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摘 要：以钢管水压试验机液压系统(液位计、物位计、物位变送器、液位变送器、电容式物位计、电容式液位计、电容式物位变送器、电容式液位变送器、物位开关、液位开关)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。
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