超高壓壓力動態精準控制系統開發＊

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 超高壓增壓裝置設計

超壓階段，六面頂壓機普遍采用傳統單向增壓器或超高壓油泵[1-2]作為超壓動力源；傳統單向增壓器由于增壓缸的容積有限，在超壓和補壓過程中隨著時間的推移，會因為增壓缸活塞達到沖程極限而造成無法超壓的后果，而超高壓油泵雖然可以解決傳統增壓器超程問題，但是單臺流量小，配套大型壓機需要多臺超高壓油泵，特別是保壓階段的補壓壓力沖擊大，對產品合成十分不利[3]。

針對此問題，擬對大流量超高壓裝置進行研究，并開發雙向往復式增壓器與伺服超高壓油泵，消除存在沖程極限的弊端，增大系統流量；擬采用適應頻繁啟停及轉角可精確控制的伺服電機來驅動超高壓油泵，達到精確補壓的合成工藝要求。

單向增壓器通過單行程增壓方式實現，在回程時呈現非工作狀態，其增加時間由于取決于單行程增加時限，不能實現長時間的增加。而雙向往復式增壓器利用低壓油驅動，采用往返式雙行程增壓，在回程時也可以增壓，有效延長增壓時間。

雙向往返復式增壓器結構如圖1 所示，主要由增壓缸、自動換向閥及四個超高壓單向閥組成。自動換向閥有效控制增壓缸的往復運動，當自動換向閥的下位接入系統時，油源給油并經過P 口進入增壓缸上側大腔，并通過單向閥Ⅰ流入增壓缸上側小腔，產生向下的推力，其有效作用面積為增壓缸上側大腔截面積，此力驅動活塞下移。當增壓缸下移時，增壓缸下側大腔通過自動換向閥與T 口相通，流回油箱，使下側大腔處于泄荷狀態。當增壓缸處于穩態時，不計摩擦力增壓缸下側小腔壓力對活塞所產生的推力與上側壓力平衡，其平衡方程為：

圖1 雙向往返復式增壓器結構圖

式（1）中：PA為增壓器的進口壓力；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，增壓器的增壓比計算公式為：P/PA=A1/A2。當自動換向閥的上位接入系統活塞上移，其原理與下位接入系統原理一致。

2 超高壓壓力精確控制電控技術研究

2.1 壓力控制儀

在壓力控制儀設置方面，可以將10 條具有典型性、參考度高的控制曲線進行編號并存儲，這樣在實際運行中可根據實際情況方便快捷的進行調用。這10 條曲線中每一條曲線都設定10段最小時間分度為0.1分、最大設定時長為999.9分的程序段，每一個程序段都對應曲線的不同斜率。并且這10 條曲線相鄰的兩條還可以進行首尾鏈接，最長可以將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曲線。

另外為了提高控制系統反應速率，從壓力信號反饋輸入到控制調節輸出整個完整周期僅需0.2 s。在傳統的PID 控制調節系統中，因為P、I、D 各項參數的設定是固定的，那么必然會存在反應時間與超調量控制二者不可兼得問題。所以在做六面頂壓機壓力控制系統時，打破常規采用兩段PID調節相結合的方式，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。再具體運行中，系統判定在快速升壓工況時，Ib 口輸出油泵供油電磁閥打開指令，高壓油泵處于四柱塞全速泵油狀態，控制系統調用相應PID 控制程序進行調節控制，DA 口輸出變頻器偏差調節信號，此時超高壓油泵可以根據設定曲線進行最大輸出，完成快速升壓。

2.2 多級節流閥

節氣門按形成液體阻力的原理分為三種基本類型：薄壁小孔節流、狹長孔板節流和兩者之間的節流。薄壁小孔是指孔徑d大于孔長兩倍的小孔。通過薄壁小孔的流速與前后壓差的關系為：

式（2）中：CQ為共流系數，當液體流動處于湍流狀態時，薄壁小孔的流量系數基本上獨立于雷諾數Re，可以視作常數，即不依賴于油粘度的變化，又不跟隨油溫的變化而改變，這對于六面頂壓機的壓力控制系統至關重要；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。其中多級節流閥采用層壓式的薄壁小孔實現節流功能。

變頻器控制電機的頻率調節范圍為4～50 Hz，六面頂油泵電機屬于6 級電機，設置的額定轉速為1 000 r/min，變頻轉速范圍為80～1 000 r/min，超高壓油泵的輸出范圍為190～2 400 mL/min，經過實際測定，六面頂壓機液壓系統在油液減少20 mL 時，壓機壓力增加或減少1 MPa。

當六面頂壓機壓力為30 MPa 時，多級節流閥卸壓最小流量計算為：

當壓機卸壓時，單片截留片的壓降計算公式為：

根據相關公式計算，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計的壓力控制系統參數滿足實際所需。

2.3 動態保壓測試

按照本文所設計的裝置進行試驗，得到如圖2 所示的壓力測控曲線。由圖2 可知，系統保壓階段，在設定壓力處測量壓機壓力，壓力偏差都在±0.1 MPa 以下。

圖2 壓力測控曲線

經過24 h 監控，保壓過程中設備正常運轉，檢測得到的壓力偏差始終不大于0.1 MPa，保壓實驗結果如圖3 所示。

圖3 24 h 保壓實驗

3 結語

本項目擬利用自研的超高壓增壓、卸壓裝置，結合高精度壓力變送器、驅動器、控制器等構成壓力閉環控制系統，對超高壓壓力實施動態控制。針對各階段工藝特點，開展壓力分段控制算法研究，通過優化控制算法，開發適應不同合成工藝的電控系統，以滿足生產需要。