超高壓系統(tǒng)的電控設(shè)計(jì)

摘要：研究超高壓系統(tǒng)的增壓原理，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上通過仿真分析了影響系統(tǒng)壓力波動(dòng)的主要因素。設(shè)計(jì)了超高壓系統(tǒng)的主電路及控制電路。通過仿真分析研究了該系統(tǒng)的特性與各主要參數(shù)之間的關(guān)系，對系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有一定意義。
關(guān)鍵詞：超高壓水射流；增壓器；仿真

    所謂超高壓水射流是指將普通的水加壓至300～400 MPa，利用小孔噴射原理，將超高壓的水轉(zhuǎn)換為800～1 000 m／s的“水箭”，使水在瞬間成為無堅(jiān)不摧的利刃，應(yīng)用于切割。
    水切割屬于冷態(tài)切割，直接利用加磨料水射流的動(dòng)能對各種材料進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的，切割過程中無化學(xué)變化、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，可對傳統(tǒng)及其它加工方法無法或難于加工的材料進(jìn)行加工。正因如此，超高壓水射流技術(shù)極具使用價(jià)值，正廣泛地被應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、電子、無紡纖維、食品、造紙、制鞋成衣以及礦山、鋼鐵、建筑裝潢等各行各業(yè)，具有廣闊應(yīng)用前景。

1 增壓原理
    超高壓系統(tǒng)是水射流切割機(jī)的關(guān)鍵部件，可產(chǎn)生高達(dá)幾百M(fèi)Pa的水射流噴射壓力進(jìn)行切割，不形成超高壓水射流就無法實(shí)現(xiàn)基本的切割功能。
    本文形成高壓水的方法是目前國外較多的往復(fù)式增壓器方式，超高壓系統(tǒng)由油路和水路組成，其原理如圖1所示。水的增壓是根據(jù)液壓原理獲得的，當(dāng)液壓油作用在活塞上時(shí)，活塞桿也作用在水腔里的水，假設(shè)無摩擦損耗，當(dāng)水壓等于油壓乘以活塞有效面積除以活塞桿面積時(shí)，兩者壓力取得平衡。將活塞有效面積和活塞桿面積之比稱為“增壓比”，由于其比值固定，所以通過控制油壓就控制水壓。在增壓比一定情況下，通過高壓溢流閥調(diào)節(jié)油的油壓，并最終實(shí)現(xiàn)對水壓的調(diào)節(jié)。

2 超高壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
    根據(jù)節(jié)流口的流量方程可得換向閥的流量方程為
   
    式中，Qf為流經(jīng)電磁閥流量；Cd為換向閥閥口流量系數(shù)；ω為換向閥閥口面積梯度，ω=πDv；Dv為電磁閥閥芯凸肩直徑；為閥芯位移；ρ為液壓油密度；Ps為泵出口壓力；P1為電磁閥出口壓力。液體壓縮性方程為
   
    式中，P0為液體壓力；β0為液體體積彈性模量；V0為排水行程中液體體積。
    考慮液壓油的壓縮性，流入低壓缸進(jìn)油腔的流量連續(xù)性方程為
   
    式中，Qg為低壓缸進(jìn)油口流量；A1為活塞面積，；D1為活塞直徑；A2為活塞桿面積，；D2為活塞桿直徑；vpision為活塞運(yùn)動(dòng)速度；V1為低壓缸進(jìn)油腔容積，V=(A1-A2vVpision；t為活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間；β1為液壓油的體積彈性模量；P1為低壓缸的進(jìn)口壓力。
    液壓油經(jīng)換向閥進(jìn)入低壓缸，由流量連續(xù)性方程有
   
    式中，m1為低壓缸運(yùn)動(dòng)部分(活塞和活塞桿)質(zhì)量；B1為阻尼系數(shù)；P為高壓缸的水壓。
    高壓缸流量連續(xù)性方程為
   
    式中，Vcv為活塞桿腔體積，Vcv=(s-x)A2；s為活塞沖程長度；x為活塞位移，x=vpisiont；β2為水的體積彈性模；P為高壓缸水壓；Q2為高壓缸排出水的流量。
    設(shè)活塞從右極限位置開始工作壓縮水，輸出高壓水經(jīng)蓄能器由噴嘴射出，經(jīng)過時(shí)間t1后活塞到達(dá)左極限位置，此時(shí)換向閥換向，在換向時(shí)間t2內(nèi)蓄能器作為壓力源向噴嘴供水，換向完畢后活塞開始從左極限位運(yùn)動(dòng)到右極限位置并輸出高壓水，從而形成一個(gè)工作循環(huán)。
    當(dāng)t≤t1時(shí)，蓄能器內(nèi)流量連續(xù)性方程為
   
