基于电液比例控制的围岩加载超高压液压系统的研制

２０１５年１１月第４３卷第２２期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＮｏｖ􀆰２０１５Ｖｏｌ􀆰４３Ｎｏ􀆰２２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１５􀆰２２􀆰０３８收稿日期：２０１４－１０－１６基金项目：安徽高校省级自然科学研究项目（ＫＪ２０１３Ｚ０３２）作者简介：袁帮谊（１９６３—），男，工学学士，讲师，工程师，主要从事液压与气动教学与科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ａｈｊｄｊｘｘｙｂｙ＠１２６􀆰ｃｏｍ。基于电液比例控制的围岩加载超高压液压系统的研制袁帮谊，潘露（安徽机电职业技术学院机械工程系，安徽芜湖２４１０００）摘要：为了满足某煤矿科研单位测试围岩混凝土桩柱的承载能力并记录其力学性能数据的要求，专门研制一台围岩加载试验测试设备。该设备能测定长６０００ｍｍ、最大直径１４００ｍｍ的圆筒状围岩混凝土，以便研究煤矿巷道或隧道围岩混凝土的力学性能。测试时采取液压缓慢连续加载的方式。关键词：变频控制；电液比例控制；液压加载；超高压液压系统中图分类号：ＴＧ５０２　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１５）２２－１１３－３ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＳｕｐｅｒＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＲｏｃｋＬｏａｄｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＥｌｅｃｔｒｏ⁃ｈｙｄｒａｕｌｉｃＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＣｏｎｔｒｏｌＹＵＡＮＢａｎｇｙｉ，ＰＡＮＬｕ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＡｎｈｕｉＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈｕＡｎｈｕｉ２４１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｍｉｎｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｕｎｉｔｔｈａｔｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｈｏｕｌｄｂｅｔｅｓｔｅｄａｎｄｄａｔａｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｃｏｒｄｅｄ，ａｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｒｏｃｋｍａｓｓｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈ６０００ｍｍｌｅｎｇｔｈ，１４００ｍｍｄｉａｍｅｔｅｒｔｏｓｔｕｄｙｍｅｃｈａｎｉｃｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｏｒｔｕｎｎｅｌｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ．Ｔｅｓｔｌｏａｄｗａｓｌｏａｄｅｄｂｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｌｏｗｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｏａｄｉｎｇｗａｙｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ；Ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ；Ｓｕｐｅｒｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ　　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６５ＭＰａ；（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１００ｍｍ；（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４０ｍｉｎ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１ｍ、长６ｍ（也可以小于６ｍ）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５ＭＰａ，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５ＭＰａ，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。·４１１·机床与液压第４３卷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􀆰５ＭＰａ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９０ＭＰａ）小流量径向柱塞油泵供油。预设的高压为６５ＭＰａ，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５ＭＰａ时停止工作）。由于高压泵是小流量泵，其电机功率只４􀆰５ｋＷ，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。４　结束语项目设计安装完成后进行了一段时间的调试，中间主要解决漏油、油缸的逻辑动作问题。实际使用效果较好，得到了用户的好评。参考文献：［１］成大先．机械设计手册（液压控制）［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．［２］李鄂民．液压传动与气动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７．［３］黎启柏．电液比例控制与数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７．（上接第４１页）３􀆰５　实施模型、参数修正与建模意义刚才的模型只是从原点“１”出发所进行的１０个数据采样后所形成的数学模型，这是一种理想状态，根据需要，这里还可以从其他规定点“８”和“１６”出发继续进行模型的实施，甚至可以从其他任意位置开始数据搜索，其模型的结构是一样的，即是３次型曲线，但是常数部分会有一定的差别，这也是模型修正的一部分。数学建模的意义在于通过比较少的试验次数可以获得较多的过程信息，据此可以进一步发现刀盘中一些隐匿比较深的故障点。４　结束语目前，机械故障诊断［８］正在由单过程、单故障和渐发性故障的排查发展到多过程、多故障和突发性故障的智能检测。一方面，将刀库从加工中心信号端隔离开来并且接入到专用测试台，这样可以对刀库进行专门的测试，其优点是对原加工中心设备没有附加影响；另一方面，通过测试台对刀库发出各类动作指令或接受刀库发回的状态信号，这对于刀库机构调整环节是非常重要和有效的。刀库测试台的研究、设计和应用过程都充分汲取了现场工作人员的集体智慧，为某学院数控机床维修中心更好地开展刀库设备的专业测试、调整和机床维修提供了很好的技术支持。参考文献：［１］陈泽南．圆盘式刀库控制方法的应用及分析［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（４）：２８－２９．［２］葛甜，李春梅，冯虎田，等．盘式刀库及机械手可靠性增长试验方法研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１２（１１）：１２．［３］华红芳，邹晔，严勇，等．圆盘式刀库加工中心随机换刀系统的研究［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（１８）：２６－２７．［４］朱文艺，张庆乐．数控加工中心自动换刀机构动作过程及控制原理研究［Ｊ］．武汉工程职业技术学院学报，２００９，２１（１）：６－７．［５］赖思琦，黄恒．基于ＦＡＮＵＣ０ｉ系统的加工中心刀库控制［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０（１６）：９４－９５．［６］杨林，李笑，李传军．基于ＰＬＣ的液压多路阀试验台设计［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（４）：７６－７７．［７］ＧＩＯＲＤＡＮＯＦｒａｎｋＲ，ＦＯＸＷｉｌｌｉａｎＰ，ＨＯＲＴＯＮＳｔｅｖｅｎＢ．数学建模［Ｍ］．叶其孝，姜启源，等译．北京：机械工业出版社，２０１０．［８］赵永满，梅卫江，吴疆，等．机械故障诊断技术发展及趋势分析［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（１０）：２５５－２５６．·５１１·第２２期袁帮谊等：基于电液比例控制的围岩加载超高压液压系统的研制