３６ 液压与气动 ２０１０年第１Ｏ期 高精恒压液压系统研究 刘建，黄迷梅，毛智勇 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｌｙ—ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＬＩＵ Ｊｉａｎ，ＨＵＡＮＧ Ｍｉ－ｍｅｉ，ＭＡＯ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ （北京联合大学机电学院。ｊＥ京１０００２０） 摘要：该文从粉末状材料压制成型机械设备需求的角度，针对保压和稳压要求，进行了减压阀一蓄能 器高精度恒压不同回路组合的分析研究，提出了液压回路的设计和解决方案，并投入使用，取得了良好的效 果，有利于提高此类设备国产化水平。 关键词：恒压；稳压；蓄能器；液压系统 中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００－４８５８（２０１０）１０－００３６－０３ 引言 的办法，同时也满足了制成品密度稳定要求。 本研究是在研制制药压片机的基础上，所做的基 础应用研究，取得了良好的效果，有利于提高此类设备 国产化水平。 在研究过程中，根据拟定的多种方案对比分析，制 定了两种稳压方案，即：减压阀一蓄能器稳压保压和电 将粉末状材料压制成型的机械设备，通常使用液 压系统提供最终压制力以满足设备需求，如制药行业 中的制药压片机以及在某些特殊行业中，对设备的要 求是：必须保证压片成品的密度均匀。因此，当采用液 压系统提供动力时，其执行机构即设备的工作液压缸 要有稳定性很高的压力输出。 磁锥阀一蓄能器稳压保压。前者适用于单一泵源控制 多组压制终端，以满足不同压制力的需要；后者则适用 在国外，有些机械设备是通过气动系统来提供压 力并保持恒压的，其恒压效果虽好，但限于气动系统本 身缘故，压力难以提高，从而对压片制品的密实度产生 影响。 于单一压制终端且要求稳压保压时间长的系统。 １稳压保压回路 。１．１减压阀一蓄能器稳压 一通过对液压系统恒压和保压问题的分析、探讨及 试验，所确定的减压阀一蓄能器回路，使液压系统中的 般成型压制机械都是在最后的成型阶段稳压保 工作介质（油液）在粉状制品成型过程中保持静压状 态，提高了恒压精度、延长了保压时问。对解决粉状制 品成型设备的恒定输出压力的特殊要求，提供了可行 ５可靠性管理 收稿日期：２０１０－０３－２４ 作者简介：刘建（１９６４一），男，山东潍坊人，讲师，主要从事流 体传动与控制的研究工作。 （５）收集有关维修资料、计划、维修人员技术水平 和维修环境等。 液压系统的可靠性涉及面广，影响的因素多。为 了提高液压系统的可靠度，延长其使用寿命，在实际工 程应用中有必要进行有效的、可操作性的设计、制造、 维修和可靠性管理。 参考文献： 可靠性管理也是提高液压系统可靠性的重要措 施。液压系统使用过程中的可靠性管理主要包括： （１）严格按产品规定制定使用条件和方法； （２）制定液压系统的修理和维护保养制度； （３）对液压系统使用过程中失效的元件进行分 析，尽可能找出失效机理上的原因； （４）收集元件可靠性数据，生产现场中可靠性数 ［１］ 李良巧．产品可靠性基础［Ｍ］．北京：中国兵器质量与可 靠性研究中心，２００２． 据，使用环境、工况、维修及报废情况的数据； ２０１０年第１Ｏ期 液压与气动 ３７ 压，即由液压或气压执行元件施加作用力并保持一定 时间。液压执行元件在工作过程中，行程极其微小，只 需维持一定压力并将所设定压力保持一定时间。 对于单一泵源控制多组压制终端以及单一压制终 端压制力需要经常调节的情况，除了考虑稳压保压外， 还要考虑针对不同的被压材质以及密实度要求，调节 压制力，这样必然要求调节方便，方案１中考虑的是采 用减压阀与蓄能器的组合，见图１。 １．液压泵２．溢流阀３．单向阀４，６．蓄能器５．减压阀 图１稳压方案１ 图１所示方案，系统工作时，由液压泵１经减压阀 ５向系统供油，同时向两个蓄能器补油冲液，并由减压 阀５调定执行缸的压力。当执行缸达到成型保压工作 位置时，液压泵继续向蓄能器冲液。减压阀前的蓄能 器４达到规定压力上限时，电接点压力表（图中未画 出）发讯，使液压泵停止工作或卸荷。显然，此时系统 压力由蓄能器４保持恒定，并通过减压阀５闭环控制 执行液压缸工作压力，并由减压阀后面的蓄能器６稳 压。同时，当系统泄漏等原因造成压力下降到低于保 压成型压力范围下限时，由电接点压力表发讯启动液 压泵供油来自动补偿。 该回路的特点是减压阀具有较好的出口恒压稳压 功能，加之蓄能器的辅助作用，补充油液吸收压力脉 动，故压力波动可控制在要求范围内。图１所示方案 的减压阀，是采用的比例减压阀，它一方面便于调节所 需压力，令一方面也利于实现执行液压缸工作压力的 闭环控制，满足总机系统自动控制要求高或压制品不 宜污染的场合，可以达到比较好的稳压效果。 １．２ 电磁锥阀——蓄能器稳压 如果压制设备的压制力不需频繁调节，即单一压 制终端且要求稳压保压时间长的系统，图２所示方案 可更简便地实现稳压。 图示为稳压方案２，换向阀５为锥阀结构。在预 压阶段，液压泵向系统供油，驱动液压执行缸预压，同 １．液压泵２．溢流阀３．单向阀４、７．蓄能器５．换向阎６．节流阀 图２稳压方案２ 时向蓄能器４和蓄能器７充液蓄能。当达到保压成型 阶段时，电接点压力表（图中未画出）发讯，使液压泵 停止工作，此时蓄能器７压力应达到保压稳定压力的 上限值。其后，因保压成型过程中，液压缸的微小位移 和系统泄漏所需的油液由蓄能器补充，同时蓄能器还 起到保压稳压作用。其中的电接点压力表上下限压力 设定原则与方案１相同。其中蓄能器４的作用是，在 保压成型过程中，若需要泵启动补充油液时，吸收液压 泵启动产生的压力脉动，保证保压的稳定性。 对比上述两种方案，方案１中的减压阀稳压需要 一个合适的压力降和不可避免的先导油流（或泄油） 外泄，由此带来一定的节流能量损失；同时，减压阀先 导油流（或泄油）的存在，也会大大增加液压泵的启动 频度。方案１的优点在于，由于使用了比例减压阀，故 可方便地适用于片剂压制力需要频繁调节以及单一泵 源控制多组压制终端的场合。 方案２的特点是系统简单，且采用了防泄漏效果 很好的锥阀，且无减压阀维持出口压力恒定所必需的 先导油流，因此能耗小，且泵源亦不需频繁启动。对此 方案的试验表明，在压力稳定精度１％的范围内，可保 压２４ ｈ以上。 ２影响回路压力稳定性因素的分析 因为保压方式采用的是蓄能器保压，因此影响压 力稳定的因素主要源于液压缸容积在保压过程中是否 发生变化以及系统的泄漏，此外就是保压过程中因为 片剂密实度变化等带来的负载压力波动。 根据这些因素以及片剂保压过程压力稳定条件， 就可以很方便地对蓄能器容量进行估算。下面分别就 上述原因进行分析和探讨。 ２．１ 执行缸微小位移的影响 粉末状材料压制成型的过程可分为预压与成型两 个阶段，在预压阶段，形成较大，液压缸由液压泵供油。 ３８ 液压与气动 ２０１０年第１Ｏ期 在成型阶段，片剂基本成型，主要是压实保压，此阶段 液压缸形成很小，若继续采用液压泵供油，则系统损耗 释放油液，其压力也会随之下降。一段时间后，当保压 系统压力低于设定范围时，电接点压力表就会发讯使 较大，故根据实际状况，多采用停机或液压泵卸荷，由 蓄能器提供压力油，实现保压成型。此阶段位移不大， 而其压力稳定程度决定制品的密度。这就要求在保压 阶段实际行程内，缸内压力稳定在允许范围内。