超高壓油泵在金剛石合成壓機上的應(yīng)用

JB系列超高壓油泵在金剛石合成壓機上的應(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)過多年研發(fā)的一項重要成果，現(xiàn)已獲國家專利。使用超高壓油泵取代增壓器，應(yīng)用在六面頂壓機上，具有可靠性好、長期工作穩(wěn)定性好、易維護、造價低、節(jié)能顯著、流量受油溫影響小等特點，因其具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益，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構(gòu)，使得易損件便于更換維修，縮短了維修工時，提高了壓機開機率。整臺高壓泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、噪音低等特點。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，其油泵排量所受以上因素的影響相對較小，因此該油泵在油溫60℃、壓力100MPa、轉(zhuǎn)速960r/min條件下工作時，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，實現(xiàn)對六面頂壓機的補壓。JB系列超高壓油泵采用1.1~15kW交流電機驅(qū)動，當(dāng)變頻調(diào)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為80~1000r/min。為了進一步拓展調(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，使一個柱塞單獨工作或四個柱塞同時工作，即油泵流量作1:4切換。在低速時一個柱塞工作，降低了75%的負載扭矩,使得變頻器在3~5Hz的低頻輸出下電機低速運轉(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)速方案對比?，F(xiàn)階段六面頂壓機合成時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。因此實踐中采用下列3種辦法來解決。1．加裝一個多極節(jié)流閥，超壓過程中始終經(jīng)多極節(jié)流閥泄掉一部分高壓油，施行動態(tài)保壓，即拓寬油泵低速端供入壓機油缸中的流量變化范圍,增大了調(diào)速比,還可實現(xiàn)負供油即降壓控制。優(yōu)點：保壓精度高，無脈動?？蓪崿F(xiàn)降壓曲線滿足工藝試驗探索。缺點：對油液清潔度要求高，能耗高，油箱溫升高。2．采用2~3臺不同排量的超高壓油泵組合供油。其中一臺采用變頻調(diào)速器，使有級調(diào)節(jié)與無級調(diào)節(jié)相結(jié)合，滿足六面頂壓機對流量的極端變化要求。優(yōu)點：調(diào)速范圍寬、保壓精度高、能耗低、對加熱電壓無沖擊。缺點：一次投資大，電控系統(tǒng)較復(fù)雜。3．用2~3臺不同排量的超高壓油泵組合供油。油泵電機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：電控系統(tǒng)簡單，造價較低，啟動對加熱電壓沖擊小，能滿足一般工藝要求。缺點：控壓精度稍低。上述三種方案中因方案3具有簡單、實用、工作可靠等特點，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。在六面頂壓機超壓過程中電控系統(tǒng)將壓力傳感器采集到的壓力信號經(jīng)采樣、濾波、到控制間隔周期一般為0.2秒，而電機斷電后由于機械慣性的作用將再轉(zhuǎn)動約0.4秒停止，約相當(dāng)于額定轉(zhuǎn)速下的0.2秒。因此在壓力控制過程中始終有0.2+0.2=0.4秒的壓力控制盲區(qū)。當(dāng)壓機以1MPa/秒的速度超壓當(dāng)?shù)竭_壓力設(shè)定曲線拐點（保壓點）時其壓力控制最大超調(diào)量為0.4秒×1MPa/秒＝0.4MPa。顯然此偏差超過了合成工藝要求。由上面的計算可推出若要控壓偏差＜0.1MPa則接近壓力設(shè)定值時升壓速度要＜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，同時需配一臺小流量泵在慢升壓及保壓、補壓階段使用以保證壓力控制有較高的精度不超調(diào)及小容量電機啟動可減少對加熱系統(tǒng)的沖擊。從計算及實踐來看選用a、b二臺超高壓油泵組合時其排量比為(a＋b):b=4:1較合適。二：不同缸徑壓機配套超高壓油泵的選型經(jīng)調(diào)查現(xiàn)階段壓機從充液完畢開始超壓到保壓最短時間＞90秒，超壓過程中隨著壓力的增高合成棒的壓縮使活塞前移同時在高壓下油缸的膨脹，鉸鏈梁的拉長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及工作缸直徑不同而不同，測試數(shù)據(jù)及推薦超高壓油泵組合如下：Φ320缸徑壓機用油3000ml。配超高壓油泵2.5升＋0.5升。Φ420缸徑壓機用油5000ml。配超高壓油泵3.0升＋1.0升。Φ460缸徑壓機用油6000ml。配超高壓油泵3.0升＋2.5升。Φ500缸徑壓機用油7500ml。配超高壓油泵6.0升＋1.0升。Φ650缸徑壓機用油9000ml。配超高壓油泵7.0升＋2.0升。Φ1000缸徑壓機用油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通斷控制也可做到控制保壓壓力波動≤±0.2MPa，小泵若配變頻器效果更佳。采用超高壓油泵超壓可長期保壓，不存在增壓器活塞超程問題，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，有利于提高頂錘壽命，延長了壓機密封件的更換周期。三：降低能耗及油溫六面頂壓機連續(xù)工作中油箱油溫的升高其熱源主要有下列來源。1．卸壓時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、回程運動時液壓油經(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。對油溫溫升影響最大的主要為1、2兩項。采用超高壓油泵后由于去掉了增壓器，1項熱源中減掉了超壓卸壓中由增壓器存儲的壓力能釋放所轉(zhuǎn)化的熱能。在超高壓油泵的設(shè)計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油箱的油溫，由于去掉了增壓器，原軸向柱塞泵只負責(zé)空進，回程、充液，因此可降低主系統(tǒng)溢流閥設(shè)定壓力而進一步減少溢流產(chǎn)生的熱量。四：配置超高壓油泵的六面頂壓機液壓系統(tǒng)超高壓系統(tǒng)中的壓力傳感器將壓力信號變成電信號傳送到裝有微處理器的壓力控制儀，控制儀將壓力測量值與設(shè)定值比較，根據(jù)偏差大小輸出調(diào)節(jié)信號到變頻調(diào)速器，控制超高壓油泵電機轉(zhuǎn)速來增減泵油量，使系統(tǒng)油壓調(diào)回到設(shè)定壓力。壓機的升壓、保壓及卸壓速率由變頻調(diào)速電機驅(qū)動的超高壓油泵供油與多級節(jié)流閥旁路泄流組成動態(tài)平衡控制。也可關(guān)閉多級節(jié)流閥采用停泵保壓，開泵補壓的辦法以降低能耗及溫升。液壓系統(tǒng)中裝有六路獨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，徹底根除六缸運動間的相互影響。卸壓速度可調(diào)，設(shè)低卸壓補償回路，高低壓時的卸壓速度基本一致。兩臺壓機的