摘要：以鋼管水壓試驗機液壓系統為研究對象，闡述了水壓試驗機的工作流程和主液壓系統工作原理，選擇AMESim作為軟件環境，建立了該系統基于AMESim的主要元件子模型，并搭建成完整的某鋼廠3號線水壓試驗機主液壓系統模型，設置了模型中的主要參數，實現了該液壓系統動態性能仿真。仿真結果表明，應用AMESim軟件可以有效地對鋼管水壓試驗機主液壓系統進行模擬，取得了較好的結果，為進一步的深入研究奠定了堅實的基礎。
　　
　　關鍵詞：鋼管水壓試驗機；液壓系統；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行全長范圍內的壓力試驗，鋼管水壓試驗機正是對鋼管進行壓力試驗的機械設備。鋼管水壓試驗機的工藝流程是：首先鋼管由步進梁運輸裝置運送到試壓工位，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，乳化液進入試驗鋼管，并由排氣閥排出管內氣體，當鋼管內的氣體全部被排出后，充水閥和排氣閥關閉，增壓器開始對鋼管中的乳化液進行增壓，達到設定壓力后開始保壓，保壓到設定時間后，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來完成壓力的提升，它對整個鋼管試壓過程的穩定性和安全性有著非常重要的意義，因此對液壓系統進行建模仿真分析，能夠加深對整個系統過程的認識，也為進一步對水壓試驗機的故障診斷、預報等奠定了堅實的理論分析基礎。
　　
　　由于鋼管水壓試驗機配備多個液壓元件，該高壓系統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展性，因此傳統的matlab建模方法難以建立的動態數學模型。AMESim（英文全稱：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，即工程系統建模與仿真環境）是法國Imagine公司于1995年推出的基于功率鍵合圖的液壓／機械系統建模、仿真及動力學分析軟件，大量文獻表明：AMESim可以有效地對各種復雜的工程機械液壓系統進行建模仿真研究[3-6]。本文應用AMESim對某鋼廠3號線鋼管水壓試驗機的主液壓系統進行建模仿真分析，取得了滿意的結果，并且加深了對其工作機理的認識和理解，實現了對系統動態過程的探索，為進一步的水壓試驗機的故障診斷、預報研究提供了前提條件和數據支持。
　　
　　1鋼管水壓試驗機主液壓系統工作原理
　　
　　鋼管水壓試驗機的結構復雜，本文將其主要結構概括如圖1所示，其中各種液壓元件采用德國Rexroth（力士樂）的器件。　　
　　鋼管水壓試驗機的試壓介質是乳化液，試驗的理論依據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]，從而達到試壓的目的。目前，鋼管水壓試驗機一般采用油增水（乳化液）的方法，通過高壓增壓器來實現壓力的提升。鋼管壓力試驗時，要求保壓曲線平穩、效率高，因此要求液壓系統能夠快速升壓和平穩卸壓。為了達到上述要求，液壓系統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。
　　
　　主液壓控制系統由三部分組成：增壓-保壓-卸壓調節系統、壓力平衡調節系統和管接頭夾鉗壓力調節系統[8]，其中前2者采用電液伺服壓力閉環控制，后者采用電液比例開環控制，這三部分性能對整個系統的運行有著非常重要的作用。對于增壓側，液壓油經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整流入、流出液壓缸的液壓油流量，從而調整鋼管中乳化液的壓力；對于平衡側，液壓缸無桿腔油壓按比例跟隨增壓側乳化液壓力，使鋼管不會左右竄動太大；目前對于某鋼廠的夾鉗系統采用固定的設定壓力，整個系統采用壓力控制。整個水壓試驗機的工作原理圖如圖2。　　2仿真軟件和仿真模型的建立
　　
　　2.1仿真軟件的介紹
　　
　　AMESim是工程系統建模和仿真平臺，該軟件包含很多適于仿真動態特性的模塊[9]，為流體、液體、氣體、機械、控制、電磁等工程系統提供了一個較完善的綜合仿真環境[10,11]。AMESim是基于直觀的圖形界面的建模平臺，采用易于識別的標準ISO圖標符號和簡單直觀的多端口框圖[12]代表系統中的各個元件，從而使用戶從繁瑣的數學建模中解放出來，專注于物理系統本身的設計。AMESim現有的應用庫包括機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設計庫（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），方便地建立復雜系統和特定要求的系統[11]，并且可以修改模型和參數來實現各種條件下的仿真，繪制曲線并分析仿真結果，也可以將仿真結果以文件形式輸出，用于其他軟件或算法進一步的數據分析。
　　
　　在AMESim中有4個工作模式，即方案模式（Sketchmode）、子模型模式（Submodelmode）、參數模式（Parametermode）和運行模式（Runmode）[13]，用戶在這4個模式下可以搭建系統方案、修改元件子模型、設置模型參數并運行仿真。其中模型參數的設定尤為重要，它對系統的結果有著非常大的影響，一般用戶根據實際需求或者實際系統設定參數。
