袁幫誼，潘露

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽蕪湖 241000)

某煤礦科學(xué)研究院對圍巖加載設(shè)備的超高壓液壓系統(tǒng)提出的設(shè)計要求:

(1)液壓系統(tǒng)額定工作壓力不小于65 MPa;

(2)所有加載油缸在加載壓頭抵達受壓件后工作行程不短于100 mm;

(3)各加載油缸須加載波均勻，相互波動幅度小于5%;

(4)裝置工作環(huán)境地溫度－10～60℃;

(5)液壓系統(tǒng)須具備自動與手動調(diào)壓功能;

(6)各加載油缸同時工作從啟動到加載額定工作載荷時間40 min左右;

(7)系統(tǒng)須具備保壓功能，保壓時間為7天，保壓期間壓力波動幅度小于5%;

(8)制造的液壓加載油缸須滿足與之安裝的圍壓裝置配合要求;

(9)液壓加載與控制裝置采用計算機控制和數(shù)顯;

(10)各組 (共分為6組，其中5組為12個油缸/組，另一組為4個油缸)加載油缸具備壓力顯示功能和分組控制功能。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

通過對以上設(shè)計要求的分析并與對方進行必要的溝通，對該設(shè)備的測試用途、性能要求要完全明晰。

該液壓系統(tǒng)分為6組加載油缸，其中5組為12個油缸/組，另一組為4個油缸，要求對每組油缸能進行分組控制，即6個組別中，某一組或幾組保壓另外一組加載，每組加載的載荷可以大小不等;每組12個油缸工作時無需完全同步;關(guān)鍵是要能夠?qū)崿F(xiàn)有效、穩(wěn)定可靠地保壓。

基于上述的控制要求，采用變頻電機帶動液壓泵和電液比例控制技術(shù)來實現(xiàn)用戶的性能要求，見圖1。

從原理圖中可以看出，6組控制裝置是完全獨立的。它可以實現(xiàn)如下工作方式:(1)其中的一組工作，其余可以不工作，并不影響;(2)可以6組中某幾組同時工作，其余的不工作也不互相影響;(3)可以6組同時對被試件進行加載 (但不能完全同步，因為沒有這一項要求);(4)無論哪組工作，它的工作壓力即加載載荷可以大小不等，因為某一組的工作壓力可以由變頻電機帶動油泵根據(jù)輸入不同的頻率來確定。

圖1 圍巖加載液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作過程，將被測的直徑1 m、長6 m(也可以小于6 m)的圓柱形混凝土構(gòu)件放入裝置內(nèi)，將裝置上蓋蓋好，再將液壓管路連接完整，見圖2—3。

圖2 圍巖加載裝置 (含64只油缸及管路)

圖3 液壓系統(tǒng)中的集成塊組件及管路連接

啟動葉片油泵，給定電液比例溢流閥電信號控制壓力為5 MPa，使工作組別的油缸無桿腔進油，當(dāng)活塞桿端部的壓頭碰觸到試件時，液壓力開始上升，直到5 MPa，通過壓力變送器和比例溢流閥給出信號停止葉片泵1工作，超高壓油泵2接著開啟，它的任務(wù)是向油缸無桿腔加壓，直到預(yù)先設(shè)定的高壓時，超高壓電磁換向閥失電，油泵2停止工作。這個設(shè)定的高壓是由壓力變送器反饋控制和油泵2出口處的電液比例溢流閥設(shè)定。此時液壓系統(tǒng)處于保壓狀態(tài) (液控單向閥保壓)。按照系統(tǒng)的工作要求，接下來將是長時間的保壓，測試人員觀察試件的力學(xué)狀態(tài)，并將檢測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控屏幕上。在長時間的保壓過程中，如果系統(tǒng)壓力下降，通過壓力變送器檢測到信號，則系統(tǒng)自動重新啟動超高壓油泵2向油缸補油加載。

試驗結(jié)束時，先使得電液比例溢流閥通并限制開口量對油缸的無桿腔進行卸荷，然后再進行電磁閥換向，這樣可以避免電磁閥換向時產(chǎn)生的壓力沖擊對系統(tǒng)造成不良影響。換向后，工作油缸的活塞桿可以保持在主觀規(guī)定的控制位置，受液控單向閥的控制不發(fā)生移位。這樣整個測試過程結(jié)束。

