液壓驅動往復增壓器射流系統壓力流量穩定性分析

, (.武漢科技大學 機械自動化學院， 湖北 武漢　43008； 2.武漢鋼鐵(集團)公司研究院 中試工廠， 湖北 武漢　430080)

引言

新型材料的不斷涌現，給制造業注入了新的活力，但也對加工制造提出了更高的要求。對于一些高鋼度低塑性材料的精密加工，如多晶硅、高硅鋼片、工程陶瓷和鈦合金等，傳統的加工方法已經難以勝任，這就使得新型加工技術如磨料水射流應運而生[1,2]。

水射流系統一般利用增壓器產生高壓水，目前通常采用兩種形式增壓：一種是超高壓柱塞泵，另一種是液壓增壓器[3]。高壓柱塞泵多用于200 MPa以下壓力，增壓器的多用于200～400 MPa壓力。雙作用式增壓器有兩個柱塞，排出動力的連續性表現為壓力的波動或脈動。超高壓系統壓力流量的穩定性直接影響切割質量和精度，磨料射流切割系統增壓器換向一般采用電磁換向閥，若想得到理想的切割效果，系統壓力-流量穩定性有待研究。

1　系統原理組成

液壓驅動往復增壓器水射流系統組成如圖1所示，主要包括油壓系統、增壓器、給水系統、蓄能器、噴嘴等。低壓油通過電液換向閥進入增壓器低壓腔的一側，推動活塞體運動，連接在活塞上的高壓柱塞將高壓缸內的水推出；在增壓器高壓柱塞另一側，水經過進水單向閥送入高壓缸內。此時，油壓乘以活塞橫截面積等于水壓乘以柱塞橫截面積，即水壓與油壓的比值等于活塞橫截面積與柱塞橫截面積之比，其比值固定，通過電磁溢流閥控制油壓就可調節水壓，高壓缸內水壓最大可達450 MPa。高壓水經出水單向閥并在蓄能器穩壓作用后，通過噴嘴小孔形成高速度水射流，這種高速射流的動能和部分壓力能可用于切割材料。

1.油箱　2.油泵　3.過濾器　4.壓力表　5.電磁溢流閥 6.電液換向閥　7.增壓器　8.進水單向閥　9.出水單向閥 10.溢流閥　11.水泵　12.水箱　13.蓄能器　14.截止閥　15.噴嘴

2　增壓器壓力流量特性

水射流系統是雙作用增壓器系統，增壓器結構如圖2所示，主要包括低壓活塞、高壓柱塞及高低壓缸體等，通過交替向低壓缸的兩側輸入壓力油，實現活塞推動高壓柱塞往復運動。忽略系統輸出壓力及單向閥對活塞運動的影響，根據牛頓第二定理，增壓缸的力平衡方程為：

(1)

1.水口　2.高壓缸體　3.高壓柱塞　4.高壓缸法蘭 5.低壓缸法蘭　6.油口　7.低壓活塞　8.低壓缸體　9.換向傳感器

忽略管道容積的影響，低壓缸體進油及高壓體出水的流量連續方程分別為：

(2)

(3)

式中：p0為低壓缸體油壓力；p為高壓缸體水壓力；A1為活塞面積；A2為柱塞面積;B為阻尼系數；m為增壓缸活塞和柱塞桿總質量；vp為活塞運動速度；q0為低壓缸體進油流量；q為高壓缸體出水流量；t為活塞運動時間；l為柱塞行程；β1為液壓油體積彈性模量；β2為水體積彈性模量。

在高壓缸活塞吸排水階段，要經過開始壓縮、排水、開始返回和吸水4個過程，一個工作周期活塞往復運動一次。其一端柱塞運動循環過程如圖3所示，在圖3a開始壓縮階段，缸體內充滿水，排水單向閥和進水單向閥均處于關閉狀態，隨著柱塞向左運動減少缸體容積，缸體內壓力開始升高；當壓力超過蓄能器壓力pmax后，排水單向閥被打開，高壓水保持一定壓力排出，圖3b所示；當柱塞至行程終點開始返回，圖3c所示，缸體內壓力降低，排水單向閥關閉；當缸體內壓力低于進水壓pmin時，進水單向閥開啟，缸體隨柱塞的返回重新充滿水，如圖3d所示。