　　
　　2.2仿真模型的建立
　　
　　液壓系統是鋼管水壓試驗機的重要組成部分，只有借助液壓能才能實現對鋼管進行耐壓試驗。水壓試驗機主液壓系統主要由油源系統、增壓系統、平衡系統和夾鉗系統組成。由于水壓試驗機的油源供應是一個恒壓變量泵提供，為簡化模型油源系統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。　　由于夾鉗設定的為固定力，因此整個液壓系統的控制主要由2部分組成，即左側的增壓系統和右側的平衡系統，增壓系統和平衡系統原理都一樣，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到期望的壓力，實現水壓試驗。其中，壓力傳感器2輸出鋼管中的乳化液壓力，然后與增壓側和平衡側期望壓力信號進行比較后為閉環PID控制的偏差信號。
　　
　　在AMESim中，相同的元件圖標可以表示不同的元件模型，有些元件在現有的模型庫中不存在，因此在建立模型時應該根據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，因此需要根據元件機理、實際需求建立符合要求的元件子模型。如圖3中，左側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，其中的質量塊表示了缸體的質量以及活塞移動時產生的摩擦力；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，由于軟件中現有的梭閥不能表示泄露對系統的影響，因此在系統中利用AMESim可以方便建立超級元件的功能，按照梭閥的模型結構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所示綠色質量塊兩側的模塊。假設圖4中1輸入口壓力大于3輸入口壓力，當梭閥有泄露時，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*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。　　在AMESim中完成系統仿真平臺的搭建（方案模式）后，根據需要選擇元件的子模型（子模型模式）和進行模型參數的設定（參數模式）[14]，在整個仿真中，不僅搭建模型結構的數學模型對結果起著決定性的作用，而且子模型和子模型的參數對結果也有著非常重要的作用。在本系統的仿真中，模型參數調試過程占用了大量時間，如增壓缸和平衡缸、兩側的電液伺服閥、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、沖程長度都按照現場的相關參數計算設定。電液伺服閥的模型采用三位四通電液比例閥，閥芯運動的動態特性是一個二階振蕩環節。按照水壓試驗機的試驗過程設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；當系統壓力提升到試驗壓力時，伺服閥工作在中位，為系統保壓一段時間；當保壓時間結束后，系統開始卸壓，伺服閥工作在右位，增壓缸在重力的作用下，活塞向下運動，降低系統壓力，進行卸壓。本系統中電液伺服閥采用的參數按照力士樂4WSE3EE型伺服閥設定，具體參數參照文獻[15]設定。鋼管的設定決定了試驗壓力的設定，而在本仿真系統中，根據現場的試驗數據可以方便的修改鋼管長度、直徑及相應的期望壓力曲線。
　　
　　4仿真結果
　　
　　在運行模式下，可以根據現場試驗的歷史數據選擇仿真時間，本例中，設定鋼管直徑73.02mm，長度9m，相應的試驗壓力720bar，實際水壓試驗機工作在上述條件下，所需時間為16s左右，因此在這里仿真起始時間設定為0s，結束時間為16s。圖5是仿真輸出試驗水壓和實際采集數據的比較，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。　　
　　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，鋼管位移曲線對應為實際系統中的平衡缸位移變量，如圖6所示，它是顯示水壓試驗機平衡系統狀態的變量，有一定的范圍，正向20mm，負向-8mm。4個梭閥輸出壓力曲線對應為實際系統中4個密封圈的壓力，而且設定梭閥子模型中的泄漏系數，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結論
　　
　　本文采用*液壓軟件AMESim對某鋼管水壓試驗機進行建模仿真分析，仿真結果表明該模型可以有效地研究鋼管水壓試驗機液壓系統的動態特性，仿真結果誤差在允許范圍內。該模型可以方便地提取各個變量的數據，為研究系統的內在特性提供了數據支持。并且，在該模型中，可以方便加入其他液壓元件，進一步完善模型。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合，這也為進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的動態性能及今后水壓試驗設備的性能分析及優化，各種控制算法測試、故障診斷與預測等一些數據分析奠定了理論基礎。