國內(nèi)超硬材料六面頂液壓機(jī)工作缸同步充液過程的控制方法及設(shè)備改進(jìn)技術(shù)的研究

袁 源，羅小偉，龍雷明，樂興旺，黃 超

(1.桂林桂冶機(jī)械股份有限公司，廣西 桂林 541004;2.桂林同力自動化有限責(zé)任公司，廣西桂林 541199)

隨著國內(nèi)超硬材料行業(yè)對高溫高壓合成環(huán)境的指標(biāo)要求不斷提高，六面頂壓機(jī)在工作過程中腔體的均一性、穩(wěn)定性及安全性越來越多地受到技術(shù)人員的重視。國內(nèi)裝備技術(shù)人員通過多年研究已經(jīng)清晰地認(rèn)識到充液過程對葉蠟石密封邊乃至整個合成塊高壓下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成具有非常重要的意義。

六面頂壓機(jī)的“充液”過程是指六面頂壓機(jī)在三個活動工作缸活塞行程到位以后，六個工作缸進(jìn)入同步加壓工作狀態(tài)，頂錘從接觸到開始同步擠壓葉蠟石塊，工作缸壓力同步上升至10MPa左右而形成的均勻超高壓密封體系的過程。

與普通單活塞作用壓力設(shè)備不同，六面頂壓機(jī)依靠六個工作缸同步加壓來完成充液動作，并通過活塞的相互位置關(guān)系來建立超高壓密封系統(tǒng)?！傲骓攭簷C(jī)是六個方向均主動地可以調(diào)整，尤其是當(dāng)我們有了相對平衡理論以及有了高精度控制系統(tǒng)后，這類壓機(jī)各方向的壓力完全可以由人們進(jìn)行任意調(diào)整”［1］，由于充液動作更加復(fù)雜，每個環(huán)節(jié)的誤差累積量導(dǎo)致超硬材料六面頂壓機(jī)建立的超高壓環(huán)境存在更多的不確定性，這些不確定性映射到制品生產(chǎn)環(huán)節(jié)就直接導(dǎo)致了工藝重復(fù)性差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，提升充液同步控制技術(shù)，對普遍提高超硬材料六面頂壓機(jī)制品質(zhì)量具有非常重要的意義。

1 充液過程分析

從最終結(jié)果來看，壓機(jī)的充液動作完成的是一個由活塞無負(fù)載空程前進(jìn)到負(fù)載加壓狀態(tài)的臨界轉(zhuǎn)化過程。詳細(xì)分析六面頂壓機(jī)的整個充液過程，實(shí)際上可以分為三個階段。

1.1 合成塊宏觀位移及自找正

通常為保證安全、防止撞塊，活動缸頂錘與葉蠟石表面之間有一個0.8mm至1mm的間隙，因此在行程到位轉(zhuǎn)入充液階段的瞬間，三個活動缸頂錘并未真正接觸葉蠟石，相反由于合成塊擺放位置的原因，葉蠟石的另外三個面則緊緊地貼住三個固定缸頂錘面。

因此，當(dāng)六個頂錘進(jìn)入同步前進(jìn)狀態(tài)時，首先是消除這三個方向上的間隙。理論上說，假設(shè)六個工作缸運(yùn)動完全同步，則在充液前期是三個固定工作缸推動葉蠟石向活動缸側(cè)先產(chǎn)生了0.4mm至0.5mm的位移，之后同時接觸到三個活動缸頂錘。也就是說在充液的第一個階段，葉蠟石是被逐步推到壓機(jī)的幾何中心，并與六個頂錘完全接觸的。這個過程實(shí)際上是一個宏觀的自找正過程(見圖1)。

圖1 合成塊的自找正Fig.1 The block alignment

但實(shí)際上由于葉蠟石本身幾何尺寸誤差、活塞行程控制不精確、工作缸運(yùn)動不同步等原因影響，總會出現(xiàn)某一個方向上的一對頂錘先接觸葉蠟石，夾緊合成塊，并限制其它方向上的自由移動，亦即這個自找正過程的結(jié)果幾乎是不確定的，并且從一開始就存在一定應(yīng)力。

