超高壓系統的電控設計

摘要：研究超高壓系統的增壓原理，建立了系統數學模型，并在此基礎上通過仿真分析了影響系統壓力波動的主要因素。設計了超高壓系統的主電路及控制電路。通過仿真分析研究了該系統的特性與各主要參數之間的關系，對系統的推廣應用具有一定意義。
關鍵詞：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，將超高壓的水轉換為800～1 000 m／s的“水箭”，使水在瞬間成為無堅不摧的利刃，應用于切割。
水切割屬于冷態切割，直接利用加磨料水射流的動能對各種材料進行切削而達到切割目的，切割過程中無化學變化、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優點，可對傳統及其它加工方法無法或難于加工的材料進行加工。正因如此，超高壓水射流技術極具使用價值，正廣泛地被應用于航空航天、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，具有廣闊應用前景。

1 增壓原理
超高壓系統是水射流切割機的關鍵部件，可產生高達幾百MPa的水射流噴射壓力進行切割，不形成超高壓水射流就無法實現基本的切割功能。
本文形成高壓水的方法是目前國外較多的往復式增壓器方式，超高壓系統由油路和水路組成，其原理如圖1所示。水的增壓是根據液壓原理獲得的，當液壓油作用在活塞上時，活塞桿也作用在水腔里的水，假設無摩擦損耗，當水壓等于油壓乘以活塞有效面積除以活塞桿面積時，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，通過高壓溢流閥調節油的油壓，并最終實現對水壓的調節。

2 超高壓系統數學模型
根據節流口的流量方程可得換向閥的流量方程為

式中，Qf為流經電磁閥流量；Cd為換向閥閥口流量系數；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，流入低壓缸進油腔的流量連續性方程為

式中，Qg為低壓缸進油口流量；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為活塞運動速度；V1為低壓缸進油腔容積，V=(A1-A2vVpision；t為活塞運動時間；β1為液壓油的體積彈性模量；P1為低壓缸的進口壓力。
液壓油經換向閥進入低壓缸，由流量連續性方程有

式中，m1為低壓缸運動部分(活塞和活塞桿)質量；B1為阻尼系數；P為高壓缸的水壓。
高壓缸流量連續性方程為

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。