鋼管水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)建模與仿真
摘要：以鋼管水壓試驗機(jī)液壓系統(tǒng)為研究對象，闡述了水壓試驗機(jī)的工作流程和主液壓系統(tǒng)工作原理，選擇AMESim作為軟件環(huán)境，建立了該系統(tǒng)基于AMESim的主要元件子模型，并搭建成完整的某鋼廠3號線水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)模型，設(shè)置了模型中的主要參數(shù)，實現(xiàn)了該液壓系統(tǒng)動態(tài)性能仿真。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用AMESim軟件可以有效地對鋼管水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)進(jìn)行模擬，取得了較好的結(jié)果，為進(jìn)一步的深入研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：鋼管水壓試驗機(jī)；液壓系統(tǒng)；AMESim；建模與仿真
引言
各種用途的鋼管，如低中壓鍋爐管、高壓鍋爐用管、船舶用管、化工用管、油井管和核工程用管等一般都處于一定溫度、壓力的惡劣工況下，因此為盡量避免鋼管使用中存在的危險，對于出廠的鋼管都必須進(jìn)行全長范圍內(nèi)的壓力試驗，鋼管水壓試驗機(jī)正是對鋼管進(jìn)行壓力試驗的機(jī)械設(shè)備。鋼管水壓試驗機(jī)的工藝流程是：首先鋼管由步進(jìn)梁運(yùn)輸裝置運(yùn)送到試壓工位，夾鉗夾緊鋼管并定位到試壓中心，充水頭和排氣頭先后頂住鋼管，并由預(yù)密封加壓使密封圈夾緊鋼管，充水閥和排氣閥打開，乳化液進(jìn)入試驗鋼管，并由排氣閥排出管內(nèi)氣體，當(dāng)鋼管內(nèi)的氣體全部被排出后，充水閥和排氣閥關(guān)閉，增壓器開始對鋼管中的乳化液進(jìn)行增壓，達(dá)到設(shè)定壓力后開始保壓，保壓到設(shè)定時間后，開始卸壓，卸壓過程和增壓過程動作相反[1,2]。由工藝流程可以看出，整個試壓過程主要由液壓系統(tǒng)來完成壓力的提升，它對整個鋼管試壓過程的穩(wěn)定性和安全性有著非常重要的意義，因此對液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，能夠加深對整個系統(tǒng)過程的認(rèn)識，也為進(jìn)一步對水壓試驗機(jī)的故障診斷、預(yù)報等奠定了堅實的理論分析基礎(chǔ)。
由于鋼管水壓試驗機(jī)配備多個液壓元件，該高壓系統(tǒng)的液壓油壓力和流量變化非常劇烈，而且隨著研究的深入，期望模型具有很好的擴(kuò)展性，因此傳統(tǒng)的matlab建模方法難以建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。AMESim（英文全稱：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，即工程系統(tǒng)建模與仿真環(huán)境）是法國Imagine公司于1995年推出的基于功率鍵合圖的液壓／機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析軟件，大量文獻(xiàn)表明：AMESim可以有效地對各種復(fù)雜的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究[3-6]。本文應(yīng)用AMESim對某鋼廠3號線鋼管水壓試驗機(jī)的主液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，取得了滿意的結(jié)果，并且加深了對其工作機(jī)理的認(rèn)識和理解，實現(xiàn)了對系統(tǒng)動態(tài)過程的探索，為進(jìn)一步的水壓試驗機(jī)的故障診斷、預(yù)報研究提供了前提條件和數(shù)據(jù)支持。
1鋼管水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)工作原理
鋼管水壓試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文將其主要結(jié)構(gòu)概括如圖1所示，其中各種液壓元件采用德國Rexroth（力士樂）的器件。
（圖1鋼管水壓試驗機(jī)的組成）
鋼管水壓試驗機(jī)的試壓介質(zhì)是乳化液，試驗的理論依據(jù)是將試驗鋼管充滿乳化液，然后依靠外力壓縮乳化液使壓力升高[7]，從而達(dá)到試壓的目的。目前，鋼管水壓試驗機(jī)一般采用油增水（乳化液）的方法，通過高壓增壓器來實現(xiàn)壓力的提升。鋼管壓力試驗時，要求保壓曲線平穩(wěn)、效率高，因此要求液壓系統(tǒng)能夠快速升壓和平穩(wěn)卸壓。為了達(dá)到上述要求，液壓系統(tǒng)采用恒壓源供油方式，恒壓源由恒壓變量泵A4VSO恒壓變量軸向柱塞泵和蓄能器及溢流閥等組成。
