, (.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢　43008； 2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 中試工廠， 湖北 武漢　430080)

引言

新型材料的不斷涌現(xiàn)，給制造業(yè)注入了新的活力，但也對(duì)加工制造提出了更高的要求。對(duì)于一些高鋼度低塑性材料的精密加工，如多晶硅、高硅鋼片、工程陶瓷和鈦合金等，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)難以勝任，這就使得新型加工技術(shù)如磨料水射流應(yīng)運(yùn)而生[1,2]。

水射流系統(tǒng)一般利用增壓器產(chǎn)生高壓水，目前通常采用兩種形式增壓：一種是超高壓柱塞泵，另一種是液壓增壓器[3]。高壓柱塞泵多用于200 MPa以下壓力，增壓器的多用于200～400 MPa壓力。雙作用式增壓器有兩個(gè)柱塞，排出動(dòng)力的連續(xù)性表現(xiàn)為壓力的波動(dòng)或脈動(dòng)。超高壓系統(tǒng)壓力流量的穩(wěn)定性直接影響切割質(zhì)量和精度，磨料射流切割系統(tǒng)增壓器換向一般采用電磁換向閥，若想得到理想的切割效果，系統(tǒng)壓力-流量穩(wěn)定性有待研究。

1　系統(tǒng)原理組成

液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)增壓器水射流系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括油壓系統(tǒng)、增壓器、給水系統(tǒng)、蓄能器、噴嘴等。低壓油通過電液換向閥進(jìn)入增壓器低壓腔的一側(cè)，推動(dòng)活塞體運(yùn)動(dòng)，連接在活塞上的高壓柱塞將高壓缸內(nèi)的水推出；在增壓器高壓柱塞另一側(cè)，水經(jīng)過進(jìn)水單向閥送入高壓缸內(nèi)。此時(shí)，油壓乘以活塞橫截面積等于水壓乘以柱塞橫截面積，即水壓與油壓的比值等于活塞橫截面積與柱塞橫截面積之比，其比值固定，通過電磁溢流閥控制油壓就可調(diào)節(jié)水壓，高壓缸內(nèi)水壓最大可達(dá)450 MPa。高壓水經(jīng)出水單向閥并在蓄能器穩(wěn)壓作用后，通過噴嘴小孔形成高速度水射流，這種高速射流的動(dòng)能和部分壓力能可用于切割材料。

1.油箱　2.油泵　3.過濾器　4.壓力表　5.電磁溢流閥 6.電液換向閥　7.增壓器　8.進(jìn)水單向閥　9.出水單向閥 10.溢流閥　11.水泵　12.水箱　13.蓄能器　14.截止閥　15.噴嘴

2　增壓器壓力流量特性

水射流系統(tǒng)是雙作用增壓器系統(tǒng)，增壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括低壓活塞、高壓柱塞及高低壓缸體等，通過交替向低壓缸的兩側(cè)輸入壓力油，實(shí)現(xiàn)活塞推動(dòng)高壓柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。忽略系統(tǒng)輸出壓力及單向閥對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的影響，根據(jù)牛頓第二定理，增壓缸的力平衡方程為：

(1)

1.水口　2.高壓缸體　3.高壓柱塞　4.高壓缸法蘭 5.低壓缸法蘭　6.油口　7.低壓活塞　8.低壓缸體　9.換向傳感器

忽略管道容積的影響，低壓缸體進(jìn)油及高壓體出水的流量連續(xù)方程分別為：

(2)

(3)

式中：p0為低壓缸體油壓力；p為高壓缸體水壓力；A1為活塞面積；A2為柱塞面積;B為阻尼系數(shù)；m為增壓缸活塞和柱塞桿總質(zhì)量；vp為活塞運(yùn)動(dòng)速度；q0為低壓缸體進(jìn)油流量；q為高壓缸體出水流量；t為活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間；l為柱塞行程；β1為液壓油體積彈性模量；β2為水體積彈性模量。

在高壓缸活塞吸排水階段，要經(jīng)過開始?jí)嚎s、排水、開始返回和吸水4個(gè)過程，一個(gè)工作周期活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。其一端柱塞運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程如圖3所示，在圖3a開始?jí)嚎s階段，缸體內(nèi)充滿水，排水單向閥和進(jìn)水單向閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著柱塞向左運(yùn)動(dòng)減少缸體容積，缸體內(nèi)壓力開始升高；當(dāng)壓力超過蓄能器壓力pmax后，排水單向閥被打開，高壓水保持一定壓力排出，圖3b所示；當(dāng)柱塞至行程終點(diǎn)開始返回，圖3c所示，缸體內(nèi)壓力降低，排水單向閥關(guān)閉；當(dāng)缸體內(nèi)壓力低于進(jìn)水壓pmin時(shí)，進(jìn)水單向閥開啟，缸體隨柱塞的返回重新充滿水，如圖3d所示。

