一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法

摘要

一种基于故障机理的液压伺服机构多学科长周期可靠性建模方法，按五个阶段进行：一、系统建模，有动力学机构建模、动力学模型参数化和液压系统建模；二、联合仿真，有设置联合仿真环境、搭建联合仿真平台，选择联合仿真方式，设置转换函数，运行联合仿真；三、单学科故障机理、模式注入，有动力学机构的故障机理注入及液压系统故障模式的注入；四、多学科故障机理、模式的注入，实现同时在液压系统与动力学机构中注入故障机理、模式；五、仿真分析，单点故障影响分析，找出系统的薄弱环节以及关键参数，刻画关键参数的退化轨迹及性能退化轨迹，得到可靠性相关数据。该方法首次实现多学科故障机理、模式的注入，完善了长周期可靠性建模方法。

主权项

一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，其特征在于：该方法依次按照下述五个阶段进行；第一阶段系统建模：在AMESim中建立液压系统模型，在ADAMS中建立动力学模型；第二阶段联合仿真：配置联合仿真环境，建立液压系统与动力学机构联合仿真模型，完成液压私服机构模型构建；第三阶段单学科故障机理、模式注入：在液压系统中注入液压缸内漏以及液压泵功率下降等故障模式，在动力学机构中注入粘着磨损等故障机理；第四阶段多学科故障机理、模式注入：因多学科退化相互影响，必须在联合仿真的情况下，同时完成液压系统与动力学机构的故障机理、模式的注入；第五阶段仿真分析：分析单个退化因素及单点故障对性能指标的影响，找出薄弱环节中的关键参数，绘制关键参数的退化曲线并分析关键参数退化对性能指标的影响，绘制性能退化曲线；其详细步骤如下：第一阶段：系统建模系统建模分为以下三个步骤：步骤⑴动力学机构建模：将标称状态的结构尺寸参数作为初始值，利用ADAMS首先建立机构的三维实体模型；之后，在三维模型上添加运动副约束，即固定约束、转动副约束、平面约束以及接触约束；添加驱动力，力的大小由液压系统传过来，在下一阶段进行设置；步骤⑵将动力学机构模型参数化：动力学机构参数化建模，是以上一步建立的机构三维实体模型为基础，将部件的几何参数坐标化，并将坐标位置与轴直径等关键参数定义为参数化变量，通过修改这些参数化变量的数值，就能改变模型中的关键参数，进行新的运动学/动力学分析，从而免去了重新进行几何建模的繁琐过程；对于基于故障机理的多学科建模仿真来说，ADAMS参数化建模使得主控程序能够自主修改模型的关键参数数值，为后续的设计优化打下基础；步骤⑶液压系统建模本发明所采用的液压系统是由控制信号、动力装置、控制机构以及执行元件四部分组成的带有反馈控制的液压伺服系统，在AMESim中完成相应部分的建模；第二阶段：联合仿真联合仿真分为以下两个步骤：步骤⑷设置联合仿真环境，搭建联合仿真平台：本发明所采用的多学科建模及仿真方式为ADAMS与AMESim联合仿真的方式，完成联合仿真平台的搭建，两个软件能实时的进行数据的传输；ADAMS中动力学机构的动力由AMESim中液压部分产生并通过外部求解器传递过去，其运动所产生的速度和位移作为AMESim中控制信号的反馈；步骤⑸联合仿真的注意事项：在ADAMS主控AMESim的情况下，接口类型如选择ADAMS选项，则联合仿真采用的为AMESim模型完全导入方式，若选择的为AdamsCosim选项，则联合仿真采用共仿真方式，应选择AdamsCosim共仿真方式，单击OK按钮完成接口设置；因为只有在该仿真方式下才能进行离散的计算，在每个仿真步长运算一次，最终在ADAMS求解器中完成相应的计算；若接口类型选择ADAMS选项，在该接口方式下只能进行连续的运算，然而由于运动副之间的接触力变化极其不规律，斜率较大，会导致计算结果不收敛，ADAMS求解器会报错，无法进行求解；在选择完接口之后，还需设置一个transfer