、压力传感器H；上述伺服阀B的回油口与单向阀G进油口相连，该单向阀G出油口与球阀B进油口连接；伺服阀B的两个工作口分别与平衡阀组B的进油口和回油口连接；平衡阀组B的两个工作口分别与对称液压缸B的两个工作口连接；对称液压缸B的两个工作口端分别安装有压力传感器I和压力传感器J；对称液压缸B工作侧活塞杆端安装有弹簧组件和力传感器，该力传感器可根据实际需要与故障模拟回路的对称液压缸A或非对称液压缸的活塞杆相连。