Amesim仿真分析方法在燃油調節器排故中的應用

為了快速準確地進行產品故障定位，應用 AMESim 仿真分析方法進行燃油調節器排故。通過 AMESim 對燃油調節器進行液壓系統建模仿真，根據產品及零組件的生產、裝配、調整中的實測參數對模型進行優化和調試，使之具備真實反映產品工作狀態的能力。

下面以發動機燃油控制系統的液壓執行機構（燃油調節器）的排故工作為例，介紹AMESim 液壓系統仿真分析方法在故障定位中的應用。從功能組成角度建立各獨立單元仿真模型，基于 AMESim 的仿真分析結果，對故障樹中大部分的疑似故障原因進行分析排除，為后續的試驗驗證指明方向。

模型建立

根據燃油調節器原理，在 AMESim 仿真軟件中搭建燃油調節器液壓系統仿真模型

該模型中包含燃油調節器的所有功能模塊：低壓腔、齒輪泵、安全活門、定壓活門、計量活門、壓差活門、增壓活門、閉鎖活門、出口等值噴嘴、燃油電液伺服閥、停車電磁閥、油針位移傳感器、閉環控制器、連接油路。模型中有 3 個輸入信號：齒輪泵轉速、停車信號、油針位置給定信號，通過控制輸入信號使模型模擬燃油調節器的各種工作狀態。

設定參數

模型中設定燃油、各活門液壓元件的參數時，嚴格按照產品及零組件在加工、裝配、調整時的實際值輸入。此外，仿真分析中用到的各種參數的取值要確保與產品工程設計中的取值一致，例如本文中模型的油液密度為 0.78 kg/L，計量窗口的流量系數 u 取0.72。

模型驗證

1、輸入信號描述

為檢驗模型能否準確模擬產品的工作狀態，通過給定輸入信號對比輸出值來驗證，輸入信號為：

（1）齒輪泵轉速：6460 r/min；

（2）油針位置給定信號：第 1 階段打開 2.6 mm 持續 3 s，第 2 階段打開 8.65 mm 持續 3 s，第 3 階段最大流量位置持續 4 s；

（3）停車信號：第 9 s 時發出停車信號。

2、計量活門閥芯位移

燃油調節器油針位置反饋信號符合輸入的給定值，如圖 2 所示。模型的油針位置閉環控制功能有效，如下圖，控制精度符合要求，證明閉環控制器、計量活門、伺服閥的模型合格。

3、燃油調節器計量前后壓差

燃油調節器壓差活門的作用是保證計量窗口前后的燃油壓力差值為 0.3 MPa 左右，而模型中差值為（0.3±0.02）MPa（如下圖），證明壓差活門模型合格。

按照上述方法依次驗證了模型的增壓活門性能、定壓活門性能、流量特性、停車功能等產品驗收要求的性能指標，仿真結果與試驗數據一致。認為該模型可以準確模擬燃油調節器的各工作狀態，從而可以在排故工作中通過仿真分析的方法判斷某個底層故障模式是否是故障原因。

故障描述

在產品的質量一致性試驗中，出現了燃油調節器最大流量異常問題，故障現象為實測最大流量為457 L/h，小于（480±5）L/h 的要求值，實測壓差性能標定點差值為 341 L/h，小于（365±5）L/h 的要求值，其他性能均符合要求。

驗收方法

調整轉速 n=（6460±10）r/min，控制油針開度為A 時，記錄流量 Q1；控制油針開度為 B 時，記錄流量Q2，則 Q2- Q1=（365±5）L/h。調整轉速 n=（6460±10）r/min，控制油針至最大開度，最大流量 Qmax=（480±5）L/h。

仿真分析

對“最大流量異常問題”進行故障樹分析，得到造成該故障現象的底層故障模式：

（1） X1：油針位移傳感器反饋信號偏大，導致計量窗口的實際開度比控制目標值小；（2） X2：燃油計量窗口到出口等值噴嘴之間的燃油管路中出現密封結構失效，導致精確計量的計后燃油向低壓腔泄漏；

（3）X3：壓差活門彈簧異常衰減，導致計量窗口前后的燃油壓力差減小。

針對故障模式 X1，對油針位移傳感器進行電氣性能檢測，檢測結果完全符合其性能指標要求，排除了故障模式 X1 導致“最大流量異常問題”的可能性。針對故障模式 X2、X3，在不對產品進行分解檢查的前提下，僅通過故障現象和性能測試數據，無法完成故障定位，需要采用液壓系統仿真分析的方法進行故障模擬，從而為后續的排故工作明確方向。

故障定位思路

通過改變模型參數來模擬故障模式，然后將“故障模型”的輸出結果與產品的故障現象進行比較，從而確定該故障模式是否是故障原因。X2、X3 的仿真分析過程如下。

 1、X2 仿真分析

燃油管路密封結構失效，導致計后燃油向低壓腔泄漏的故障模式，可以通過給模型設置“間隙”的方法進行模擬，運用 AMESim 批處理數據的能力，將“閥門間隙”由 0 mm 開始逐漸增大，始終無法找到 1 個特定的“閥門間隙”值能夠使模型的輸出值接近故障現象。

2、X3 仿真分析

壓差活門彈簧異常衰減的故障模式，可以通過設定彈簧彈性系數和安裝預壓力的方法進行模擬，彈簧衰減前后模型參數對比如圖 4 所示。利用 AMESim 批處理數據的功能，將彈簧彈性系數由 9.58 N/mm 開始，每降低 0.01 N/mm 進行 1 次計算，直至仿真結果接近故障現象時，彈簧彈性系數已降至 8.94 N/mm，對應的安裝預壓力也由 81.5 N 降至 70.5 N。

將 k=8.94 N/mm、F=70.5 N 代入模型中進行分析計算，并與初始狀態的模型 k=9.58 N/mm、F=81.5 N的計算結果進行對比，2 個模型在相同的輸入條件下得到的 Q1、Q2、Qmax

改變彈簧參數后，燃油調節器壓差性能標定點差值減小到 342.8 L/h，最大流量衰減到 450.5 L/h，與故障現象“實測壓差性能標定點差值341 L/h，最大流量 457 L/h”基本相符，可以判斷該故障現象較大概率是由壓差活門彈簧異常衰減導致的。

仿真結果驗證

以仿真分析的結論為依據，有針對性地進行排故，分解檢查壓差活門，對壓差活門彈簧進行復測，彈簧自由長度為 25.89 mm，略小于圖紙規定的（26.5±0.5）mm，高度 18 mm 下復測彈力為 70.5 N，遠小于圖紙要求的（81.4±4）N，與仿真分析判斷的故障模式一致。為確保故障定位的準確性，用壓差活門彈簧合格件替換彈力衰減件進行串裝試驗驗證，試驗結果為Q2- Q1=365 L/h，最大流量 Qmax=479 L/h，符合產品性能驗收要求，故障現象消除，可以證明最大流量異常問題的原因是壓差活門彈簧異常衰減，與仿真分析的結論一致。

結果表明：在對產品排故時，通過更改模型參數、模擬故障模式、對比故障現象來進行故障定位，可排除大部分疑似的故障原因，大幅度減少試驗串裝驗證的工作量，節省大量人力物力，縮短排故時間。

參考文獻：陳新中，夏宗記，王玲君  AMESim 仿真分析方法在燃油調節器排故中的應用

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文章來源：amesim學習與應用