主液壓控制系統(tǒng)由三部分組成：增壓-保壓-卸壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)和管接頭夾鉗壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)[8]，其中前2者采用電液伺服壓力閉環(huán)控制，后者采用電液比例開環(huán)控制，這三部分性能對整個系統(tǒng)的運(yùn)行有著非常重要的作用。對于增壓側(cè)，液壓油經(jīng)液壓泵輸出至電液伺服閥，通過控制電液伺服閥的閥口開度來調(diào)整流入、流出液壓缸的液壓油流量，從而調(diào)整鋼管中乳化液的壓力；對于平衡側(cè)，液壓缸無桿腔油壓按比例跟隨增壓側(cè)乳化液壓力，使鋼管不會左右竄動太大；目前對于某鋼廠的夾鉗系統(tǒng)采用固定的設(shè)定壓力，整個系統(tǒng)采用壓力控制。整個水壓試驗機(jī)的工作原理圖如圖2。
（圖2水壓試驗機(jī)工作原理示意圖）
2仿真軟件和仿真模型的建立
2.1仿真軟件的介紹
AMESim是工程系統(tǒng)建模和仿真平臺，該軟件包含很多適于仿真動態(tài)特性的模塊[9]，為流體、液體、氣體、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個較完善的綜合仿真環(huán)境[10,11]。AMESim是基于直觀的圖形界面的建模平臺，采用易于識別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)符號和簡單直觀的多端口框圖[12]代表系統(tǒng)中的各個元件，從而使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計。AMESim現(xiàn)有的應(yīng)用庫包括機(jī)械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計庫（HCD）等等，用戶可以使用已有的模型或建立新的子模型（超級元件），方便地建立復(fù)雜系統(tǒng)和特定要求的系統(tǒng)[11]，并且可以修改模型和參數(shù)來實現(xiàn)各種條件下的仿真，繪制曲線并分析仿真結(jié)果，也可以將仿真結(jié)果以文件形式輸出，用于其他軟件或算法進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。
在AMESim中有4個工作模式，即方案模式（Sketchmode）、子模型模式（Submodelmode）、參數(shù)模式（Parametermode）和運(yùn)行模式（Runmode）[13]，用戶在這4個模式下可以搭建系統(tǒng)方案、修改元件子模型、設(shè)置模型參數(shù)并運(yùn)行仿真。其中模型參數(shù)的設(shè)定尤為重要，它對系統(tǒng)的結(jié)果有著非常大的影響，一般用戶根據(jù)實際需求或者實際系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)。
2.2仿真模型的建立
液壓系統(tǒng)是鋼管水壓試驗機(jī)的重要組成部分，只有借助液壓能才能實現(xiàn)對鋼管進(jìn)行耐壓試驗。水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)主要由油源系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和夾鉗系統(tǒng)組成。由于水壓試驗機(jī)的油源供應(yīng)是一個恒壓變量泵提供，為簡化模型油源系統(tǒng)可以由一個恒壓變量泵和溢流閥代替，另外主油路上的冷卻器、過濾器等輔助元件也可以省略，按照圖2所示的工作原理圖可以建立如圖3所示的仿真圖形。
（圖3水壓試驗機(jī)主液壓系統(tǒng)仿真模型,1-增壓缸，2-壓力傳感器，3,4,5,6-水壓試驗機(jī)的4個梭閥，7-鋼管，8-夾鉗，9-平衡側(cè)液壓缸）
由于夾鉗設(shè)定的為固定力，因此整個液壓系統(tǒng)的控制主要由2部分組成，即左側(cè)的增壓系統(tǒng)和右側(cè)的平衡系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)原理都一樣，都是通過壓力源輸入期望試驗壓力從而使增壓缸中的乳化液達(dá)到期望的壓力，實現(xiàn)水壓試驗。其中，壓力傳感器2輸出鋼管中的乳化液壓力，然后與增壓側(cè)和平衡側(cè)期望壓力信號進(jìn)行比較后為閉環(huán)PID控制的偏差信號。
在AMESim中，相同的元件圖標(biāo)可以表示不同的元件模型，有些元件在現(xiàn)有的模型庫中不存在，因此在建立模型時應(yīng)該根據(jù)需要選擇不同的子模型或者建立滿足要求的HCD子模型。由于AMESim中沒有符合需要的增壓缸、鋼管、梭閥等，因此需要根據(jù)元件機(jī)理、實際需求建立符合要求的元件子模型。如圖3中，左側(cè)1表示增壓缸的子模型，它由一個活塞缸和一個柱塞缸組成，其中的質(zhì)量塊表示了缸體的質(zhì)量以及活塞移動時產(chǎn)生的摩擦力；7代表鋼管，可以模擬鋼管的微小竄動；8用摩擦力來模擬夾鉗力；3，4，5，6表示梭閥，由于軟件中現(xiàn)有的梭閥不能表示泄露對系統(tǒng)的影響，因此在系統(tǒng)中利用AMESim可以方便建立超級元件的功能，按照梭閥的模型結(jié)構(gòu)建立梭閥子模型如圖4所示，并用已有的模型庫中的梭閥元件來表示該超級元件。梭閥有2個輸入口、1個輸出口，它相當(dāng)于一個選擇閥，輸出口始終與輸入壓力大的口連通。但是，由于閥芯在壓力作用下來回移動，總會有磨損，因此在建立子模型時加入模擬泄漏的模塊，如圖4所示綠色質(zhì)量塊兩側(cè)的模塊。假設(shè)圖4中1輸入口壓力大于3輸入口壓力，當(dāng)梭閥有泄露時，1口液體通過泄漏模塊流入3口，雖然2輸出口依然和1輸入口連通，但是壓力和流量都不完全等同于1口；反之同理。這樣就模擬了閥芯損壞時梭閥的工作狀況，并且可以根據(jù)不同的需要修改泄漏的大小，模擬梭閥閥芯損壞程度不同時的工作狀態(tài)。