圖3　增壓缸工作過程

假設(shè)增壓缸不存在泄漏，根據(jù)pM=ρRT，其中p表示壓強(qiáng)、M為摩爾質(zhì)量，ρ為密度、T為絕對(duì)溫度、R為常數(shù)。但是在超高壓(p≥400 MPa)作用下水的體積壓縮較為明顯，壓力p、水密度ρ之間關(guān)系是：

ρ=ρ0exp(p/β2)

(4)

式中： 初始密度ρ0=1.0×103kg/m3。因此，在理想同溫同體積時(shí)，水的體積體積彈性模量不可以忽略不計(jì)，增壓器在低壓油系統(tǒng)作用下，按一定頻率規(guī)則實(shí)現(xiàn)左、右高壓缸的吸排水循環(huán)，由于液壓活塞等元件質(zhì)量的慣性特性，換向閥按一定的曲線控制高壓缸柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，高壓柱塞完成一次排水過程要經(jīng)歷加速、勻速、減速和停留4個(gè)階段[4]，假設(shè)往高壓柱塞在加速和減速階段均做等加速和等減速運(yùn)動(dòng)，以階躍控制信號(hào)為例，其運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示。

圖4　柱塞運(yùn)動(dòng)速度曲線圖

往復(fù)式增壓器在運(yùn)行時(shí)左右兩側(cè)高壓腔內(nèi)的壓力相位始終相差180°，電磁換向閥在換向階段，其輸出流量為零，由式(2)～式(4)，可得系統(tǒng)的理想輸出流量曲線如圖5所示，活塞速度從定值到零，再?gòu)牧愕蕉ㄖ档倪^程中，增壓器輸出流量降為零，使得系統(tǒng)輸出流量發(fā)生較大脈動(dòng)。

圖5　增壓泵的理想輸出流量曲線

這里定義壓力波動(dòng)率為ηp，流量波動(dòng)率為ηq，則：

(5)

(6)

式中：pmax為最大壓力；pmin為最小壓力；pmean為壓力均值；Qmax為最大流量；Qmin為最小流量；Qmean為流量均值。

3　建立AMESim系統(tǒng)仿真模型

AMESim是一種液壓、機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件[5]?；贏MESim建立往復(fù)增壓系統(tǒng)模型如圖6所示，包括油泵組、水泵組、電磁換向閥、溢流閥、增壓泵組、止回閥和噴嘴等模塊。其中增壓泵組、蓄能器為特定元件，采用HCD庫搭建了元件子模型。往復(fù)泵分為高壓腔、低壓腔、質(zhì)量塊、活塞桿等模塊，泵組數(shù)量可以根據(jù)仿真需要調(diào)整，這里設(shè)置2組增壓泵；由于蓄能器一般選用高強(qiáng)鋼材料制作，其彈性模量大于206 GPa，工作過程中的彈性變形可以忽略不計(jì)，可通過液壓腔進(jìn)行建模仿真。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖6　AMESim仿真模型

表1　系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

4　仿真與結(jié)果分析

對(duì)于往復(fù)增壓系統(tǒng)來說，蓄能器能補(bǔ)償壓降和穩(wěn)定壓力，換向閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定往復(fù)增壓器輸出流量及壓力，輸出流量大小與增壓器數(shù)量及活塞運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)[6,7]，由此可見，蓄能器容積大小、換向閥工作頻率規(guī)則和噴嘴數(shù)量多少等成為限制整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力和流量穩(wěn)定性的主要因素。

4.1　蓄能器容積對(duì)系統(tǒng)壓力流量脈動(dòng)的影響

蓄能器是液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置[8]，蓄能器可吸收增壓器柱塞瞬間產(chǎn)生的液壓沖擊力，并為噴嘴持續(xù)不斷供水提供保障。此時(shí)，圖6所示仿真模型中只開啟一組增壓泵和一組噴嘴，系統(tǒng)工作壓力為420 MPa，圖7、圖8分別是無蓄能器、蓄能器容積為1.5 L、3.5 L、5 L時(shí)的系統(tǒng)輸出壓力、流量仿真曲線?？梢?，帶有蓄能器比不帶蓄能器系統(tǒng)輸出壓力和流量較穩(wěn)定，并且隨著蓄能器容積的增大，往復(fù)泵的輸出壓力流量脈動(dòng)在減小。不過，容積過大，設(shè)備制造成本及系統(tǒng)開機(jī)響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加，這里選用3.5 L蓄能器。