在這個階段，工作缸內(nèi)只需要很低的油壓即可推動活塞，而在通常狀態(tài)下，這一階段持續(xù)時間也很短，六個頂錘很快就能全部完成緊貼合成塊的動作，而在此過程中產(chǎn)生的定位偏差，將徹底決定設(shè)備在高壓下的工作穩(wěn)定性。

1.2 葉蠟石形變及密封邊的形成

在六個頂錘完全接觸合成塊以后，工作缸繼續(xù)向前移動，葉蠟石受力壓縮產(chǎn)生形變。這個過程中，合成塊被不斷壓縮，頂錘與合成塊表面的壓應(yīng)力會不斷增大，工作缸的油壓也會逐漸上升。同時由于葉蠟石本身在高壓下具有一定流動性，發(fā)生塑性形變的葉蠟石的一部分會順著頂錘斜面之間的縫隙向外流動，并逐漸填滿縫隙。

隨著頂錘擠壓的深入，頂錘之間的縫隙不斷縮小，而流入縫隙的葉蠟石逐漸增多，頂錘小斜面與縫隙內(nèi)葉蠟石之間的正壓力不斷增大，兩者之間的摩擦力也隨之增大，當(dāng)縫隙內(nèi)的葉蠟石足夠多，摩擦力也足夠大時，最終能有效阻礙更多的葉蠟石流出。此時，已經(jīng)被擠出的葉蠟石就形成了一道完整覆蓋合成塊十二道棱邊的高壓密封邊，這道密封邊有效地將合成塊內(nèi)的超高壓封鎖在六個頂錘面圍成的高壓腔內(nèi)(見圖2)。

圖2 形成密封邊Fig.2 Forming a sealing edge

事實(shí)上，完整的密封邊一旦形成，合成塊與頂錘之間就建立起一種非常穩(wěn)定的平衡，此時無論頂錘正壓力如何繼續(xù)增大，頂錘斜面的側(cè)向分力總是按一定的比例轉(zhuǎn)化成足夠的摩擦力，把葉蠟石牢牢鎖在高強(qiáng)腔內(nèi)部，而多余斜面正壓力則通過葉蠟石密封邊相互抵消掉了。

但是由于合成塊材質(zhì)的不均一性和單缸系統(tǒng)阻尼的問題，密封邊形成過程中總會出現(xiàn)不同程度的不對稱，即通常觀察到的密封邊厚薄不均勻，在這種不對稱的情況下，密封邊的最大密封能力是以整個系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)來計算的，也就是說，不對稱程度越嚴(yán)重，高壓密封性能越弱。

1.3 合成塊內(nèi)部葉蠟石流動及壓力梯度場建立

密封邊形成以后，在頂錘與合成塊共同構(gòu)成的高壓腔內(nèi)，應(yīng)力是非常不均勻的，葉蠟石與頂錘錘面中心接觸點(diǎn)的平均壓強(qiáng)可能超過10GPa，合成腔中心的壓強(qiáng)通常可以達(dá)到4GPa至6GPa，而密封邊最外側(cè)壓強(qiáng)則接近0。

在這種環(huán)境下，為適應(yīng)不均一性，系統(tǒng)必須進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)調(diào)整。由于葉蠟石在高壓下具有一定的流動性，在高壓合成腔內(nèi)，壓強(qiáng)較高區(qū)域的葉蠟石會緩慢地向周邊壓力低的區(qū)域流動，通過改變密度來調(diào)整梯度平衡，最終建立穩(wěn)定規(guī)則的壓力梯度場(見圖3)。