圖3　增壓缸工作過程

假設增壓缸不存在泄漏，根據pM=ρRT，其中p表示壓強、M為摩爾質量，ρ為密度、T為絕對溫度、R為常數。但是在超高壓(p≥400 MPa)作用下水的體積壓縮較為明顯，壓力p、水密度ρ之間關系是：

ρ=ρ0exp(p/β2)

(4)

式中： 初始密度ρ0=1.0×103kg/m3。因此，在理想同溫同體積時，水的體積體積彈性模量不可以忽略不計，增壓器在低壓油系統作用下，按一定頻率規則實現左、右高壓缸的吸排水循環，由于液壓活塞等元件質量的慣性特性，換向閥按一定的曲線控制高壓缸柱塞往復運動時，高壓柱塞完成一次排水過程要經歷加速、勻速、減速和停留4個階段[4]，假設往高壓柱塞在加速和減速階段均做等加速和等減速運動，以階躍控制信號為例，其運動曲線如圖4所示。

圖4　柱塞運動速度曲線圖

往復式增壓器在運行時左右兩側高壓腔內的壓力相位始終相差180°，電磁換向閥在換向階段，其輸出流量為零，由式(2)～式(4)，可得系統的理想輸出流量曲線如圖5所示，活塞速度從定值到零，再從零到定值的過程中，增壓器輸出流量降為零，使得系統輸出流量發生較大脈動。

圖5　增壓泵的理想輸出流量曲線

這里定義壓力波動率為ηp，流量波動率為ηq，則：

(5)

(6)

式中：pmax為最大壓力；pmin為最小壓力；pmean為壓力均值；Qmax為最大流量；Qmin為最小流量；Qmean為流量均值。

3　建立AMESim系統仿真模型

AMESim是一種液壓、機械系統建模、仿真及動力學分析軟件[5]。基于AMESim建立往復增壓系統模型如圖6所示，包括油泵組、水泵組、電磁換向閥、溢流閥、增壓泵組、止回閥和噴嘴等模塊。其中增壓泵組、蓄能器為特定元件，采用HCD庫搭建了元件子模型。往復泵分為高壓腔、低壓腔、質量塊、活塞桿等模塊，泵組數量可以根據仿真需要調整，這里設置2組增壓泵；由于蓄能器一般選用高強鋼材料制作，其彈性模量大于206 GPa，工作過程中的彈性變形可以忽略不計，可通過液壓腔進行建模仿真。系統主要仿真參數設置如表1所示。

圖6　AMESim仿真模型

表1　系統主要仿真參數

4　仿真與結果分析

對于往復增壓系統來說，蓄能器能補償壓降和穩定壓力，換向閥運動規律決定往復增壓器輸出流量及壓力，輸出流量大小與增壓器數量及活塞運動速度密切相關[6,7]，由此可見，蓄能器容積大小、換向閥工作頻率規則和噴嘴數量多少等成為限制整個液壓系統壓力和流量穩定性的主要因素。

4.1　蓄能器容積對系統壓力流量脈動的影響

蓄能器是液壓系統中的一種能量儲蓄裝置[8]，蓄能器可吸收增壓器柱塞瞬間產生的液壓沖擊力，并為噴嘴持續不斷供水提供保障。此時，圖6所示仿真模型中只開啟一組增壓泵和一組噴嘴，系統工作壓力為420 MPa，圖7、圖8分別是無蓄能器、蓄能器容積為1.5 L、3.5 L、5 L時的系統輸出壓力、流量仿真曲線。可見，帶有蓄能器比不帶蓄能器系統輸出壓力和流量較穩定，并且隨著蓄能器容積的增大，往復泵的輸出壓力流量脈動在減小。不過，容積過大，設備制造成本及系統開機響應時間會增加，這里選用3.5 L蓄能器。

