小容腔高壓超高壓控壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)長(zhǎng)新， 尚春民

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對(duì)超高壓液壓元件性能要求也越來(lái)越高，液壓容腔由大型化向小型化發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)小容腔高壓超高壓技術(shù)的應(yīng)用研究。一般壓力大于10MPa為高壓力，壓力大于100MPa的就是超高壓，考慮到裝置的整體空間結(jié)構(gòu)盡可能滿(mǎn)足功率的要求，高壓超高壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用于在液壓容腔的各種裝置，其中液壓容腔的體積與液壓介質(zhì)體積收縮的精確控制是現(xiàn)在需要解決的主要難題［1-3］。對(duì)小型輕型武器的彈膛受壓檢測(cè)過(guò)程中，彈膛就是比較小的腔體，其爆破壓力的模擬就涉及了高壓超高壓技術(shù)的應(yīng)用。在海上油氣井開(kāi)發(fā)中，隨著鉆井深度加深，井深達(dá)到5000 m以上時(shí)，井底壓力將超過(guò)80 MPa［4］。此種高壓情況下要求井下工具具有較好的耐壓性能和密封性能。高壓超高壓技術(shù)就是對(duì)其研究的主要方法。井下安全閥在油井和天然氣井的安全噴霧上被廣泛使用，其主要用來(lái)防止井噴的發(fā)生并起到了非常積極的作用。其中井下安全閥控制打開(kāi)/關(guān)閉的工作液壓腔就是小容腔，因此液壓壓力室的壓力精確控制對(duì)保證主要控制線(xiàn)路和閥門(mén)正常工作是非常重要的保證。小容腔高壓和超高壓技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、生物制藥、熱軋、冶金、玻璃行業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工業(yè)、煤炭開(kāi)采等行業(yè)。對(duì)小容腔高壓超高壓系統(tǒng)研究，解決壓力控制原理和對(duì)壓力精確控制的關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有積極意義。

1 小容腔增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，可知整個(gè)壓力增壓系統(tǒng)主要由低壓液泵、高壓液泵、過(guò)濾減壓閥、電氣比例閥、電磁閥、壓力傳感器、消音器、小容腔等組成。增壓系統(tǒng)采用氣驅(qū)液體泵，核心設(shè)備為氣動(dòng)液體增壓泵?？紤]節(jié)能環(huán)保的因素，采用清水作為試壓的工作介質(zhì)。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)一臺(tái)低壓大流量泵小容腔進(jìn)行注水,另一臺(tái)高壓小流量泵對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行增壓。采用兩個(gè)高壓氣動(dòng)泵，構(gòu)成試驗(yàn)兩級(jí)升壓結(jié)構(gòu)，前一個(gè)泵實(shí)現(xiàn)小壓力、大流量灌注，可提高灌注效率，后一個(gè)泵實(shí)現(xiàn)大壓力、小流量精確控壓，保證升壓精度。

1.2 小容腔增壓過(guò)程

試驗(yàn)系統(tǒng)采用氣動(dòng)液體增壓泵作為升壓設(shè)備，其通過(guò)控制腔截面積的不同實(shí)現(xiàn)壓力增大，以一個(gè)相對(duì)巨大的氣動(dòng)活塞在較小的壓力驅(qū)動(dòng)下直接推動(dòng)較小的液壓柱塞產(chǎn)生高壓液壓流體，對(duì)于一個(gè)氣動(dòng)增壓泵而言，驅(qū)動(dòng)氣源壓力與輸出液壓力成正比，并且比例是一定的。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)氣源壓力進(jìn)行調(diào)整，可以對(duì)輸出液壓壓力進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)氣壓力與液壓力平衡時(shí)，氣動(dòng)增壓泵自動(dòng)停止動(dòng)作，輸出壓力也穩(wěn)定在設(shè)定的壓力上。如果有泄漏將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降，氣動(dòng)液體增壓泵自動(dòng)啟動(dòng)工作，進(jìn)行壓力補(bǔ)償。通過(guò)控制氣源的進(jìn)氣量，可以控制泵的動(dòng)作頻率，從而控制系統(tǒng)的輸出流量。到達(dá)小容腔的預(yù)設(shè)壓力值。

