超高壓油泵在金剛石合成壓機(jī)上的應(yīng)用

JB系列超高壓油泵在金剛石合成壓機(jī)上的應(yīng)用鄭州磨料磨具磨削研究所：超高壓油泵是鄭州磨料磨具磨削研究所經(jīng)過(guò)多年研發(fā)的一項(xiàng)重要成果，現(xiàn)已獲國(guó)家專利。使用超高壓油泵取代增壓器，應(yīng)用在六面頂壓機(jī)上，具有可靠性好、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好、易維護(hù)、造價(jià)低、節(jié)能顯著、流量受油溫影響小等特點(diǎn)，因其具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已在部分金剛石生產(chǎn)企業(yè)得到全面推廣。我所研制的JB系列超高壓泵最高壓力為120MPa，排量為0.5~150ml/r，該泵采用閥式徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)形式，在傳統(tǒng)泵的基礎(chǔ)上改革關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，提高油泵耐壓性，加大油泵流量；高壓泵配油閥采用分體機(jī)構(gòu)，使得易損件便于更換維修，縮短了維修工時(shí)，提高了壓機(jī)開機(jī)率。整臺(tái)高壓泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、噪音低等特點(diǎn)。由于采用閥配流結(jié)構(gòu)，當(dāng)油泵工作壓力增大、油溫升高及轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其油泵排量所受以上因素的影響相對(duì)較小，因此該油泵在油溫60℃、壓力100MPa、轉(zhuǎn)速960r/min條件下工作時(shí)，其容積效率仍然＞80％。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)低到50r/min、壓力100MPa下仍然能泵油，實(shí)現(xiàn)對(duì)六面頂壓機(jī)的補(bǔ)壓。JB系列超高壓油泵采用1.1~15kW交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)變頻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為80~1000r/min。為了進(jìn)一步拓展調(diào)速比以滿足系統(tǒng)要求,還可在超高壓油泵進(jìn)油管路中裝一電磁換向閥，用以切換向超高壓油泵柱塞的供油數(shù)量，使一個(gè)柱塞單獨(dú)工作或四個(gè)柱塞同時(shí)工作，即油泵流量作1:4切換。在低速時(shí)一個(gè)柱塞工作，降低了75%的負(fù)載扭矩,使得變頻器在3~5Hz的低頻輸出下電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。電磁換向閥流量切換與變頻調(diào)速器配合使調(diào)速比擴(kuò)展到1:50。如何應(yīng)用選型做如下介紹：一．超壓速度調(diào)節(jié)范圍及調(diào)速方案對(duì)比?，F(xiàn)階段六面頂壓機(jī)合成時(shí)超壓速度范圍如下圖：快速升壓段：50～70MPa/min,慢升壓段：10~30MPa/min,保壓段： 微升0.05~0.2MPa/min 上述合成過(guò)程中超壓速度變化范圍為：0.05~70MPa/min,其超壓速比為1:1400，在超高壓系統(tǒng)中改變超壓速度最好的辦法為采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，JB系列超高壓油泵轉(zhuǎn)速范圍為50～1200轉(zhuǎn)/min，允許電機(jī)變頻范圍為2.5~60Hz,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比為1:24，在低速端50轉(zhuǎn)/min時(shí)超高壓油泵的排量將降低到額定排量的20%，雖然容積效率大幅度下降但卻將調(diào)速比拓寬到1:100。即使這樣仍滿足不了合成工藝所要求的1:1400的調(diào)速比。因此實(shí)踐中采用下列3種辦法來(lái)解決。1．加裝一個(gè)多極節(jié)流閥，超壓過(guò)程中始終經(jīng)多極節(jié)流閥泄掉一部分高壓油，施行動(dòng)態(tài)保壓，即拓寬油泵低速端供入壓機(jī)油缸中的流量變化范圍,增大了調(diào)速比,還可實(shí)現(xiàn)負(fù)供油即降壓控制。優(yōu)點(diǎn)：保壓精度高，無(wú)脈動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)降壓曲線滿足工藝試驗(yàn)探索。缺點(diǎn)：對(duì)油液清潔度要求高，能耗高，油箱溫升高。2．采用2~3臺(tái)不同排量的超高壓油泵組合供油。其中一臺(tái)采用變頻調(diào)速器，使有級(jí)調(diào)節(jié)與無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，滿足六面頂壓機(jī)對(duì)流量的極端變化要求。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍寬、保壓精度高、能耗低、對(duì)加熱電壓無(wú)沖擊。缺點(diǎn)：一次投資大，電控系統(tǒng)較復(fù)雜。3．用2~3臺(tái)不同排量的超高壓油泵組合供油。油泵電機(jī)采用通斷控制使超壓以小階梯曲線擬和設(shè)定壓力曲線。優(yōu)點(diǎn)：電控系統(tǒng)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，啟動(dòng)對(duì)加熱電壓沖擊小，能滿足一般工藝要求。