圖7　系統壓力仿真曲線

圖8　系統流量仿真曲線

4.2　增壓泵運動伺服控制對系統壓力流量脈動的影響

液壓閥等液壓元件的固有頻率遠遠大于液壓系統諧振頻率[9]，液壓閥的控制方式是影響系統壓力流量波動的主要因素。若采用兩組增壓器同時工作，保證一個柱塞的減速和停留階段剛好是另一個柱塞的加速和恒速階段，且兩柱塞的速度和加速度值相等，可使輸出流量疊加，以減小流量脈動，雙增壓器組往復運動速度控制分別如圖9中曲線1、2所示。采用此種控制方式，須將液壓電磁換向閥更換為伺服閥。當蓄能器容積為3.5 L時，系統流量壓力、流量仿真數據如表2、表3所示，壓力流量波動率可控制在5%以內，達到穩壓目的。

表2　雙增壓器壓力仿真數據表

表3　雙增壓器流量仿真數據

4.3　輸出流量對系統壓力流量脈動的影響

為提高工作效率，系統可采用雙噴嘴或多噴嘴同時切割，系統輸出流量增大。雙增壓器、單噴嘴與雙增壓器、雙噴嘴切割的壓力、流量仿真數據如表4、表5所示，此數據與實驗數據基本一致。雙噴嘴切割時，系統流量增大近一倍，壓力會降低至75%左右，但壓力、流量波動率基本不變，也就是說系統壓力、流量穩定性不受切割噴嘴數量影響。此數據與實驗數據基本一致。

表4　壓力波動比較

表5　流量波動比較

圖9　雙增壓器柱塞運動速度控制曲線

表6　切割壓力、流量數據

5　切割試驗

根據系統壓力流量穩定性影響因素的仿真參數，利用水射流切割設備進行了切割實驗，實驗條件：噴嘴口徑為0.3 mm，設定切割水壓430 MPa，磨料為粒度為80目石榴砂，質量分數為45%，靶距3～5 mm，切割速度3 mm/s，噴嘴與靶物表面垂直打擊，切割靶物為厚度12 mm抗拉強度1200 MPa級結構鋼件。

表6是系統無蓄能器、蓄能器容積為3.5 L、采用雙增壓器控制及雙噴嘴切割時的壓力、流量數據。設定系統工作壓力430 MPa，當不帶蓄能器時，系統壓力波動范圍在402.17～454.94 MPa，波動率達12.32%，切割斷面呈現犁溝狀, 如圖10a；蓄能器容積3.5 L時，切割斷面有所改善，如圖10b所示；系統安裝蓄能器并采用雙泵組伺服控制時，壓力波動率是5.79%，切割斷面質量明顯改善，切邊質量較好，切口表面的光潔度達1.6 μm ，切割精度達±0.10 mm，可用于精密成形切割，如圖10c；采用雙切割頭后可提高生產效率，但系統流量增大，實際壓力在314.59 MPa左右，達不到調定的430 MPa壓力值，產生較大壓降，影響切割質量，切割斷面如圖10d，切割斷面質量與系統工作壓力及壓力波動率密切相關。

圖10　切割斷面質量

6　結論

結合液壓驅動往復泵水射流系統組成和增壓器工作過程，建立了基于AMESim的仿真模型，通過仿真與切割實驗，得出以下結論：

(1) 液壓驅動往復增壓器射流系統壓力流量脈動隨蓄能器增大而減小，配置3.5 L蓄能器的雙組增壓器采用伺服控制后，壓力波動可控制在5%以內；

(2) 系統采用雙噴嘴切割時，系統流量增大近一倍，壓力會降低25%左右，但是壓力、流量波動率不受切割噴嘴數量影響；

(3) 壓力、流量波動率越小切割質量越好，但是在流量穩定性一致的情況下，壓力越高切割質量越好。

參考文獻：

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[4]王新華,王建新,齊明俠.液壓驅動往復泵活塞運動特性分析[J].石油機械,2002,(5)：23-26.

[5]IMAGINE.AMESim軟件簡介[EB/OL].http://www.lmschina.com/imagine/fluids-systems.

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[7]董慶華.數控高壓水射流切割機的研究與設計[D].合肥：合肥工業大學，2007.

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[9]Yu Yang, Shi Bo-qiang,Hou You-shan.Analysis on Stability of Hydraulic Servo Systems Affected by Structure Stiffness[J].Transactions of the CSAE,2011,27(Supp.2):32-35.