Αναγνώριση βλαβών λειτουργίας υδραυλικών συστημάτων υψηλών πιέσεων

Abstract

The doctoral dissertation deals with the fault identification process in high pressure hydraulic systems using computer based modeling techniques. In this scope, the Bond Graph modeling method was used in order to study how the operation of a high pressure hydraulic system under various loads is affected by the internal leakage in the hydraulic cylinder and the 4/2 way direction control valve. For this purpose, a hydraulic test rig which allowed the simulation of various loads and various degrees of internal leakage in the cylinder and the 4/2 way valve was implemented, complete with an integrated measurement and data acquisition system. The next step was the modeling of the hydraulic system using the Bond Graph Method. Α detailed model of the system was created, with phenomena such as the pressure drop due to flow resistance, the pump’s internal leakage, the friction and inertia of the cylinder’s moving parts as well as the fluid compressibility being included in the model of the system. After the modeling was completed, various tests were performed in the hydraulic test rig, followed by their equivalent simulation runs in the model for various loads and various degrees if internal leakage in the hydraulic cylinder and the 4/2 way valve, as expressed by the equivalent internal clearance for each component. For all the tests, the results from the modeling simulations were compared to their corresponding experimental test run and the correlation coefficients of the data sets were calculated. Additionally, third degree polynomial regression curves were formulated for each data set and the corresponding coefficient of determination was calculated for each data set. In all the tests and with every load and internal leakage combination the correlation coefficients between the simulation and the experimental data were very high, and, additionally, the coefficient of determination between all the data sets and the third degree polynomial regression curves was equally high as well. Thus, it was proven that the Bond Graph modeling method can be used as a fault simulation and diagnosis tool for high pressure hydraulic systems, which undoubtedly can prove useful in many practical applications.

Η διδακτορική διατριβή ασχολείται με την αναγνώριση βλαβών λειτουργίας στα υδραυλικά συστήματα υψηλών πιέσεων με τη χρήση μοντελοποίησης με Η/Υ. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος μοντελοποίησης των Διαγραμμάτων Δεσμών (Bond Graphs) προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση που έχουν στη λειτουργία ενός υδραυλικού κυκλώματος η αύξηση της εσωτερικής διαρροής στον υδραυλικό κύλινδρο και στη βαλβίδα 4/2 επιλογής φοράς κίνησης για διάφορα φορτία του κυλίνδρου. Για τους σκοπούς της διδακτορικής διατριβής, υλοποιήθηκε μια πειραματική διάταξη προσομοίωσης εσωτερικών διαρροών και φορτίων στα υδραυλικά συστήματα, στην οποία εγκαταστάθηκε και ένα σύστημα λήψης μετρήσεων. Το επόμενο βήμα ήταν η μοντελοποίηση του υδραυλικού κυκλώματος με τη χρήση της μεθόδου των Διαγραμμάτων Δεσμών. Δημιουργήθηκε ένα λεπτομερές μοντέλο του υδραυλικού κυκλώματος και για το λόγο αυτό στη μοντελοποίηση συνυπολογίστηκαν παράμετροι όπως η πτώση πίεσης λόγω ροϊκών απωλειών, η εσωτερική διαρροή της αντλίας, η τριβή και η αδράνεια των κινούμενων μερών του κυλίνδρου και η συμπιεστότητα του ρευστού στις σωληνώσεις. Μετά την ολοκλήρωση της μοντελοποίησης, εκτελέστηκαν δοκιμές στην πειραματική διάταξη και αντίστοιχες προσομοιώσεις λειτουργίας στο μοντέλο για διαφορετικά φορτία και διαφορετικά επίπεδα εσωτερικής διαρροής στον υδραυλικό κύλινδρο και τη βαλβίδα 4/2, όπως αυτά εκφράζονται από το ισοδύναμο εσωτερικό διάκενο των εξαρτημάτων. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα αποτελέσματα από τη μοντελοποίηση συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά και υπολογίστηκε ο συντελεστής συσχέτισης των δεδομένων. Επιπλέον, για κάθε ομάδα δεδομένων, τόσο των πειραματικών όσο και αυτών από τη μοντελοποίηση, υπολογίστηκαν καμπύλες αναδρομής μορφής πολυωνύμου τρίτου βαθμού και ο συντελεστής προσαρμογής των δεδομένων στην αντίστοιχος καμπύλη αναδρομής. Σε όλες τις περιπτώσεις, και με όλους τους συνδυασμούς φορτίων και ισοδύναμων εσωτερικών διαρροών διαπιστώθηκε εξαιρετικά καλή συσχέτιση των πειραματικών με τα θεωρητικά δεδομένα, καθώς επίσης και εξαιρετικά καλή προσαρμογή των δεδομένων στις καμπύλες αναδρομής μορφής πολυωνύμου τρίτου βαθμού. Με τον τρόπο αυτό, αποδεικνύεται ότι η μοντελοποίηση με τη χρήση της μεθόδου των Διαγραμμάτων Δεσμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο προσομοίωσης και αναγνώρισης βλαβών στα υδραυλικά συστήματα υψηλών πιέσεων, κάτι που αναμφίβολα είναι εξαιρετικά χρήσιμο σε πολλές ουσιαστικές πρακτικές εφαρμογές.