基于電液比例控制的圍巖加載超高壓液壓系統(tǒng)的研制

袁幫誼，潘露

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

某煤礦科學(xué)研究院對(duì)圍巖加載設(shè)備的超高壓液壓系統(tǒng)提出的設(shè)計(jì)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(dá)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(dòng)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(dòng)與手動(dòng)調(diào)壓功能;

(6)各加載油缸同時(shí)工作從啟動(dòng)到加載額定工作載荷時(shí)間40 min左右;

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

(8)制造的液壓加載油缸須滿(mǎn)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(jì)算機(jī)控制和數(shù)顯;

(10)各組 (共分為6組，其中5組為12個(gè)油缸/組，另一組為4個(gè)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(jì)

通過(guò)對(duì)以上設(shè)計(jì)要求的分析并與對(duì)方進(jìn)行必要的溝通，對(duì)該設(shè)備的測(cè)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(gè)油缸/組，另一組為4個(gè)油缸，要求對(duì)每組油缸能進(jìn)行分組控制，即6個(gè)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(gè)油缸工作時(shí)無(wú)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(jī)帶動(dòng)液壓泵和電液比例控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的性能要求，見(jiàn)圖1。

從原理圖中可以看出，6組控制裝置是完全獨(dú)立的。它可以實(shí)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(shí)工作，其余的不工作也不互相影響;(3)可以6組同時(shí)對(duì)被試件進(jìn)行加載 (但不能完全同步，因?yàn)闆](méi)有這一項(xiàng)要求);(4)無(wú)論哪組工作，它的工作壓力即加載載荷可以大小不等，因?yàn)槟骋唤M的工作壓力可以由變頻電機(jī)帶動(dòng)油泵根據(jù)輸入不同的頻率來(lái)確定。

圖1 圍巖加載液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作過(guò)程，將被測(cè)的直徑1 m、長(zhǎng)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(jiàn)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(dòng)葉片油泵，給定電液比例溢流閥電信號(hào)控制壓力為5 MPa，使工作組別的油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，當(dāng)活塞桿端部的壓頭碰觸到試件時(shí)，液壓力開(kāi)始上升，直到5 MPa，通過(guò)壓力變送器和比例溢流閥給出信號(hào)停止葉片泵1工作，超高壓油泵2接著開(kāi)啟，它的任務(wù)是向油缸無(wú)桿腔加壓，直到預(yù)先設(shè)定的高壓時(shí)，超高壓電磁換向閥失電，油泵2停止工作。這個(gè)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(shí)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(lái)將是長(zhǎng)時(shí)間的保壓，測(cè)試人員觀察試件的力學(xué)狀態(tài)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控屏幕上。在長(zhǎng)時(shí)間的保壓過(guò)程中，如果系統(tǒng)壓力下降，通過(guò)壓力變送器檢測(cè)到信號(hào)，則系統(tǒng)自動(dòng)重新啟動(dòng)超高壓油泵2向油缸補(bǔ)油加載。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先使得電液比例溢流閥通并限制開(kāi)口量對(duì)油缸的無(wú)桿腔進(jìn)行卸荷，然后再進(jìn)行電磁閥換向，這樣可以避免電磁閥換向時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊對(duì)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(gè)測(cè)試過(guò)程結(jié)束。

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

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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，把液壓閥通過(guò)集成塊裝在一起，這樣可簡(jiǎn)化管路連接，同時(shí)也美觀;把壓力變送器、壓力表單獨(dú)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(hào)鋼鍛造調(diào)質(zhì)處理，這樣能夠滿(mǎn)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(shí)際使用效果很好。

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

3 液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)采用電液比例溢流閥控制系統(tǒng)壓力和卸荷

近年來(lái)，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(shí)緩慢卸壓，這種設(shè)計(jì)既符合實(shí)驗(yàn)緩慢加載的條件，也能保證油缸換向時(shí)沒(méi)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(shí)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(xiǎn)的作用。

(2)系統(tǒng)的超高壓控制

我國(guó)的液壓系統(tǒng)壓力常常在31.5 MPa以?xún)?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(dòng)大負(fù)載。該液壓系統(tǒng)雙泵交替供油，低壓泵在空載時(shí)供油，加載時(shí)采用超高壓 (可達(dá)90 MPa)小流量徑向柱塞油泵供油。預(yù)設(shè)的高壓為65 MPa，實(shí)際使用效果很好。

(3)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生高溫

一般地，液壓系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，常采用油泵不間斷工作方式、油泵出口處加裝溢流閥和遠(yuǎn)程控制卸荷的方法，這樣仍然會(huì)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(shí)，壓力變送器將壓力值反饋給計(jì)算機(jī)使高壓泵立即停止工作 (低壓泵在油缸空載運(yùn)行時(shí)供油，壓力達(dá)5 MPa時(shí)停止工作)。由于高壓泵是小流量泵，其電機(jī)功率只4.5 kW，它用于加載的時(shí)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(jī)功率較小，即使頻繁起動(dòng)也不影響電網(wǎng)電壓。實(shí)際使用中測(cè)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(jī)都是工頻電機(jī)，這里高壓泵使用的是變頻電機(jī)，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(yǔ)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)安裝完成后進(jìn)行了一段時(shí)間的調(diào)試，中間主要解決漏油、油缸的邏輯動(dòng)作問(wèn)題。實(shí)際使用效果較好，得到了用戶(hù)的好評(píng)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(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(dòng)與氣動(dòng)［M］.北京:機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，1997.