钢管水压试验机主液压系统建模与仿真

摘 要：以钢管水压试验机液压系统为研究对象，阐述了水压试验机的工作流程和主液压系统工作原理，选择AMESim 作为软件环境，建立了该系统基于AMESim 的主要元件子模型，并搭建成完整的某钢厂3 号线水压试验机主液压系统模型，设置了模型中的主要参数，实现了该液压系统动态性能仿真。仿真结果表明，应用AMESim 软件可以有效地对钢管水压试验机主液压系统进行模拟，取得了较好的结果，为进一步的深入研究奠定了坚实的基础。
关键词：钢管水压试验机；液压系统；AMESim；建模与仿真

引 言

各种用途的钢管，如低中压锅炉管、高压锅炉用管、船舶用管、化工用管、油井管和核工程用管等一般都处于一定温度、压力的恶劣工况下，因此为尽量避免钢管使用中存在的危险，对于出厂的钢管都必须进行全长范围内的压力试验，钢管水压试验机正是对钢管进行压力试验的机械设备。钢管水压试验机的工艺流程是：首先钢管由步进梁运输装置运送到试压工位，夹钳夹紧钢管并定位到试压中心，充水头和排气头先后顶住钢管，并由预密封加压使密封圈夹紧钢管，充水阀和排气阀打开，乳化液进入试验钢管，并由排气阀排出管内气体，当钢管内的气体全部被排出后，充水阀和排气阀关闭，增压器开始对钢管中的乳化液进行增压，达到设定压力后开始保压，保压到设定时间后，开始卸压，卸压过程和增压过程动作相反[1,2]。由工艺流程可以看出，整个试压过程主要由液压系统来完成压力的提升，它对整个钢管试压过程的稳定性和安全性有着非常重要的意义，因此对液压系统进行建模仿真分析，能够加深对整个系统过程的认识，也为进一步对水压试验机的故障诊断、预报等奠定了坚实的理论分析基础。

由于钢管水压试验机配备多个液压元件，该高压系统的液压油压力和流量变化非常剧烈，而且随着研究的深入，期望模型具有很好的扩展性，因此传统的matlab 建模方法难以建立精确的动态数学模型。AMESim（英文全称：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，即工程系统高级建模与仿真环境）是法国Imagine 公司于1995 年推出的基于功率键合图的液压／机械系统建模、仿真及动力学分析软件，大量文献表明：AMESim 可以有效地对各种复杂的工程机械液压系统进行建模仿真研究[3-6]。本文应用AMESim 对某钢厂3 号线钢管水压试验机的主液压系统进行建模仿真分析，取得了满意的结果，并且加深了对其工作机理的认识和理解，实现了对系统动态过程的探索，为进一步的水压试验机的故障诊断、预报研究提供了前提条件和数据支持。

1 钢管水压试验机主液压系统工作原理

钢管水压试验机的结构复杂，本文将其主要结构概括如图1 所示，其中各种液压元件采用德国Rexroth（力士乐）的器件。

图1 钢管水压试验机的组成

钢管水压试验机的试压介质是乳化液，试验的理论依据是将试验钢管充满乳化液，然后依靠外力压缩乳化液使压力升高[7]，从而达到试压的目的。目前，钢管水压试验机一般采用油增水（乳化液）的方法，通过高压增压器来实现压力的提升。钢管压力试验时，要求保压曲线平稳、效率高，因此要求液压系统能够快速升压和平稳卸压。为了达到上述要求，液压系统采用恒压源供油方式，恒压源由恒压变量泵A4VSO恒压变量轴向柱塞泵和蓄能器及溢流阀等组成。

主液压控制系统由三部分组成：增压-保压-卸压调节系统、压力平衡调节系统和管接头夹钳压力调节系统[8]，其中前2 者采用电液伺服压力闭环控制，后者采用电液比例开环控制，这三部分性能对整个系统的运行有着非常重要的作用。对于增压侧，液压油经液压泵输出至电液伺服阀，通过控制电液伺服阀的阀口开度来调整流入、流出液压缸的液压油流量，从而调整钢管中乳化液的压力；对于平衡侧，液压缸无杆腔油压按比例跟随增压侧乳化液压力，使钢管不会左右窜动太大；目前对于某钢厂的夹钳系统采用固定的设定压力，整个系统采用压力控制。整个水压试验机的工作原理图如图2。

