超高压系统的电控设计

摘要：研究超高压系统的增压原理，建立了系统数学模型，并在此基础上通过仿真分析了影响系统压力波动的主要因素。设计了超高压系统的主电路及控制电路。通过仿真分析研究了该系统的特性与各主要参数之间的关系，对系统的推广应用具有一定意义。
关键词：超高压水射流；增压器；仿真

所谓超高压水射流是指将普通的水加压至300～400 MPa，利用小孔喷射原理，将超高压的水转换为800～1 000 m／s的“水箭”，使水在瞬间成为无坚不摧的利刃，应用于切割。
水切割属于冷态切割，直接利用加磨料水射流的动能对各种材料进行切削而达到切割目的，切割过程中无化学变化、无热变形、切缝窄、精度高、切面光洁、清洁无污染等优点，可对传统及其它加工方法无法或难于加工的材料进行加工。正因如此，超高压水射流技术极具使用价值，正广泛地被应用于航空航天、船舶、汽车、电子、无纺纤维、食品、造纸、制鞋成衣以及矿山、钢铁、建筑装潢等各行各业，具有广阔应用前景。

1 增压原理
超高压系统是水射流切割机的关键部件，可产生高达几百MPa的水射流喷射压力进行切割，不形成超高压水射流就无法实现基本的切割功能。
本文形成高压水的方法是目前国外较多的往复式增压器方式，超高压系统由油路和水路组成，其原理如图1所示。水的增压是根据液压原理获得的，当液压油作用在活塞上时，活塞杆也作用在水腔里的水，假设无摩擦损耗，当水压等于油压乘以活塞有效面积除以活塞杆面积时，两者压力取得平衡。将活塞有效面积和活塞杆面积之比称为“增压比”，由于其比值固定，所以通过控制油压就控制水压。在增压比一定情况下，通过高压溢流阀调节油的油压，并最终实现对水压的调节。

2 超高压系统数学模型
根据节流口的流量方程可得换向阀的流量方程为

式中，Qf为流经电磁阀流量；Cd为换向阀阀口流量系数；ω为换向阀阀口面积梯度，ω=πDv；Dv为电磁阀阀芯凸肩直径；为阀芯位移；ρ为液压油密度；Ps为泵出口压力；P1为电磁阀出口压力。液体压缩性方程为

式中，P0为液体压力；β0为液体体积弹性模量；V0为排水行程中液体体积。
考虑液压油的压缩性，流入低压缸进油腔的流量连续性方程为

式中，Qg为低压缸进油口流量；A1为活塞面积，；D1为活塞直径；A2为活塞杆面积，；D2为活塞杆直径；vpision为活塞运动速度；V1为低压缸进油腔容积，V=(A1-A2vVpision；t为活塞运动时间；β1为液压油的体积弹性模量；P1为低压缸的进口压力。
液压油经换向阀进入低压缸，由流量连续性方程有

式中，m1为低压缸运动部分(活塞和活塞杆)质量；B1为阻尼系数；P为高压缸的水压。
高压缸流量连续性方程为

式中，Vcv为活塞杆腔体积，Vcv=(s-x)A2；s为活塞冲程长度；x为活塞位移，x=vpisiont；β2为水的体积弹性模；P为高压缸水压；Q2为高压缸排出水的流量。