水压试管机平衡及密封特性分析方法

　　引 言

　　水压试管机广泛应用于国民经济的各个领域。被试管件有螺焊管、无缝钢管等, 试验压力从 7.5MPa～120MPa 不等。水压试管机也有多种结构形式。大部分水压试管机有一个共同点, 移动端采用液压平衡缸与水压相平衡技术, 见图 1, 是水压试管机的关键技术之一。现有的研究工作集中在简单地理论分析和利用经验设计方面, 文献[1]介绍了水压控制系统的一些理论公式, 文献[2]利用有限元技术分析了密封圈的受力情况, 其它文献以介绍水压试管机的结构及使用经验为主[3-7], 对于水压试管机的性能估计, 目前所采用的方法基本上是靠经验。因此, 对水压试管机, 非常有必要提供一种简单有效的特性分析方法。

　　1 平衡及密封原理

　　图 1, pw为进入被试管件的试验水压, 该压力作用到移动端, 对移动端产生轴向推力 Fw, pz为平衡缸的平衡压力, 平衡缸的输出力为 Fz, pm为移动缸工作压力, 移动缸对移动端的力为 Fm。理想情况下,以上三个力始终保持以下关系

　　这样, 移动端与被试管件没有任何相对移动,密封圈处的摩擦力为 0, 密封圈工作于理想状态。但在实际情况中, pz是随 pw的变化动态调整的, 尤其是当水压上升和下降速度很快时, 式(1) 很难始终成立, 即动态过程中会出现 ΔF≠0, 导致密封圈处产生摩擦力 Fv。若 ΔFFv, 移动端受力不平衡, 与被试管件产生相对运动, 必然破坏密封圈并无法密封。因此, 平衡缸内压力 pz的控制, 成为试压过程中的关键。

　　2 仿真模型

　　图 2 是利用 AMEsim 仿真软件建立的水压试管机平衡及密封特性仿真模型。其中几个主要模块的模型介绍如下。

　　摩擦力 Fv密封圈与被试管件之间的摩擦力为:

　　式中, μm为静摩擦系数, μ为动摩擦系数, N 为作用在密封圈上的密封压力, xz为移动端相对于被试管件的移动速度。式(2) 所表述的模型可以通过适当设置 AMEsim 中的模型参数得到, 参看图 2 中的双质量块模型。

　　平衡缸力 Fz平衡缸的工作压力 pz由电液压力伺服系统控制, 系统的输入信号 pzin可以参考式(1)计算得到

　　必要时, 压力控制系统需要增加 PID 或其它复杂的控制方案。通常情况下, 水压试管机的平衡缸采用柱塞缸, 但有些软件如 AMEsim 没有现成的柱塞缸模型使用, 此时可以把柱塞缸分解为普通液压缸和一个固定容积模型, 如图 3 所示。

　　水压力 Fw水压 pw由另外系统控制, 仿真平衡部分时, 可以将其视为给定信号。