图2 水压试验机工作原理示意图

2 仿真软件和仿真模型的建立

2.1 仿真软件的介绍

AMESim是工程系统高级建模和仿真平台，该软件包含很多适于仿真动态特性的模块[9]，为流体、液体、气体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较完善的综合仿真环境[10,11]。AMESim是基于直观的图形界面的建模平台，采用易于识别的标准ISO图标符号和简单直观的多端口框图[12]代表系统中的各个元件，从而使用户从繁琐的数学建模中解放出来，专注于物理系统本身的设计。AMESim现有的应用库包括机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库(HCD)等等，用户可以使用已有的模型或建立新的子模型（超级元件），方便地建立复杂系统和特定要求的系统[11]，并且可以修改模型和参数来实现各种条件下的仿真，绘制曲线并分析仿真结果，也可以将仿真结果以文件形式输出，用于其他软件或算法进一步的数据分析。

在AMESim 中有4 个工作模式，即方案模式(Sketch mode)、子模型模式(Submodel mode)、参数模式(Parameter mode)和运行模式(Run mode)[13]，用户在这4 个模式下可以搭建系统方案、修改元件子模型、设置模型参数并运行仿真。其中模型参数的设定尤为重要，它对系统的结果有着非常大的影响，一般用户根据实际需求或者实际系统设定参数。

2.2 仿真模型的建立

液压系统是钢管水压试验机的重要组成部分，只有借助液压能才能实现对钢管进行耐压试验。水压试验机主液压系统主要由油源系统、增压系统、平衡系统和夹钳系统组成。由于水压试验机的油源供应是一个恒压变量泵提供，为简化模型油源系统可以由一个恒压变量泵和溢流阀代替，另外主油路上的冷却器、过滤器等辅助元件也可以省略，按照图2所示的工作原理图可以建立如图3 所示的仿真图形。

1-增压缸，2-压力传感器，3,4,5,6-水压试验机的4 个梭阀，7-钢管，8-夹钳，9-平衡侧液压缸
图3 水压试验机主液压系统仿真模型

由于夹钳设定的为固定力，因此整个液压系统的控制主要由2 部分组成，即左侧的增压系统和右侧的平衡系统，增压系统和平衡系统原理都一样，都是通过压力源输入期望试验压力从而使增压缸中的乳化液达到期望的压力，实现水压试验。其中，压力传感器2 输出钢管中的乳化液压力，然后与增压侧和平衡侧期望压力信号进行比较后为闭环PID 控制的偏差信号。

在AMESim 中，相同的元件图标可以表示不同的元件模型，有些元件在现有的模型库中不存在，因此在建立模型时应该根据需要选择不同的子模型或者建立满足要求的HCD 子模型。由于AMESim 中没有符合需要的增压缸、钢管、梭阀等，因此需要根据元件机理、实际需求建立符合要求的元件子模型。如图3 中，左侧1 表示增压缸的子模型，它由一个活塞缸和一个柱塞缸组成，其中的质量块表示了缸体的质量以及活塞移动时产生的摩擦力；7 代表钢管，可以模拟钢管的微小窜动；8 用摩擦力来模拟夹钳力；3，4，5，6 表示梭阀，由于软件中现有的梭阀不能表示泄露对系统的影响，因此在系统中利用AMESim 可以方便建立超级元件的功能，按照梭阀的模型结构建立梭阀子模型如图4 所示，并用已有的模型库中的梭阀元件来表示该超级元件。梭阀有2 个输入口、1 个输出口，它相当于一个选择阀，输出口始终与输入压力大的口连通。但是，由于阀芯在压力作用下来回移动，总会有磨损，因此在建立子模型时加入模拟泄漏的模块，如图4 所示绿色质量块两侧的模块。假设图4 中1 输入口压力大于3 输入口压力，当梭阀有泄露时，1 口液体通过泄漏模块流入3 口，虽然2 输出口依然和1 输入口连通，但是压力和流量都不完全等同于1 口；反之同理。这样就模拟了阀芯损坏时梭阀的工作状况，并且可以根据不同的需要修改泄漏的大小，模拟梭阀阀芯损坏程度不同时的工作状态。