据此 可以对液压缸进油口处的蓄能器容量做出选择。 假设，成型阶段液压缸的最大微小位移为 ，则相 应需要的油液体积△ ： △Ｖ＝ＡＸ 式中：Ａ——液压缸工作腔有效工作面积。 据气体状态方程，蓄能器各阶段体积与压力的关 系可表示为： ｐ０Ｗｏ＝Ｐｌ ＝ｐ２ ＝Ｃｏｎｓｔ 式中： ——蓄能器额定容积（ｒｎ。） Ｐ０——充气压力（Ｐａ），（按０．９ Ｐ１＞Ｐ０＞０．２５ Ｐ 充气） ——蓄能器高压力时气体体积（ｍ ） ——蓄能器低压力时气体体积（ｍ ） Ｐ ——蓄能器高压力值（Ｐａ） Ｐ ——蓄能器低压力值（Ｐａ） ｎ——指数；（本研究中，蓄能器起保压和补偿 泄漏，故可视为等温过程，取ｎ＝１）。 工作过程中，蓄能器可以吸收（或释放）的油液体 积 为： ＝ｖ２一Ｖｌ 因此，若设计中，液压缸因压实成型位移 引起 的体积变化ＡＶ小于 ，说明其引起的压力波动量亦 小于蓄能器可提供的保压压力范围卸＝Ｐ。－ｐ 。如 果这个保压压力范围满足压片保压成型过程要求，就 一定能满足稳压要求。 可编写计算程序对上述相关关系进行多组试算， 即可在给定压力精度下，确定蓄能器有效容积、充压压 力、液压缸有效工作面积等参数。 ２．２液压系统泄漏的影响 若设计采用图１所示方案，因保证减压阀正常工 作的先导油流的微小流量，必然会存在一定泄漏，且不 可避免；同时该泄漏和液压缸等其它元件的密封泄漏 相比，所占比例较大。起初液压缸入口处的蓄能器可 以对系统补充油液，维持压力。 但随着时间的推移，即使没有系统中其它元辅件 的泄漏，减压阀自身的先导油流必将引起蓄能器不断 液压泵启动、对蓄能器充液蓄能。 这段时间可以根据减压阀泄油量、蓄能器蓄油容 积、充压压力等参数算得（计算过程及结果略）。 试验结果表明此算法与实际情况基本吻合，可以 作为选择蓄能器容量的估算方法。 ２．３液压泵启动冲击的影响 液压泵启动时会产生一个明显的压力峰值。大多 数泵工作时流量是脉动的，会使液压系统产生压力 振动。 下述措施可以降低液压泵启动冲击对执行缸稳压 性能的影响。液压泵出口设置蓄能器，液压缸远离液 压泵，液压泵与液压缸之间的管路加入软管，以及尽可 能降低液压泵启动频度等。 ２．４ 负载力波动的影响 压制设备工作过程中，负载力是周期变化的，其最 大值为控制目标值。负载力的周期性波动是系统压力 稳定的干扰因素。设计时还应考虑负载力波动频率与 系统固有频率的关系。 负载力波动频率可以方便算得，以旋转式制单出 口药压片机为例，冲模数为ｍ、模盘转速 （ｒ／ｍｉｎ），负 载频率．厂ｃ为： ｆｃ＝（１／６０）２￣ｍｍ 对本文所论系统而言，固有频率主要取决于蓄能 器气囊，并适当考虑工作容腔体积。设计中可据此估 算系统液压系统固有频率，并使其远离负载频率，而不 必算得系统固有频率的精确值，这样就大大减低了系 统因负载波动，引发共振的可能性。 一般而言，增加蓄能器额定容积和液压工作腔液 体体积会降低系统固有频率；提高蓄能器充气压力和 液压工作腔工作压力，会提高系统固有频率。 ３结论 本文设计方案已在北京市一制药设备生产企业投 入试验。获得压力波动小于１％，压制力１３０ ｋＮ的压 片能力。可以用于多种压制制品、高质量压片要求。 参考文献ｉ ［１］雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京：北京理工大学出 版社，１９９８． ［２］ 官忠范．液压传动系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２ｏ０４． ［３］李壮云，葛宜远．液压元件与系统［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００５．