    當(dāng)t1<t<t1+t2時(shí)，電液換向閥換向過程中，水從蓄能器排出，其流量方程為
   
    式中，t1為活塞行程時(shí)間，；t2為電液換向閥換向時(shí)間；V為蓄能器體積；Qd為排出射流的流量，為噴嘴流量系數(shù)；A0為噴嘴截面積，，D0為寶石直徑；ρ0為水的密度。
    高壓水經(jīng)過蓄能器時(shí)，蓄能器通過彈性變形儲(chǔ)能。蓄能器膨脹過程中，其體積為
   
    式中，ε為蓄能器徑向彈性應(yīng)變，；E為蓄能器彈性模量；δ為蓄能器壁厚；D為蓄能器內(nèi)徑；S為蓄能器行程。
    噴嘴作為換能器，它將水介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)換成具有高動(dòng)能的水射流束。根據(jù)柏努利方程，水射流的出口速度方程為
   
3 基于Smulink的超高壓系統(tǒng)仿真
    根據(jù)式(1)～式(10)，利用Simulink提供可視化工具，建立Simulink仿真模型得出的仿真結(jié)果如圖2～圖3所示。

     圖2和圖3分別為不同增壓比、不同蓄能器體積時(shí)的仿真圖，由仿真圖可得不同情況下的壓力波動(dòng)量和波動(dòng)率如表1、表2所示。

    由此可見，增壓比減小則工作壓力、壓力波動(dòng)量減小，但壓力波動(dòng)率基本不變。蓄能器能起到消除壓力波動(dòng)的作用，且隨著蓄能器體積的增大，壓力波動(dòng)越來越小。仿真結(jié)果表明，為了減小超高壓發(fā)生器的壓力脈動(dòng)，獲取較穩(wěn)定的水射流出口速度，改善水射流的加工性能，以考慮采取以下措施：(1)在滿足切割條件下，采用小的增壓比有助于減小壓力脈動(dòng)率。(2)適當(dāng)增大超高壓蓄能器的容積，從而降低壓力脈
動(dòng)率。

4 超高壓系統(tǒng)的電控設(shè)計(jì)
   主電路的電氣原理圖如圖4所示。變壓器TC1根據(jù)不同設(shè)備的供電要求，將電源分為兩個(gè)不同的電壓等級(jí)，其中220 VAC電源為軟啟動(dòng)器GS1、穩(wěn)壓電源GS2、PLC、兩個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)以及過濾器水泵電機(jī)供電，24 VAC電源為中間繼電器KA1供電，24 VDC電源為高壓溢流閥、左右換向閥和繼電器模塊供電，水泵電機(jī)的電源來自主電路的變壓器一次側(cè)。合上電源開關(guān)QF1，系統(tǒng)加電，此時(shí)兩個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。

    控制電路的電氣原理圖如圖5所示。按下啟動(dòng)按鈕SB0，軟啟動(dòng)器、PLC、文本屏得電，當(dāng)在文本屏中按下油泵啟動(dòng)按鈕或有來自CNC的遠(yuǎn)程油泵啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，油泵電機(jī)控制線路接通，油泵電機(jī)軟啟動(dòng)。泵電機(jī)軟啟動(dòng)結(jié)束后，軟啟動(dòng)器的運(yùn)行輸出常開接點(diǎn)k8閉合；按下停止按鈕SB1，系統(tǒng)停止運(yùn)行；按下PLC急停按鈕SB2，PLC的控制被禁止。

    其中，PLC的輸入信號(hào)來自以下4處：(1)壓力傳感器的壓力模擬信號(hào)。(2)文本屏的輸入信號(hào)。(3)超高壓系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)及報(bào)警信號(hào)。(4)機(jī)床側(cè)的遠(yuǎn)程控制信號(hào)。
    PLC的輸出信號(hào)分為以下2處：(1)對超高壓系統(tǒng)的本地控制信號(hào)。(2)超高壓系統(tǒng)到機(jī)床側(cè)的聯(lián)調(diào)控制信號(hào)。

5 結(jié)束語
    在高速精密切割工藝中，水射流出口速度的細(xì)微變化都會(huì)在工件切割斷面留下痕跡，甚至產(chǎn)生溝槽、紋路、錐度等。此外，超高壓系統(tǒng)中壓力波動(dòng)的存在降低了系統(tǒng)零部件的使用壽命。針對此問題，本文通過仿真的方法分析研究超高壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)特性與系統(tǒng)各主要參數(shù)之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了超高壓系統(tǒng)的主電路及控制電路，通過這些研究的不斷深入，將擴(kuò)大超高壓水射流切割技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。