小容腔高壓超高壓控壓系統設計

紀長新， 尚春民

（長春理工大學 機電工程學院，長春130022）

0 引言

隨著科學技術快速發展和高新技術產品的不斷涌現，對超高壓液壓元件性能要求也越來越高，液壓容腔由大型化向小型化發展，促進了對小容腔高壓超高壓技術的應用研究。一般壓力大于10MPa為高壓力，壓力大于100MPa的就是超高壓，考慮到裝置的整體空間結構盡可能滿足功率的要求，高壓超高壓技術被廣泛應用于在液壓容腔的各種裝置，其中液壓容腔的體積與液壓介質體積收縮的精確控制是現在需要解決的主要難題［1-3］。對小型輕型武器的彈膛受壓檢測過程中，彈膛就是比較小的腔體，其爆破壓力的模擬就涉及了高壓超高壓技術的應用。在海上油氣井開發中，隨著鉆井深度加深，井深達到5000 m以上時，井底壓力將超過80 MPa［4］。此種高壓情況下要求井下工具具有較好的耐壓性能和密封性能。高壓超高壓技術就是對其研究的主要方法。井下安全閥在油井和天然氣井的安全噴霧上被廣泛使用，其主要用來防止井噴的發生并起到了非常積極的作用。其中井下安全閥控制打開/關閉的工作液壓腔就是小容腔，因此液壓壓力室的壓力精確控制對保證主要控制線路和閥門正常工作是非常重要的保證。小容腔高壓和超高壓技術也被廣泛應用于汽車、生物制藥、熱軋、冶金、玻璃行業、化工生產、電力工業、煤炭開采等行業。對小容腔高壓超高壓系統研究，解決壓力控制原理和對壓力精確控制的關鍵問題對實際生產具有積極意義。

1 小容腔增壓系統設計

1.1 增壓系統設計

如圖1所示，可知整個壓力增壓系統主要由低壓液泵、高壓液泵、過濾減壓閥、電氣比例閥、電磁閥、壓力傳感器、消音器、小容腔等組成。增壓系統采用氣驅液體泵，核心設備為氣動液體增壓泵。考慮節能環保的因素，采用清水作為試壓的工作介質。利用壓縮空氣驅動一臺低壓大流量泵小容腔進行注水,另一臺高壓小流量泵對工作介質進行增壓。采用兩個高壓氣動泵，構成試驗兩級升壓結構，前一個泵實現小壓力、大流量灌注，可提高灌注效率，后一個泵實現大壓力、小流量精確控壓，保證升壓精度。

1.2 小容腔增壓過程

試驗系統采用氣動液體增壓泵作為升壓設備，其通過控制腔截面積的不同實現壓力增大，以一個相對巨大的氣動活塞在較小的壓力驅動下直接推動較小的液壓柱塞產生高壓液壓流體，對于一個氣動增壓泵而言，驅動氣源壓力與輸出液壓力成正比，并且比例是一定的。通過對驅動氣源壓力進行調整，可以對輸出液壓壓力進行無級調節。當氣壓力與液壓力平衡時，氣動增壓泵自動停止動作，輸出壓力也穩定在設定的壓力上。如果有泄漏將會導致系統壓力下降，氣動液體增壓泵自動啟動工作，進行壓力補償。通過控制氣源的進氣量，可以控制泵的動作頻率，從而控制系統的輸出流量。到達小容腔的預設壓力值。

1.3 設備布局

由于系統將產生100 MPa以上的超高壓力，存在一定危險性，為了保證操作人員的安全，防止因為高壓油泄漏而發生傷人事故，應將控制臺與增壓系統分開布置。操作控制臺放在專門的控制室內，增壓系統放在測試現場。在測試現場裝有攝像頭，可以通過控制室的監視屏實時觀察現場情況。

圖1 增壓系統原理圖

2 小容腔數學模型建立

由于液壓系統所研究對象的物理特性包含諸多非線性的影響因素，這使得對其進行數學建模和仿真分析存在較大的困難。本文通過分析小容腔內的液體體積和壓力之間的變化，建立了一種小容腔高壓超高壓數學模型。小容腔是指體積小于100 mL的腔體，為了節能環保采用水作為試壓介質。液體壓縮性在低壓作用時很小，通常在液壓工程設計中可以忽略不記。但是在高壓作用時，特別是超高壓作用下，液體的壓縮性就會顯著增大，在液壓工程設計中就必須較準確地考慮從其壓縮性。

根據液體可壓縮性公式為

式中：Δp為壓力變化量；K為液壓油體積彈性模量；ΔV代表灌入的液體體積，即實時流量；V代表總容器體積。從方程可以得知，壓力的改變是依賴于體積的變化和液體的體積模量的。

單位試驗壓力增大對應注水量增加的理論計算公式為［5］

式中：dv為增加水的量，m3；V 為試壓管道的容積，m3；dp為增加的壓力，kPa；D為管道外徑，mm；E為彈性模量，2×108Pa；t為管壁厚度，mm；ω 為泊松比，0.3；k為水性模數，2343961 kPa。

則有

從式（3）可以看出壓力的增加量與對應注水量成正比例關系。由式（1）和式（3）可以得到的小容腔中的壓力控制的理論數學模型：

3 壓力控制系統設計

控制系統采用工業控制計算機和PLC共同完成，能夠達到任意設定壓力值，并能夠自動保持壓力。壓力調節過程如圖2所示，通過壓力傳感器將實時壓力值反饋到工控機與設計壓力值進行比較，并通過PLC進行控制，實現了壓力全自動控制。

圖2 壓力調節流程圖

控制方法采用模糊PID控制，模糊控制魯棒性強，能夠達到很高的控制精度。在增壓和卸壓階段采用模糊控制，可取得很高的動態性能；保壓階段采用PID控制，能夠減小動態誤差。

4 系統測試

小容腔壓力的目標為150 MPa。產生的壓力-時間曲線如圖3所示，由初始增壓，直到壓力升至150.46 MPa，然后壓力保持階段歷40 min，壓降0.72 MPa。系統注水體積越來越大的最大可達150 MPa，壓力控制精度可達0.31%，而保壓壓力精度可達0.48%。

圖3 壓力-時間曲線

5 結論

本控壓系統可以實現高壓超高壓液體的增壓控壓，最大壓力可達150 MPa，控制系統采用工業控制計算機和PLC共同完成，能夠達到任意設定壓力值，并能夠自動保持壓力，壓力控制精度為≤±0.5%FS。

［1］ 龔清華，卜勻，王小東.液壓系統高壓技術研究［J］.沿海企業與科技，2007（1）：81-83.

［2］ 王連東，張偉，程嘉，等.普通液壓機超高壓液壓脹形集成裝置的研制［J］.儀中國機械工程，2007，18（21）：2624-2627.

［3］ 冀宏，傅新，楊華勇，等.壓力控制元件的最大可控壓力研究［J］.中國機械工程，2003，14（14）：1227-1230.

［4］ 劉清友，湛精華，黃云，等.深井、超深井高溫高壓井下工具研究［J］.天然氣工業，2005，25（10）：73-75.

［5］ 趙傳海.長輸管道水壓力試驗中幾個重要公式計算［J］.油氣田地面工程，2007，26（3）：11-13.