王躍樺，張躍亭，古龍輝，司少朋，祁路方

（鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450000）

1 超高壓增壓裝置設(shè)計(jì)

超壓階段，六面頂壓機(jī)普遍采用傳統(tǒng)單向增壓器或超高壓油泵[1-2]作為超壓動(dòng)力源；傳統(tǒng)單向增壓器由于增壓缸的容積有限，在超壓和補(bǔ)壓過(guò)程中隨著時(shí)間的推移，會(huì)因?yàn)樵鰤焊谆钊_(dá)到?jīng)_程極限而造成無(wú)法超壓的后果，而超高壓油泵雖然可以解決傳統(tǒng)增壓器超程問(wèn)題，但是單臺(tái)流量小，配套大型壓機(jī)需要多臺(tái)超高壓油泵，特別是保壓階段的補(bǔ)壓壓力沖擊大，對(duì)產(chǎn)品合成十分不利[3]。

針對(duì)此問(wèn)題，擬對(duì)大流量超高壓裝置進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)雙向往復(fù)式增壓器與伺服超高壓油泵，消除存在沖程極限的弊端，增大系統(tǒng)流量；擬采用適應(yīng)頻繁啟停及轉(zhuǎn)角可精確控制的伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)超高壓油泵，達(dá)到精確補(bǔ)壓的合成工藝要求。

單向增壓器通過(guò)單行程增壓方式實(shí)現(xiàn)，在回程時(shí)呈現(xiàn)非工作狀態(tài)，其增加時(shí)間由于取決于單行程增加時(shí)限，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的增加。而雙向往復(fù)式增壓器利用低壓油驅(qū)動(dòng)，采用往返式雙行程增壓，在回程時(shí)也可以增壓，有效延長(zhǎng)增壓時(shí)間。

雙向往返復(fù)式增壓器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由增壓缸、自動(dòng)換向閥及四個(gè)超高壓?jiǎn)蜗蜷y組成。自動(dòng)換向閥有效控制增壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)換向閥的下位接入系統(tǒng)時(shí)，油源給油并經(jīng)過(guò)P 口進(jìn)入增壓缸上側(cè)大腔，并通過(guò)單向閥Ⅰ流入增壓缸上側(cè)小腔，產(chǎn)生向下的推力，其有效作用面積為增壓缸上側(cè)大腔截面積，此力驅(qū)動(dòng)活塞下移。當(dāng)增壓缸下移時(shí)，增壓缸下側(cè)大腔通過(guò)自動(dòng)換向閥與T 口相通，流回油箱，使下側(cè)大腔處于泄荷狀態(tài)。當(dāng)增壓缸處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，不計(jì)摩擦力增壓缸下側(cè)小腔壓力對(duì)活塞所產(chǎn)生的推力與上側(cè)壓力平衡，其平衡方程為：

圖1 雙向往返復(fù)式增壓器結(jié)構(gòu)圖

式（1）中：PA為增壓器的進(jìn)口壓力；A1為增壓缸大腔截面積；P為增壓器的出口壓力；A2為增壓缸小腔截面積。

因此，增壓器的增壓比計(jì)算公式為：P/PA=A1/A2。當(dāng)自動(dòng)換向閥的上位接入系統(tǒng)活塞上移，其原理與下位接入系統(tǒng)原理一致。

2 超高壓壓力精確控制電控技術(shù)研究

2.1 壓力控制儀

在壓力控制儀設(shè)置方面，可以將10 條具有典型性、參考度高的控制曲線進(jìn)行編號(hào)并存儲(chǔ)，這樣在實(shí)際運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)際情況方便快捷的進(jìn)行調(diào)用。這10 條曲線中每一條曲線都設(shè)定10段最小時(shí)間分度為0.1分、最大設(shè)定時(shí)長(zhǎng)為999.9分的程序段，每一個(gè)程序段都對(duì)應(yīng)曲線的不同斜率。并且這10 條曲線相鄰的兩條還可以進(jìn)行首尾鏈接，最長(zhǎng)可以將10條曲線鏈接在一起形成一條擁有100 段不同斜率程序段的超級(jí)曲線。

