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。