圖3 穩(wěn)定壓力場梯度Fig.3 Steady the pressure gradient field

事實(shí)上壓力梯度場調(diào)節(jié)在密封邊形成階段就不斷在進(jìn)行，只不過前期由于系統(tǒng)外環(huán)境的快速變化，內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)作用非常劇烈，并且處于無序、混亂的狀態(tài)。只有當(dāng)密封邊完全形成以后，調(diào)節(jié)作用才開始逐步生效。此后葉蠟石的內(nèi)部流動及壓力場梯度調(diào)節(jié)會一直持續(xù)到合成工藝結(jié)束。

但隨著外部環(huán)境的穩(wěn)定，壓力場梯度變化會越來越緩慢，特別是加熱以后，高溫區(qū)域的葉蠟石會變硬，流動性會進(jìn)一步減弱，此時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力會大幅度降低，內(nèi)應(yīng)力會大幅度增高，這也是泄壓階段出現(xiàn)放炮的主要原因。

因此，在充液階段后期，實(shí)際上是合成塊內(nèi)部形成穩(wěn)定合理的壓力梯度場的階段，這一階段形成的壓力梯度場的穩(wěn)定性將直接決定后期加熱、停溫、泄壓過程密封的穩(wěn)定性。

2 國產(chǎn)六面頂壓機(jī)充液控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國產(chǎn)六面頂壓機(jī)充液控制主要有以下幾種技術(shù)方案:

2.1 連通充液

連通充液的基本原理是在充液階段直接將六個工作缸連通，通過液壓系統(tǒng)的壓力等效傳遞原理使六缸壓力自始至終保持相等。

連通充液實(shí)際上是六面頂壓機(jī)經(jīng)典的連通超壓方案的延伸，其最大的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并且在與連通超壓工步切換時過渡平穩(wěn)，沒有沖擊。

但是，連通充液模式雖然很好地解決了工作缸壓力一致性問題，但完全忽略了由于活塞阻力和各工作缸油路長短差異造成的六缸位移差異。特別是在充液的前兩個階段，由于工作缸壓力還沒完全建立起來，六缸位移差異會尤其明顯，而這兩個階段恰好是葉蠟石自找正和密封邊建立的關(guān)鍵階段，這兩個階段產(chǎn)生的同步誤差對整個高壓系統(tǒng)穩(wěn)定的影響是非常嚴(yán)重的。

嚴(yán)格來說，連通充液是一種完全沒有反饋，無法調(diào)整位移同步的充液控制方式，從控制角度方面看是非常粗放、不符合設(shè)計要求的。

2.2 不連通充液

不連通充液是在充分考慮了由于活塞阻力和各工作缸油路長短差異造成的六缸位移差異的基礎(chǔ)上設(shè)計的同步控制方式。其主要原理是，在充液過程中將六個工作缸供油油路獨(dú)立，每條油路上設(shè)單向閥、節(jié)流閥。設(shè)備使用者可以通過調(diào)整每條支路上節(jié)流閥的開度來改變各工作缸充液流量，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)位移同步調(diào)整。

但是，現(xiàn)有的不連通充液存在兩個較大的缺陷:

1.同步調(diào)整操作繁瑣，位移同步只能通過測量葉蠟石塊三個方向上的尺寸差異來檢測，操作人員只能通過反復(fù)檢測合成塊并調(diào)節(jié)節(jié)流閥來修正六缸位移同步，“僅僅靠工人的經(jīng)驗和感覺來重新調(diào)整這些參量，那么不僅浪費(fèi)大量的時間，而且調(diào)節(jié)的精度和重復(fù)性都很差”［2］。

2.系統(tǒng)穩(wěn)定性差，由于系統(tǒng)本身屬于開環(huán)控制，不帶反饋功能，一旦設(shè)備出現(xiàn)磨損，或者合成塊個體出現(xiàn)差異，充液同步性就會大幅度下降。

3.充液過程中各缸存在壓力差，由于各工作缸系統(tǒng)慣性差異，為平衡差異，各缸的起步壓力是不同的，這個壓力差在進(jìn)入六缸連通以后會對系統(tǒng)造成壓力沖擊，影響密封穩(wěn)定性。