缺點(diǎn)：控壓精度稍低。上述三種方案中因方案3具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、工作可靠等特點(diǎn)，而被生產(chǎn)企業(yè)所廣泛采用?，F(xiàn)就此方案中油泵的組合及控壓精度做一比較分析。在六面頂壓機(jī)超壓過(guò)程中電控系統(tǒng)將壓力傳感器采集到的壓力信號(hào)經(jīng)采樣、濾波、到控制間隔周期一般為0.2秒，而電機(jī)斷電后由于機(jī)械慣性的作用將再轉(zhuǎn)動(dòng)約0.4秒停止，約相當(dāng)于額定轉(zhuǎn)速下的0.2秒。因此在壓力控制過(guò)程中始終有0.2+0.2=0.4秒的壓力控制盲區(qū)。當(dāng)壓機(jī)以1MPa/秒的速度超壓當(dāng)?shù)竭_(dá)壓力設(shè)定曲線拐點(diǎn)（保壓點(diǎn)）時(shí)其壓力控制最大超調(diào)量為0.4秒×1MPa/秒＝0.4MPa。顯然此偏差超過(guò)了合成工藝要求。由上面的計(jì)算可推出若要控壓偏差＜0.1MPa則接近壓力設(shè)定值時(shí)升壓速度要＜0.25MPa/秒。超高壓油泵流量選擇應(yīng)能滿足最快合成工藝的升速要求，同時(shí)需配一臺(tái)小流量泵在慢升壓及保壓、補(bǔ)壓階段使用以保證壓力控制有較高的精度不超調(diào)及小容量電機(jī)啟動(dòng)可減少對(duì)加熱系統(tǒng)的沖擊。從計(jì)算及實(shí)踐來(lái)看選用a、b二臺(tái)超高壓油泵組合時(shí)其排量比為(a＋b):b=4:1較合適。二：不同缸徑壓機(jī)配套超高壓油泵的選型經(jīng)調(diào)查現(xiàn)階段壓機(jī)從充液完畢開始超壓到保壓最短時(shí)間＞90秒，超壓過(guò)程中隨著壓力的增高合成棒的壓縮使活塞前移同時(shí)在高壓下油缸的膨脹，鉸鏈梁的拉長(zhǎng)等因素使工作缸油腔變大所需泵入六工作缸總油量隨壓機(jī)及工作缸直徑不同而不同，測(cè)試數(shù)據(jù)及推薦超高壓油泵組合如下：Φ320缸徑壓機(jī)用油3000ml。配超高壓油泵2.5升＋0.5升。Φ420缸徑壓機(jī)用油5000ml。配超高壓油泵3.0升＋1.0升。Φ460缸徑壓機(jī)用油6000ml。配超高壓油泵3.0升＋2.5升。Φ500缸徑壓機(jī)用油7500ml。配超高壓油泵6.0升＋1.0升。Φ650缸徑壓機(jī)用油9000ml。配超高壓油泵7.0升＋2.0升。Φ1000缸徑壓機(jī)用油25000ml。配超高壓油泵15升＋3.0升。上列組合與壓力程序控制器配合即使采用電機(jī)通斷控制也可做到控制保壓壓力波動(dòng)≤±0.2MPa，小泵若配變頻器效果更佳。采用超高壓油泵超壓可長(zhǎng)期保壓，不存在增壓器活塞超程問(wèn)題，還可按工藝要求做緩慢升壓，其壓力控制方便，工藝穩(wěn)定，有利于優(yōu)質(zhì)金剛石生長(zhǎng)，有利于提高頂錘壽命，延長(zhǎng)了壓機(jī)密封件的更換周期。三：降低能耗及油溫六面頂壓機(jī)連續(xù)工作中油箱油溫的升高其熱源主要有下列來(lái)源。1．卸壓時(shí)六工作缸及增壓器中的超高壓油經(jīng)節(jié)流閥將壓力能轉(zhuǎn)換成熱能。2．軸向柱塞泵在泵油過(guò)程中高壓油經(jīng)柱塞付、配流盤、滑靴等處間隙泄漏擠壓出的高溫油及泵出壓力油帶走的摩擦熱。3．空進(jìn)、回程運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓油經(jīng)同步調(diào)節(jié)閥、溢流閥、換向閥及管道等阻力產(chǎn)生的摩擦熱。4．加熱頂錘的高溫經(jīng)大小墊塊、油缸活塞傳遞到油中。對(duì)油溫溫升影響最大的主要為1、2兩項(xiàng)。采用超高壓油泵后由于去掉了增壓器，1項(xiàng)熱源中減掉了超壓卸壓中由增壓器存儲(chǔ)的壓力能釋放所轉(zhuǎn)化的熱能。在超高壓油泵的設(shè)計(jì)中采用了單向閥配流，柱塞付采用特殊結(jié)構(gòu)，超精密加工等措施使得該泵與原軸向柱塞泵相比有更高的容積效率，更小的泄漏量及發(fā)熱量。明顯的降低了六面頂壓機(jī)油箱的油溫，由于去掉了增壓器，原軸向柱塞泵只負(fù)責(zé)空進(jìn)，回程、充液，因此可降低主系統(tǒng)溢流閥設(shè)定壓力而進(jìn)一步減少溢流產(chǎn)生的熱量。四：配置超高壓油泵的六面頂壓機(jī)液壓系統(tǒng)超高壓系統(tǒng)中的壓力傳感器將壓力信號(hào)變成電信號(hào)傳送到裝有微處理器的壓力控制儀，控制儀將壓力測(cè)量值與設(shè)定值比較，根據(jù)偏差大小輸出調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻調(diào)速器，控制超高壓油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)增減泵油量，使系統(tǒng)油壓調(diào)回到設(shè)定壓力。壓機(jī)的升壓、保壓及卸壓速率由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的超高壓油泵供油與多級(jí)節(jié)流閥旁路泄流組成動(dòng)態(tài)平衡控制。也可關(guān)閉多級(jí)節(jié)流閥采用停泵保壓，開泵補(bǔ)壓的辦法以降低能耗及溫升。液壓系統(tǒng)中裝有六路獨(dú)立的前腔壓力平衡調(diào)節(jié)閥及壓力顯示表，其平衡壓力不受活塞速度影響，提高六缸同步調(diào)節(jié)的方便及穩(wěn)定性，徹底根除六缸運(yùn)動(dòng)間的相互影響。卸壓速度可調(diào)，設(shè)低卸壓補(bǔ)償回路，高低壓時(shí)的卸壓速度基本一致。兩臺(tái)壓機(jī)的