基于电液比例控制的围岩加载超高压液压系统的研制

2015-02-24袁帮谊潘露

机床与液压 2015年22期

关键词：比例控制电液变送器

袁帮谊，潘露

(安徽机电职业技术学院机械工程系，安徽芜湖 241000)

某煤矿科学研究院对围岩加载设备的超高压液压系统提出的设计要求:

(1)液压系统额定工作压力不小于65 MPa;

(2)所有加载油缸在加载压头抵达受压件后工作行程不短于100 mm;

(3)各加载油缸须加载波均匀，相互波动幅度小于5%;

(4)装置工作环境地温度－10～60℃;

(5)液压系统须具备自动与手动调压功能;

(6)各加载油缸同时工作从启动到加载额定工作载荷时间40 min左右;

(7)系统须具备保压功能，保压时间为7天，保压期间压力波动幅度小于5%;

(8)制造的液压加载油缸须满足与之安装的围压装置配合要求;

(9)液压加载与控制装置采用计算机控制和数显;

(10)各组 (共分为6组，其中5组为12个油缸/组，另一组为4个油缸)加载油缸具备压力显示功能和分组控制功能。

1 液压系统设计

通过对以上设计要求的分析并与对方进行必要的沟通，对该设备的测试用途、性能要求要完全明晰。

该液压系统分为6组加载油缸，其中5组为12个油缸/组，另一组为4个油缸，要求对每组油缸能进行分组控制，即6个组别中，某一组或几组保压另外一组加载，每组加载的载荷可以大小不等;每组12个油缸工作时无需完全同步;关键是要能够实现有效、稳定可靠地保压。

基于上述的控制要求，采用变频电机带动液压泵和电液比例控制技术来实现用户的性能要求，见图1。

从原理图中可以看出，6组控制装置是完全独立的。它可以实现如下工作方式:(1)其中的一组工作，其余可以不工作，并不影响;(2)可以6组中某几组同时工作，其余的不工作也不互相影响;(3)可以6组同时对被试件进行加载 (但不能完全同步，因为没有这一项要求);(4)无论哪组工作，它的工作压力即加载载荷可以大小不等，因为某一组的工作压力可以由变频电机带动油泵根据输入不同的频率来确定。

图1 围岩加载液压系统原理图

系统工作过程，将被测的直径1 m、长6 m(也可以小于6 m)的圆柱形混凝土构件放入装置内，将装置上盖盖好，再将液压管路连接完整，见图2—3。

图2 围岩加载装置 (含64只油缸及管路)

图3 液压系统中的集成块组件及管路连接

启动叶片油泵，给定电液比例溢流阀电信号控制压力为5 MPa，使工作组别的油缸无杆腔进油，当活塞杆端部的压头碰触到试件时，液压力开始上升，直到5 MPa，通过压力变送器和比例溢流阀给出信号停止叶片泵1工作，超高压油泵2接着开启，它的任务是向油缸无杆腔加压，直到预先设定的高压时，超高压电磁换向阀失电，油泵2停止工作。这个设定的高压是由压力变送器反馈控制和油泵2出口处的电液比例溢流阀设定。此时液压系统处于保压状态 (液控单向阀保压)。按照系统的工作要求，接下来将是长时间的保压，测试人员观察试件的力学状态，并将检测数据显示在监控屏幕上。在长时间的保压过程中，如果系统压力下降，通过压力变送器检测到信号，则系统自动重新启动超高压油泵2向油缸补油加载。

试验结束时，先使得电液比例溢流阀通并限制开口量对油缸的无杆腔进行卸荷，然后再进行电磁阀换向，这样可以避免电磁阀换向时产生的压力冲击对系统造成不良影响。换向后，工作油缸的活塞杆可以保持在主观规定的控制位置，受液控单向阀的控制不发生移位。这样整个测试过程结束。

2 液压系统的相关结构设计

从原理图中可以看出，控制元件主要有电液比例溢流阀、超高压电磁换向阀、液控单向阀、压力变送器和压力表 (辅助元件)。进行结构设计时，把液压阀通过集成块装在一起，这样可简化管路连接，同时也美观;把压力变送器、压力表单独装在一组，便于操作观察压力表，这样布置结构合理适用。

集成块采用45号钢锻造调质处理，这样能够满足系统超高压要求。集成块上的工艺堵头孔经堵塞后再将堵头一并焊接，这样确保不漏油，实际使用效果很好。

系统中的管接头采用H型标准卡套式管接头、管路采用冷拔精密无缝钢管这样保证了系统承受超高压的要求。在实际安装调试过程中，效果好、不漏油。

3 液压系统的特点

(1)采用电液比例溢流阀控制系统压力和卸荷

近年来，液压工程中电液比例控制技术有较广泛的应用。使用电液比例控制使液压系统中的压力、流量具有智能化、柔性化，能明显地改善液压设备的性能，提高产品的质量。此液压系统中，利用电液比例溢流阀限定系统最高压力和卸荷时缓慢卸压，这种设计既符合实验缓慢加载的条件，也能保证油缸换向时没有压力冲击，取得了很好的效果。在高压泵2出口处设置的电液比例溢流阀，是为了保证液压系统6组油缸加载时能获得不同要求的压力，并且能与压力变送器联合控制起到双保险的作用。

(2)系统的超高压控制

我国的液压系统压力常常在31.5 MPa以内，随着工程技术的发展，液压系统压力在不断上升，这样有利于设备结构紧凑、小型化且能推动大负载。该液压系统双泵交替供油，低压泵在空载时供油，加载时采用超高压 (可达90 MPa)小流量径向柱塞油泵供油。预设的高压为65 MPa，实际使用效果很好。

(3)系统不会产生高温

一般地，液压系统在运行时，常采用油泵不间断工作方式、油泵出口处加装溢流阀和远程控制卸荷的方法，这样仍然会导致油箱发热、油温上升。当此液压系统压力上升到规定的高压时，压力变送器将压力值反馈给计算机使高压泵立即停止工作 (低压泵在油缸空载运行时供油，压力达5 MPa时停止工作)。由于高压泵是小流量泵，其电机功率只4.5 kW，它用于加载的时间较短，即使产生的热量也只是在管路和油缸中。高压小流量泵电机功率较小，即使频繁起动也不影响电网电压。实际使用中测试油箱温度仅在40℃。

(4)油泵加载采用变频技术

一般地，液压系统使用的油泵电机都是工频电机，这里高压泵使用的是变频电机，利用不同频率产生不同转速继而产生不同流量，从而用有限的体积产生高压。油泵利用变频技术既节能又减少热量，获得了很好的效果。