圖7　系統(tǒng)壓力仿真曲線

圖8　系統(tǒng)流量仿真曲線

4.2　增壓泵運(yùn)動(dòng)伺服控制對(duì)系統(tǒng)壓力流量脈動(dòng)的影響

液壓閥等液壓元件的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓系統(tǒng)諧振頻率[9]，液壓閥的控制方式是影響系統(tǒng)壓力流量波動(dòng)的主要因素。若采用兩組增壓器同時(shí)工作，保證一個(gè)柱塞的減速和停留階段剛好是另一個(gè)柱塞的加速和恒速階段，且兩柱塞的速度和加速度值相等，可使輸出流量疊加，以減小流量脈動(dòng)，雙增壓器組往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度控制分別如圖9中曲線1、2所示。采用此種控制方式，須將液壓電磁換向閥更換為伺服閥。當(dāng)蓄能器容積為3.5 L時(shí)，系統(tǒng)流量壓力、流量仿真數(shù)據(jù)如表2、表3所示，壓力流量波動(dòng)率可控制在5%以內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

表2　雙增壓器壓力仿真數(shù)據(jù)表

表3　雙增壓器流量仿真數(shù)據(jù)

4.3　輸出流量對(duì)系統(tǒng)壓力流量脈動(dòng)的影響

為提高工作效率，系統(tǒng)可采用雙噴嘴或多噴嘴同時(shí)切割，系統(tǒng)輸出流量增大。雙增壓器、單噴嘴與雙增壓器、雙噴嘴切割的壓力、流量仿真數(shù)據(jù)如表4、表5所示，此數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。雙噴嘴切割時(shí)，系統(tǒng)流量增大近一倍，壓力會(huì)降低至75%左右，但壓力、流量波動(dòng)率基本不變，也就是說系統(tǒng)壓力、流量穩(wěn)定性不受切割噴嘴數(shù)量影響。此數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

表4　壓力波動(dòng)比較

表5　流量波動(dòng)比較

圖9　雙增壓器柱塞運(yùn)動(dòng)速度控制曲線

表6　切割壓力、流量數(shù)據(jù)

5　切割試驗(yàn)

根據(jù)系統(tǒng)壓力流量穩(wěn)定性影響因素的仿真參數(shù)，利用水射流切割設(shè)備進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件：噴嘴口徑為0.3 mm，設(shè)定切割水壓430 MPa，磨料為粒度為80目石榴砂，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，靶距3～5 mm，切割速度3 mm/s，噴嘴與靶物表面垂直打擊，切割靶物為厚度12 mm抗拉強(qiáng)度1200 MPa級(jí)結(jié)構(gòu)鋼件。

表6是系統(tǒng)無蓄能器、蓄能器容積為3.5 L、采用雙增壓器控制及雙噴嘴切割時(shí)的壓力、流量數(shù)據(jù)。設(shè)定系統(tǒng)工作壓力430 MPa，當(dāng)不帶蓄能器時(shí)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)范圍在402.17～454.94 MPa，波動(dòng)率達(dá)12.32%，切割斷面呈現(xiàn)犁溝狀, 如圖10a；蓄能器容積3.5 L時(shí)，切割斷面有所改善，如圖10b所示；系統(tǒng)安裝蓄能器并采用雙泵組伺服控制時(shí)，壓力波動(dòng)率是5.79%，切割斷面質(zhì)量明顯改善，切邊質(zhì)量較好，切口表面的光潔度達(dá)1.6 μm ，切割精度達(dá)±0.10 mm，可用于精密成形切割，如圖10c；采用雙切割頭后可提高生產(chǎn)效率，但系統(tǒng)流量增大，實(shí)際壓力在314.59 MPa左右，達(dá)不到調(diào)定的430 MPa壓力值，產(chǎn)生較大壓降，影響切割質(zhì)量，切割斷面如圖10d，切割斷面質(zhì)量與系統(tǒng)工作壓力及壓力波動(dòng)率密切相關(guān)。

圖10　切割斷面質(zhì)量

6　結(jié)論

結(jié)合液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵水射流系統(tǒng)組成和增壓器工作過程，建立了基于AMESim的仿真模型，通過仿真與切割實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)增壓器射流系統(tǒng)壓力流量脈動(dòng)隨蓄能器增大而減小，配置3.5 L蓄能器的雙組增壓器采用伺服控制后，壓力波動(dòng)可控制在5%以內(nèi)；

(2) 系統(tǒng)采用雙噴嘴切割時(shí)，系統(tǒng)流量增大近一倍，壓力會(huì)降低25%左右，但是壓力、流量波動(dòng)率不受切割噴嘴數(shù)量影響；

(3) 壓力、流量波動(dòng)率越小切割質(zhì)量越好，但是在流量穩(wěn)定性一致的情況下，壓力越高切割質(zhì)量越好。

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