function即转换函数，在转换函数中将各组力作为ADAMS弹射机构的输入，将弹射机构的displacement即位移和vel即速度作为输出各组传递给AMESim中的液压系统；步骤⑹运行联合仿真：在一个液压伺服机构的联合仿真模型建立完成之后，能运行以检查模型的正确性；由于ADAMS/Solver集成了外部动态链接库，只能选择脚本仿真方式；仿真类型选择Transient‑Dynamic即动态仿真，并设置仿真时间和步长，单击OK；仿真开始之后，能在ADAMS图形窗口中观察机构运动情况，AMESim链接库同时将计算结果写入一个文件，AMESim以后台运行的方式进行计算；第三阶段：单学科故障机理、模式注入单学科故障机理、模式注入分为以下两个步骤：步骤⑺动力学机构故障机理的注入：本发明中，动力学机构的基本性能仿真模型通过ADAMS中建立，退化机理模型在Matlab中建立，Matlab通过批处理的形式多次调用ADAMS与AMESim联合仿真模型即ADAMS主控，每次调用都读取一次转动副及移动副之间的接触力的值以及相应的角位移及线位移，利用故障机理模型计算出连杆机构每次运动的磨损量，如Archard粘着磨损模型；之后在ADAMS中更新转动副轴的直径以及滑动副滑块的高度，注入退化量，建立长周期可靠性仿真模型；因此，本发明实现参数实时更改，建立多元退化的长周期性能可靠性仿真模型，直到退化量达到失效阈值时仿真结束，记录仿真次数及时间，作为动力学机构的一个可靠性评价指标；步骤⑻液压系统故障模式的注入：液压系统故障模式的注入是在ADAMS与AMESim联合仿真的基础上并且AMESim作为主控软件的情况下实现的，本发明考虑液压系统的液压缸的内漏、管路的泄露以及液压泵的效率降低三种故障模式；液压缸的内漏通过在液压缸的两端并连一条串有流量计和节流阀的油路，通过控制节流阀的流量来控制液压缸内漏的大小；管路的泄露通常采用乘以泄露系数μ的方式来注入其泄露故障模式；液压泵的效率降低故障模式也是通过乘以一个效率系数η，随着时间的变化，η的取值能从99％取到90％；第四阶段：多学科故障注入在液压伺服机构中，液压系统与执行机构的性能退化是同时发生的，而且还是相互影响的，因此提出了一种多学科故障注入的长周期可靠性建模方法；多学科注入故障即机、电、液系统中同时注入相应的故障模式、机理；对于本发明的液压伺服机构则需要在液压部分与动力学机构部分同时注入故障机理，但是由于ADAMS与AMESim软件自身的限制，ADAMS是调用AMESim生成的外部求解器进行运算，因此，MATLAB无法在ADAMS与AMESim两个软件中同时进行故障注入；想实现液压伺服机构液压部分与动力学机构部分同时注入故障，只能寻找一种近似替代的方法，本发明采用下述步骤⑼方式进行多学科故障注入：步骤⑼在联合仿真情况下即AMESim主控ADAMS，注入液压元件故障机理与故障模式，如液压缸效率降低、液压缸的内漏，得到其关于推力退化曲线，得到液压系统在不同时间、不同退化状态下所提供的推力与0时刻标称状态下能提供推力的比值k；之后在ADAMS主控AMESim时，利用MATLAB批处理的方式在动力学机构中注入故障机理，并且在将液压部分提供的推力乘以一个液压部分在该时间段的退化系数k，得到液压系统与动力学机构同时退化的仿真过程，这样就得到了液压伺服机构基于故障机理的多学科长周期可靠性仿真模型；第五阶段：仿真分析仿真分析分为以下两个步骤：步骤⑽单点故障影响分析：单点故障分析即通过分析每个零部件发生故障如四连杆机构的转动副及移动副发生磨损之后，对整个四连杆机构性能即阻力与运动位置精度的影响，以便找出弹射机构的薄弱环节与关键参数，为以后的可靠性分析与设计优化提供必要支持；步骤⑾关键参数退化对性能指标的影响：通过步骤⑽确定了影响系统性能的关键参数，在这一步骤中需要刻画关键参数的退化曲线，分析关键参数退化对系统整体性能的影响，绘制系统性能退化曲线，记录达到失效阈值时的仿真时间及仿真次数，作为系统的一个可靠性指标即无维修工作期MFOP。