2.3 組合充液

簡單來說，將不連通充液與連通充液方式結(jié)合，前兩個階段采用不連通充液，第三個階段采用連通充液。組合充液控制方法能將連通充液、不連通充液的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，較好地彌補(bǔ)各自的缺陷，但系統(tǒng)在自動化及控制精度方面仍有較大的改進(jìn)空間。

綜上所述，國內(nèi)六面頂液壓機(jī)在充液控制方面的設(shè)計仍然處于比較落后的階段，通過引進(jìn)新技術(shù)，改變設(shè)計思路會有較大的提升空間。

3 提高充液同步控制的方法和思路

改進(jìn)國內(nèi)超硬材料六面頂液壓機(jī)工作缸同步充液過程的控制方法應(yīng)從改進(jìn)測量技術(shù)、引入反饋控制、開發(fā)智能算法及提高自動化控制等幾個方面入手，重點(diǎn)解決以下幾個技術(shù)問題:

3.1 六缸位移高精度檢測

采用位移傳感器檢測工作缸行程在六面頂壓機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)接近十年了，但是一直以來僅僅是用作空程前進(jìn)控制及其它非關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)測量，并沒有真正引入核心高壓系統(tǒng)控制。主要原因在于針對六面頂壓機(jī)工作缸行程的大尺寸范圍檢測重復(fù)性差，而高精度的小尺寸檢測又一直沒有用武之地。

在充液過程中，活塞位移行程為3mm至5mm，這個測量范圍內(nèi)，高精度位移傳感器能很好完成精確測量工作，為位移同步提供測量依據(jù)。

3.2 高精度壓力傳感器及精確壓力控制

現(xiàn)有的充液控制方法通過給定油泵排量將液壓油迅速充入工作缸，工作缸壓力隨著葉蠟石的壓縮自由上升至一個設(shè)定值，通常在十幾秒內(nèi)即可完成充液動作，這一過程壓力上升幾乎完全不受控，而實(shí)際充液壓力超出設(shè)定值20%以上卻是常見的。

但事實(shí)上，在充液過程中同步性對壓力的變化是非常敏感的，在控制系統(tǒng)中選用準(zhǔn)確度達(dá)到0.01MPa的高精度壓力傳感器，并對充液壓力上升速度進(jìn)行精確控制非常有助于提高充液同步控制水平。

3.3 比例閥取代節(jié)流閥控制單缸流量

目前不連通充液采用六個節(jié)流閥手動調(diào)節(jié)各缸流量，控制精度、自動化水平和抗干擾能力都很差。

采用電液比例閥取代節(jié)流閥，能實(shí)現(xiàn)各工作缸流量的在線自動調(diào)節(jié)，不僅有效克服了精度差、重復(fù)性差、穩(wěn)定性差等一系列問題，還能省去繁雜的手動調(diào)節(jié)工作，確保每一個合成塊充液同步性達(dá)到最佳。

3.4 六缸位移比較修正算法

在采用位移傳感器采集活塞位移，并以比例閥取代節(jié)流閥的技術(shù)基礎(chǔ)上，充液過程中，位移傳感器能不斷將活塞位移信號反饋到控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對比六個工作缸的位移情況，及時對位移量超范圍的工作缸進(jìn)行調(diào)整，修正其位移量，保證六缸位移同步。通過這種算法能有效實(shí)現(xiàn)六缸自動同步控制。

3.5 壓力與位移結(jié)合的混合控制方式

充液同步控制的最終目標(biāo)是頂錘位移同步，但實(shí)際上是通過調(diào)整單缸流量來改變位移變化量的，而產(chǎn)生流量變化的根本原因是壓力的變化，因此六面頂壓機(jī)充液同步過程控制是一個同時控制壓力、流量、位移的綜合過程。