（圖4梭閥子模型，1，3輸入口，2輸出口）
3參數(shù)設(shè)定
在AMESim中完成系統(tǒng)仿真平臺的搭建（方案模式）后，根據(jù)需要選擇元件的子模型（子模型模式）和進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)定（參數(shù)模式）[14]，在整個仿真中，不僅搭建模型結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型對結(jié)果起著決定性的作用，而且子模型和子模型的參數(shù)對結(jié)果也有著非常重要的作用。在本系統(tǒng)的仿真中，模型參數(shù)調(diào)試過程占用了大量時間，如增壓缸和平衡缸、兩側(cè)的電液伺服閥、鋼管等等。
增壓缸和平衡缸的活塞初始位移、缸徑、活塞直徑、活塞桿直徑、沖程長度都按照現(xiàn)場的相關(guān)參數(shù)計算設(shè)定。電液伺服閥的模型采用三位四通電液比例閥，閥芯運(yùn)動的動態(tài)特性是一個二階振蕩環(huán)節(jié)。按照水壓試驗機(jī)的試驗過程設(shè)定期望壓力形式為增壓-保壓-卸壓，這樣電液伺服閥的工作位為左位-中位-右位，增壓階段伺服閥工作在左位，液壓油推動增壓缸活塞向上運(yùn)動，由于面積差作用，使柱塞缸中的乳化液的壓力得到提升；當(dāng)系統(tǒng)壓力提升到試驗壓力時，伺服閥工作在中位，為系統(tǒng)保壓一段時間；當(dāng)保壓時間結(jié)束后，系統(tǒng)開始卸壓，伺服閥工作在右位，增壓缸在重力的作用下，活塞向下運(yùn)動，降低系統(tǒng)壓力，進(jìn)行卸壓。本系統(tǒng)中電液伺服閥采用的參數(shù)按照力士樂4WSE3EE型伺服閥設(shè)定，具體參數(shù)參照文獻(xiàn)[15]設(shè)定。鋼管的設(shè)定決定了試驗壓力的設(shè)定，而在本仿真系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)場的試驗數(shù)據(jù)可以方便的修改鋼管長度、直徑及相應(yīng)的期望壓力曲線。
4仿真結(jié)果
在運(yùn)行模式下，可以根據(jù)現(xiàn)場試驗的歷史數(shù)據(jù)選擇仿真時間，本例中，設(shè)定鋼管直徑73.02mm，長度9m，相應(yīng)的試驗壓力720bar，實際水壓試驗機(jī)工作在上述條件下，所需時間為16s左右，因此在這里仿真起始時間設(shè)定為0s，結(jié)束時間為16s。圖5是仿真輸出試驗水壓和實際采集數(shù)據(jù)的比較，其中虛線表示模型輸出鋼管中乳化液壓力曲線，實線為實際壓力曲線，從圖中可以看出模型輸出和實際輸出相差不大。
（圖5壓力輸出）
在上述模型中，不僅可以輸出壓力曲線，還可以輸出鋼管位移曲線和梭閥輸出壓力曲線等等。其中，鋼管位移曲線對應(yīng)為實際系統(tǒng)中的平衡缸位移變量，如圖6所示，它是顯示水壓試驗機(jī)平衡系統(tǒng)狀態(tài)的變量，有一定的范圍，正向20mm，負(fù)向-8mm。4個梭閥輸出壓力曲線對應(yīng)為實際系統(tǒng)中4個密封圈的壓力，而且設(shè)定梭閥子模型中的泄漏系數(shù)，可以模擬梭閥閥芯的不同程度的泄漏，便于用戶研究梭閥泄漏對系統(tǒng)試驗過程的影響。圖7為梭閥3的輸出壓力曲線，在正常情況下，它們的輸出壓力相同。
5結(jié)論
本文采用先進(jìn)液壓軟件AMESim對某鋼管水壓試驗機(jī)進(jìn)行建模仿真分析，仿真結(jié)果表明該模型可以有效地研究鋼管水壓試驗機(jī)液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，仿真結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)。該模型可以方便地提取各個變量的數(shù)據(jù)，為研究系統(tǒng)的內(nèi)在特性提供了數(shù)據(jù)支持。并且，在該模型中，可以方便加入其他液壓元件，進(jìn)一步完善模型。此外，AMESim提供了與其他各種軟件的接口，如Matlab、Adams等，可以方便地與其他軟件相結(jié)合，這也為進(jìn)一步的研究分析提供了前提條件。
該模型的建立為研究系統(tǒng)的動態(tài)性能及今后水壓試驗設(shè)備的性能分析及優(yōu)化，各種控制算法測試、故障診斷與預(yù)測等一些數(shù)據(jù)分析奠定了理論基礎(chǔ)。