1.3 設(shè)備布局

由于系統(tǒng)將產(chǎn)生100 MPa以上的超高壓力，存在一定危險(xiǎn)性，為了保證操作人員的安全，防止因?yàn)楦邏河托孤┒l(fā)生傷人事故，應(yīng)將控制臺(tái)與增壓系統(tǒng)分開(kāi)布置。操作控制臺(tái)放在專(zhuān)門(mén)的控制室內(nèi)，增壓系統(tǒng)放在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)裝有攝像頭，可以通過(guò)控制室的監(jiān)視屏實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖1 增壓系統(tǒng)原理圖

2 小容腔數(shù)學(xué)模型建立

由于液壓系統(tǒng)所研究對(duì)象的物理特性包含諸多非線(xiàn)性的影響因素，這使得對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真分析存在較大的困難。本文通過(guò)分析小容腔內(nèi)的液體體積和壓力之間的變化，建立了一種小容腔高壓超高壓數(shù)學(xué)模型。小容腔是指體積小于100 mL的腔體，為了節(jié)能環(huán)保采用水作為試壓介質(zhì)。液體壓縮性在低壓作用時(shí)很小，通常在液壓工程設(shè)計(jì)中可以忽略不記。但是在高壓作用時(shí)，特別是超高壓作用下，液體的壓縮性就會(huì)顯著增大，在液壓工程設(shè)計(jì)中就必須較準(zhǔn)確地考慮從其壓縮性。

根據(jù)液體可壓縮性公式為

式中：Δp為壓力變化量；K為液壓油體積彈性模量；ΔV代表灌入的液體體積，即實(shí)時(shí)流量；V代表總?cè)萜黧w積。從方程可以得知，壓力的改變是依賴(lài)于體積的變化和液體的體積模量的。

單位試驗(yàn)壓力增大對(duì)應(yīng)注水量增加的理論計(jì)算公式為［5］

式中：dv為增加水的量，m3；V 為試壓管道的容積，m3；dp為增加的壓力，kPa；D為管道外徑，mm；E為彈性模量，2×108Pa；t為管壁厚度，mm；ω 為泊松比，0.3；k為水性模數(shù)，2343961 kPa。

則有

從式（3）可以看出壓力的增加量與對(duì)應(yīng)注水量成正比例關(guān)系。由式（1）和式（3）可以得到的小容腔中的壓力控制的理論數(shù)學(xué)模型：

3 壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC共同完成，能夠達(dá)到任意設(shè)定壓力值，并能夠自動(dòng)保持壓力。壓力調(diào)節(jié)過(guò)程如圖2所示，通過(guò)壓力傳感器將實(shí)時(shí)壓力值反饋到工控機(jī)與設(shè)計(jì)壓力值進(jìn)行比較，并通過(guò)PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了壓力全自動(dòng)控制。

圖2 壓力調(diào)節(jié)流程圖

控制方法采用模糊PID控制，模糊控制魯棒性強(qiáng)，能夠達(dá)到很高的控制精度。在增壓和卸壓階段采用模糊控制，可取得很高的動(dòng)態(tài)性能；保壓階段采用PID控制，能夠減小動(dòng)態(tài)誤差。

4 系統(tǒng)測(cè)試

小容腔壓力的目標(biāo)為150 MPa。產(chǎn)生的壓力-時(shí)間曲線(xiàn)如圖3所示，由初始增壓，直到壓力升至150.46 MPa，然后壓力保持階段歷40 min，壓降0.72 MPa。系統(tǒng)注水體積越來(lái)越大的最大可達(dá)150 MPa，壓力控制精度可達(dá)0.31%，而保壓壓力精度可達(dá)0.48%。

圖3 壓力-時(shí)間曲線(xiàn)

5 結(jié)論

本控壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高壓超高壓液體的增壓控壓，最大壓力可達(dá)150 MPa，控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC共同完成，能夠達(dá)到任意設(shè)定壓力值，并能夠自動(dòng)保持壓力，壓力控制精度為≤±0.5%FS。

［1］ 龔清華，卜勻，王小東.液壓系統(tǒng)高壓技術(shù)研究［J］.沿海企業(yè)與科技，2007（1）：81-83.

［2］ 王連東，張偉，程嘉，等.普通液壓機(jī)超高壓液壓脹形集成裝置的研制［J］.儀中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（21）：2624-2627.

［3］ 冀宏，傅新，楊華勇，等.壓力控制元件的最大可控壓力研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（14）：1227-1230.

［4］ 劉清友，湛精華，黃云，等.深井、超深井高溫高壓井下工具研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（10）：73-75.

［5］ 趙傳海.長(zhǎng)輸管道水壓力試驗(yàn)中幾個(gè)重要公式計(jì)算［J］.油氣田地面工程，2007，26（3）：11-13.