水壓試驗機增壓器動態性能仿真研究

劉兆祺，姜浩志，姚志剛

（太原重工股份有限公司 技術中心，太原030024）

水壓試驗機主要用于油氣輸送管線的水壓試驗。增壓器作為水壓試驗機的關鍵液壓元件之一[1]，其主要作用是向試驗鋼管內連續注入高壓水，以使鋼管內達到設定試驗壓力并保持恒定[2]。因此，增壓器性能好壞直接影響鋼管試壓過程的穩定性和安全性。吳水康[3-4]等通過將增壓器系統簡化為閥控油缸模型，對油缸位置超差問題進行了仿真研究。胡學法等[5-6]提出了應用灰度聚類方法對水壓試驗機進行故障診斷，并利用AMESim 仿真軟件對水壓試驗機液壓系統進行仿真分析。趙珍等[7]對水壓試驗機液壓泵進行故障仿真分析。曾永龍[8]等對增壓器壓力-流量的波動特性進行了理論分析。本研究利用ITI-SimulationX 仿真軟件建立增壓器動態性能仿真模型，獲取增壓器在增壓過程中的動態壓力響應特性，為增壓器設計和現場應用提供參考。

1 水壓機增壓器組成及工作原理

水壓機增壓器由兩個增壓缸、 增壓器底座及出口閥塊連接為一個整體，兩個增壓缸交替工作，連續增壓[9]。增壓缸上腔為油缸，下腔通過控制閥組分別與低壓進水管路和高壓出水管路連通，水腔與油腔密封可靠，增壓缸利用兩腔壓力作用面積不同，使其達到需要的增壓壓力。增壓器技術參數見表1。

表1 水壓機增壓器技術參數

增壓器原理如圖1 所示。圖1 中測試鋼管低壓充水完成之后，液壓泵2 啟動，電磁溢流閥5得電，壓力繼電器15 發出壓力正常信號后，電磁換向閥8 左位得電，高壓油進入增壓缸上腔，1#增壓缸快速加壓，下腔高壓水經單向閥17 注入到試驗鋼管內。對于不同規格、 不同等級的試驗鋼管，試驗水壓不同，增壓油壓也不同，因此在增壓油缸上腔設置比例溢流閥9，用于調節增壓缸的進油壓力，進油壓力由壓力傳感器14 實時監測。當1#增壓缸增壓完畢后，2#增壓缸開始加壓，同時1#增壓缸回程吸水，單向閥19 打開，低壓水進入增壓缸的水腔供下一增壓工藝動作，回程吸水壓力由減壓閥11 調定。為使增壓缸回程平穩，減小壓力沖擊，可通過程序設定增壓缸回程時主泵工作數量，當試驗鋼管內的水壓增壓至試驗壓力后，電磁換向閥8 失電，增壓缸停止增壓，試驗鋼管進入高壓水試驗狀態。

圖1 水壓機增壓器原理示意圖

2 增壓器液壓系統仿真

2.1 仿真模型建立

增壓器仿真模型：將原系統動力源部分4 個泵合并為1 個，泵總排量不變； 將注水過程用水罐代替； 將通水管道用容腔元件代替，數值通過函數驅動[10]； 將試驗鋼管設置1%固定含氣量； 將水系統泄漏口設置成直徑為0.2 mm、 長度10 mm 的節流孔； 將通油管道簡化為兩段，一段為主泵至閥組，另一段為閥組出口至增壓器上腔油口。

增壓器仿真模型如圖2 所示，該模型主要包含兩部分，以增壓器為分界，圖中上部為水介質側，下部為油介質側。水介質側有增壓水缸、 止回閥組、 水腔卸荷閥等，油介質側即增壓器及其控制元件。

圖2 水壓機增壓器仿真模型

2.2 參數設定

增壓器仿真模型設定值包括：1#、 2#換向閥初始值、 增壓開關信號、 水壓和油壓預設壓力值。其中，1#、 2#換向閥初始值用于設定兩組增壓缸初始狀態，比例溢流閥壓力由輸入信號控制，當系統工作時，主溢流閥溢流壓力設定為20 MPa（200 bar），輸入位置在f（x）函數框RefPH，待試驗鋼管試驗水壓設定值輸入位置在f（x）函數框RefPW，上述設定值均可根據實際工況進行修改。