另外為了提高控制系統(tǒng)反應(yīng)速率，從壓力信號(hào)反饋輸入到控制調(diào)節(jié)輸出整個(gè)完整周期僅需0.2 s。在傳統(tǒng)的PID 控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，因?yàn)镻、I、D 各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定是固定的，那么必然會(huì)存在反應(yīng)時(shí)間與超調(diào)量控制二者不可兼得問(wèn)題。所以在做六面頂壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)時(shí)，打破常規(guī)采用兩段PID調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，其中一段PID 控制程序用于快速升壓段工況，另一段PID 程序用于保壓或緩慢升壓段工況。再具體運(yùn)行中，系統(tǒng)判定在快速升壓工況時(shí)，Ib 口輸出油泵供油電磁閥打開(kāi)指令，高壓油泵處于四柱塞全速泵油狀態(tài)，控制系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)PID 控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，DA 口輸出變頻器偏差調(diào)節(jié)信號(hào)，此時(shí)超高壓油泵可以根據(jù)設(shè)定曲線進(jìn)行最大輸出，完成快速升壓。

2.2 多級(jí)節(jié)流閥

節(jié)氣門(mén)按形成液體阻力的原理分為三種基本類型：薄壁小孔節(jié)流、狹長(zhǎng)孔板節(jié)流和兩者之間的節(jié)流。薄壁小孔是指孔徑d大于孔長(zhǎng)兩倍的小孔。通過(guò)薄壁小孔的流速與前后壓差的關(guān)系為：

式（2）中：CQ為共流系數(shù)，當(dāng)液體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，薄壁小孔的流量系數(shù)基本上獨(dú)立于雷諾數(shù)Re，可以視作常數(shù)，即不依賴于油粘度的變化，又不跟隨油溫的變化而改變，這對(duì)于六面頂壓機(jī)的壓力控制系統(tǒng)至關(guān)重要；A為薄壁小孔的通流面積；ρ為油液密度，值為880 kg/m3；ΔP為壓差。其中多級(jí)節(jié)流閥采用層壓式的薄壁小孔實(shí)現(xiàn)節(jié)流功能。

變頻器控制電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)范圍為4～50 Hz，六面頂油泵電機(jī)屬于6 級(jí)電機(jī)，設(shè)置的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，變頻轉(zhuǎn)速范圍為80～1 000 r/min，超高壓油泵的輸出范圍為190～2 400 mL/min，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)定，六面頂壓機(jī)液壓系統(tǒng)在油液減少20 mL 時(shí)，壓機(jī)壓力增加或減少1 MPa。

當(dāng)六面頂壓機(jī)壓力為30 MPa 時(shí)，多級(jí)節(jié)流閥卸壓最小流量計(jì)算為：

當(dāng)壓機(jī)卸壓時(shí)，單片截留片的壓降計(jì)算公式為：

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算，供油量由壓力程序控制的最大值為2 118 mL/min；最小值為190 mL/min，由此可以得到本文設(shè)計(jì)的壓力控制系統(tǒng)參數(shù)滿足實(shí)際所需。

2.3 動(dòng)態(tài)保壓測(cè)試

按照本文所設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行試驗(yàn)，得到如圖2 所示的壓力測(cè)控曲線。由圖2 可知，系統(tǒng)保壓階段，在設(shè)定壓力處測(cè)量壓機(jī)壓力，壓力偏差都在±0.1 MPa 以下。

圖2 壓力測(cè)控曲線

經(jīng)過(guò)24 h 監(jiān)控，保壓過(guò)程中設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)得到的壓力偏差始終不大于0.1 MPa，保壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 24 h 保壓實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目擬利用自研的超高壓增壓、卸壓裝置，結(jié)合高精度壓力變送器、驅(qū)動(dòng)器、控制器等構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)超高壓壓力實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。針對(duì)各階段工藝特點(diǎn)，開(kāi)展壓力分段控制算法研究，通過(guò)優(yōu)化控制算法，開(kāi)發(fā)適應(yīng)不同合成工藝的電控系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)需要。