1,3 输入口，2 输出口
图4 梭阀子模型

3 参数设定

在AMESim 中完成系统仿真平台的搭建（方案模式）后，根据需要选择元件的子模型（子模型模式）和进行模型参数的设定(参数模式)[14]，在整个仿真中，不仅搭建模型结构的数学模型对结果起着决定性的作用，而且子模型和子模型的参数对结果也有着非常重要的作用。在本系统的仿真中，模型参数调试过程占用了大量时间，如增压缸和平衡缸、两侧的电液伺服阀、钢管等等。

增压缸和平衡缸的活塞初始位移、缸径、活塞直径、活塞杆直径、冲程长度都按照现场的相关参数计算设定。电液伺服阀的模型采用三位四通电液比例阀，阀芯运动的动态特性是一个二阶振荡环节。按照水压试验机的试验过程设定期望压力形式为增压-保压-卸压，这样电液伺服阀的工作位为左位-中位-右位，增压阶段伺服阀工作在左位，液压油推动增压缸活塞向上运动，由于面积差作用，使柱塞缸中的乳化液的压力得到提升；当系统压力提升到试验压力时，伺服阀工作在中位，为系统保压一段时间；当保压时间结束后，系统开始卸压，伺服阀工作在右位，增压缸在重力的作用下，活塞向下运动，降低系统压力，进行卸压。本系统中电液伺服阀采用的参数按照力士乐4WSE3EE 型伺服阀设定，具体参数参照文献[15]设定。钢管的设定决定了试验压力的设定，而在本仿真系统中，根据现场的试验数据可以方便的修改钢管长度、直径及相应的期望压力曲线。

4 仿真结果

在运行模式下，可以根据现场试验的历史数据选择仿真时间，本例中，设定钢管直径73.02mm，长度9m，相应的试验压力720bar，实际水压试验机工作在上述条件下，所需时间为16s 左右，因此在这里仿真起始时间设定为0s，结束时间为16s。图5 是仿真输出试验水压和实际采集数据的比较，其中虚线表示模型输出钢管中乳化液压力曲线，实线为实际压力曲线，从图中可以看出模型输出和实际输出相差不大。

图5 压力输出

在上述模型中，不仅可以输出压力曲线，还可以输出钢管位移曲线和梭阀输出压力曲线等等。其中，钢管位移曲线对应为实际系统中的平衡缸位移变量，如图6 所示，它是显示水压试验机平衡系统状态的变量，有一定的范围，正向20mm，负向-8mm。4 个梭阀输出压力曲线对应为实际系统中4 个密封圈的压力，而且设定梭阀子模型中的泄漏系数，可以模拟梭阀阀芯的不同程度的泄漏，便于用户研究梭阀泄漏对系统试验过程的影响。图7 为梭阀3 的输出压力曲线，在正常情况下，它们的输出压力相同。

5 结论

本文采用先进液压软件AMESim 对某钢管水压试验机进行建模仿真分析，仿真结果表明该模型可以有效地研究钢管水压试验机液压系统的动态特性，仿真结果误差在允许范围内。该模型可以方便地提取各个变量的数据，为研究系统的内在特性提供了数据支持。并且，在该模型中，可以方便加入其他液压元件，进一步完善模型。此外，AMESim 提供了与其他各种软件的接口，如Matlab、Adams 等，可以方便地与其他软件相结合，这也为进一步的研究分析提供了前提条件。

该模型的建立为研究系统的动态性能及今后水压试验设备的性能分析及优化，各种控制算法测试、故障诊断与预测等一些数据分析奠定了理论基础。

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