增壓器仿真模型以0 或1 信號控制系統啟動或關閉，信號輸入位置在curve 函數框InputWater。兩個增壓缸初始狀態在f（x）函數框initial1 和initial2中進行設定，設定值分別為1 和-1，仿真運行中，兩個增壓缸相互配合工作，當其中一個增壓缸行程達到950 mm 時，另一個立即切換至工作狀態。仿真模型主要元件參數設置見表2。

表2 仿真模型主要元件參數

增壓缸上腔比例溢流閥用預設函數進行控制，增壓工作時，以增壓缸下腔設定水壓對應的增壓缸上腔油壓為控制值。比例溢流閥控制策略如圖3 所示，輸入信號分為兩路，一路直接至比例溢流閥控制輸入端，另一路經調制后與反饋的水腔壓力信號比較，生成偏差調整量，再與原始輸入信號疊加后，將其引至比例溢流閥控制輸入端。

圖3 增壓器比例溢流閥控制策略

2.3 結果分析

仿真時間300 s，增壓缸水腔預設增壓壓力17.8 MPa （178 bar）。增壓缸壓力變化曲線如圖4所示。從圖4 可看出，在仿真時間約67 s 時，水腔壓力達到預設壓力值，而后一直保持恒定狀態。

圖4 增壓缸水腔壓力變化曲線

增壓缸行程變化曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，在增壓缸水腔壓力達到預設值前，兩個增壓缸交替增壓工作，待水腔壓力達到預設值后，處于伸出增壓狀態的1#增壓缸緩慢伸出，用于補充泄漏損失，處于縮回位置的2#增壓缸一直處于最小行程位置。

圖5 增壓缸行程變化曲線

為了驗證增壓器控制策略可行性，修改增壓缸水腔泄漏節流口大小。在150 s 時，將節流口直徑分別由0.2 mm 調整為1 mm； 在200 s時，將節流口直徑分別由1 mm 調整為2 mm；在250 s 時，將節流口直徑分別由2 mm 調整為0.2 mm。泄漏節流口直徑及泄漏量變化如圖6所示，水腔泄漏量變化時增壓缸水腔壓力變化曲線、 增壓缸行程變化、 增壓器比例溢流閥控制信號變化曲線如圖7 所示。在增壓缸水腔泄漏量變化時，水腔壓力波動小于0.05 MPa （0.5 bar）；當泄漏量增加時，增壓器處于動態壓力補償狀態； 在約220 s 時，增壓缸達到行程設定切換位置。整個切換過程中，增壓缸水腔壓力基本保持恒定，控制策略可行。

圖6 增壓器水腔泄漏節流口及泄漏量變化曲線

圖7 水腔泄漏量變化時增壓缸壓力、 行程及增壓器比例溢流閥信號變化曲線

3 試驗驗證

為了驗證增壓器仿真結果，選取X70 鋼級Φ1 016 mm×21 mm 鋼管，在上位機設定工藝參數后，進行17.8 MPa （178 bar）、 保壓25 s 的水壓試驗。水壓試驗壓力變化曲線如圖8 所示。從圖8 可以看出，試驗鋼管保壓過程中壓力波動范圍小于0.09 MPa （0.9 bar），壓力波動范圍在設備技術參數所要求的0.4 MPa （4 bar）之內，滿足壓力控制精度要求。液壓系統保壓時試管內的水壓平穩，卸荷時無沖擊現象發生。

圖8 鋼管水壓試驗曲線

4 結 論

利用ITI-SimulationX 仿真軟件對水壓試驗機增壓器進行動態性能建模與仿真，通過設置增壓器在增壓過程中的增壓缸水腔泄漏量，獲取了增壓缸水腔動態壓力響應曲線，經與實測曲線對比，確定增壓器動態性能仿真模型正確，參數設置合理，控制策略可行，有效的改善了系統的動態性能，所采用的研究方法具有推廣應用價值。