以往采用的控制方式通常只關(guān)注壓力或者流量中的一個單一變量，這導(dǎo)致最終控制效果不理想。因此依靠電控系統(tǒng)的運(yùn)算能力，在控制充液壓力穩(wěn)定上升的同時動態(tài)分配各工作缸流量以達(dá)到精確控制六缸位移同步，是有效提升充液同步性的正確思路。

4 提高六面頂壓機(jī)充液過程同步控制精度的技術(shù)價值

近年來，國內(nèi)超硬材料行業(yè)快速發(fā)展，大量超硬材料制品廠家進(jìn)入并參與與國際市場的全面競爭。而在石油復(fù)合片、加工刀具等高端產(chǎn)品領(lǐng)域，市場普遍反映采用國產(chǎn)六面頂壓機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品與國外技術(shù)產(chǎn)品的主要差距在于質(zhì)量穩(wěn)定性差。因此，從設(shè)備控制角度提高充液同步性能就能有效彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)差距，提升行業(yè)競爭力。

具體來說，提高充液同步精度的主要技術(shù)價值有以下幾點(diǎn):

4.1 提高高壓密封穩(wěn)定性

采用改進(jìn)的充液同步控制技術(shù)能有效提高充液階段葉蠟石壓縮的均勻性，所形成的密封邊也更加對稱。能有效提高合成塊的高壓密封性能，減少各種放炮的幾率，提高安全性，降低生產(chǎn)成本。

4.2 提高壓力梯度場的均勻性

改進(jìn)六面頂壓機(jī)充液同步控制技術(shù)有利于穩(wěn)定合成塊內(nèi)部的壓力梯度場，特別是對大合成塊生產(chǎn)大尺寸制品，能最大程度提高高壓腔容積利用率，增加產(chǎn)品產(chǎn)量。

4.3 提高旁熱式碳管電阻的重復(fù)性

六面頂壓機(jī)大規(guī)模采用旁熱式加熱以來，加熱電阻一致性差一直是困擾國內(nèi)六面頂壓機(jī)用戶的老問題。

研究發(fā)現(xiàn):為盡可能增大腔體容積，并提高加熱電阻減少能源消耗，行業(yè)內(nèi)普遍將加熱碳管設(shè)計得非常薄，如此帶來的后果是碳管變得非常脆弱。而在充液過程中，脆弱的碳管極有可能隨著葉蠟石的收縮隨機(jī)出現(xiàn)不同程度的開裂或折斷現(xiàn)象。進(jìn)入加熱工步以后，碳管的開裂或折痕處會產(chǎn)生接觸電阻。由于接觸電阻遠(yuǎn)高于碳管本身的電阻，大部分加熱功率都被分配在接觸電阻上，導(dǎo)致碳管裂紋或折痕處的溫度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域。而另一方面，由于充液同步性差，開裂或折痕出現(xiàn)的幾率非常大，直接表現(xiàn)就是充液后加熱碳管的電阻重復(fù)性差。由此，高品級復(fù)合片等需要嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度的產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中由于溫度場分布呈隨機(jī)狀態(tài)，產(chǎn)品的質(zhì)量也就變得非常不穩(wěn)定。

改進(jìn)充液同步控制技術(shù)以后，能最大程度防止加熱碳管的隨機(jī)損壞，有效提高電阻分布的重復(fù)性，提升高端制品的產(chǎn)品質(zhì)量，為國內(nèi)制品生產(chǎn)企業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

5 結(jié)論

超硬材料六面頂液壓機(jī)充液是合成塊形成密封體系的的關(guān)鍵工步，采用六缸位移高精度檢測技術(shù)、工作缸壓力精確控制技術(shù)、比例流量控制技術(shù)及六缸位移比較修正算法對充液階段的工作缸壓力及單缸位移進(jìn)行結(jié)合控制，能有效提高六面頂壓機(jī)的穩(wěn)定性，減少放炮，更重要的是提高同步性能有助于提高合成塊內(nèi)部壓縮的一致性，減少產(chǎn)品的個體差異，使高端產(chǎn)品生產(chǎn)中的產(chǎn)品穩(wěn)定性大大提高。