2 液壓系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

從原理圖中可以看出，控制元件主要有電液比例溢流閥、超高壓電磁換向閥、液控單向閥、壓力變送器和壓力表 (輔助元件)。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，把液壓閥通過集成塊裝在一起，這樣可簡化管路連接，同時也美觀;把壓力變送器、壓力表單獨裝在一組，便于操作觀察壓力表，這樣布置結(jié)構(gòu)合理適用。

集成塊采用45號鋼鍛造調(diào)質(zhì)處理，這樣能夠滿足系統(tǒng)超高壓要求。集成塊上的工藝堵頭孔經(jīng)堵塞后再將堵頭一并焊接，這樣確保不漏油，實際使用效果很好。

系統(tǒng)中的管接頭采用H型標(biāo)準卡套式管接頭、管路采用冷拔精密無縫鋼管這樣保證了系統(tǒng)承受超高壓的要求。在實際安裝調(diào)試過程中，效果好、不漏油。

3 液壓系統(tǒng)的特點

(1)采用電液比例溢流閥控制系統(tǒng)壓力和卸荷

近年來，液壓工程中電液比例控制技術(shù)有較廣泛的應(yīng)用。使用電液比例控制使液壓系統(tǒng)中的壓力、流量具有智能化、柔性化，能明顯地改善液壓設(shè)備的性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。此液壓系統(tǒng)中，利用電液比例溢流閥限定系統(tǒng)最高壓力和卸荷時緩慢卸壓，這種設(shè)計既符合實驗緩慢加載的條件，也能保證油缸換向時沒有壓力沖擊，取得了很好的效果。在高壓泵2出口處設(shè)置的電液比例溢流閥，是為了保證液壓系統(tǒng)6組油缸加載時能獲得不同要求的壓力，并且能與壓力變送器聯(lián)合控制起到雙保險的作用。

(2)系統(tǒng)的超高壓控制

我國的液壓系統(tǒng)壓力常常在31.5 MPa以內(nèi)，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)壓力在不斷上升，這樣有利于設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、小型化且能推動大負載。該液壓系統(tǒng)雙泵交替供油，低壓泵在空載時供油，加載時采用超高壓 (可達90 MPa)小流量徑向柱塞油泵供油。預(yù)設(shè)的高壓為65 MPa，實際使用效果很好。

(3)系統(tǒng)不會產(chǎn)生高溫

一般地，液壓系統(tǒng)在運行時，常采用油泵不間斷工作方式、油泵出口處加裝溢流閥和遠程控制卸荷的方法，這樣仍然會導(dǎo)致油箱發(fā)熱、油溫上升。當(dāng)此液壓系統(tǒng)壓力上升到規(guī)定的高壓時，壓力變送器將壓力值反饋給計算機使高壓泵立即停止工作 (低壓泵在油缸空載運行時供油，壓力達5 MPa時停止工作)。由于高壓泵是小流量泵，其電機功率只4.5 kW，它用于加載的時間較短，即使產(chǎn)生的熱量也只是在管路和油缸中。高壓小流量泵電機功率較小，即使頻繁起動也不影響電網(wǎng)電壓。實際使用中測試油箱溫度僅在40℃。

(4)油泵加載采用變頻技術(shù)

一般地，液壓系統(tǒng)使用的油泵電機都是工頻電機，這里高壓泵使用的是變頻電機，利用不同頻率產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速繼而產(chǎn)生不同流量，從而用有限的體積產(chǎn)生高壓。油泵利用變頻技術(shù)既節(jié)能又減少熱量，獲得了很好的效果。

4 結(jié)束語

項目設(shè)計安裝完成后進行了一段時間的調(diào)試，中間主要解決漏油、油缸的邏輯動作問題。實際使用效果較好，得到了用戶的好評。

［1］成大先.機械設(shè)計手冊(液壓控制)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］李鄂民.液壓傳動與氣動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］黎啟柏.電液比例控制與數(shù)字控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.