超高壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2023-11-10 09:03
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在一些特定的超高壓場(chǎng)合,如液壓支架、液壓工具、粉末冶金、超高壓射流、金屬擠壓和超高壓耐壓、爆破試驗(yàn)等,其液壓系統(tǒng)工作壓力通常在700bar左右,甚至更高的壓力。目前來(lái)看,超高壓液壓技術(shù)與一般液壓技術(shù)相比,具有以下主要特點(diǎn):

1)超高壓小流量。當(dāng)液壓系統(tǒng)在一定的功率運(yùn)行時(shí),因超高壓液壓系統(tǒng)所需的工作壓力高,其在超過(guò)高壓工況下的系統(tǒng)流量就很小,一般在1L/min。

2)對(duì)液壓介質(zhì)有特別要求。由于液壓系統(tǒng)油液粘度、彈性模量等受系統(tǒng)壓力和溫度的影響很大,所以超高壓液壓系統(tǒng)常常需要特定的液壓介質(zhì)。通常而言,液壓系統(tǒng)液壓介質(zhì)粘度隨著壓力的增大而增大,而流動(dòng)性會(huì)減??;粘度隨著溫度的升高反而下降,又很容易引起系統(tǒng)油液泄漏。所以在不同應(yīng)用場(chǎng)合的超高壓液壓系統(tǒng)中,常常有特定的專用液壓介質(zhì)。比如在液壓支架中常用乳化液、在有些巨型模鍛液壓機(jī)應(yīng)用水介質(zhì)。

3)密封要求十分嚴(yán)格。在超高壓液壓應(yīng)用環(huán)境中,密封是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。超高壓液壓系統(tǒng)壓力非常高,即使有很小的泄漏量也會(huì)因?yàn)槠淠芰扛叨a(chǎn)生局部的高溫,很容易將密封件擊穿。同時(shí),同樣的密封間隙在超高壓環(huán)境中泄漏量也比普通壓力下大的多,而超高壓液壓系統(tǒng)流量一般又很小,所以會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生很大的影響。目前來(lái)看,提高密封性能的主要方法主要有選擇適合的材料、設(shè)計(jì)合適的密封結(jié)構(gòu)以及制造技術(shù)。

4)對(duì)超高壓元件要求更嚴(yán)格。超高壓液壓系統(tǒng)帶來(lái)的強(qiáng)度和密封方面的問(wèn)題使得超高壓液壓元件有更嚴(yán)格的要求,其可選擇的結(jié)構(gòu)形式也比普通壓力下少得多。在超高壓液壓系統(tǒng)的升壓元件中,柱塞泵和增壓器是常采用類型。因?yàn)橹镁哂休^高的容積效率,又能夠很好的適應(yīng)超高壓壓力下的密封。而增壓器又能夠在較低的系統(tǒng)壓力下通過(guò)面積比的關(guān)系產(chǎn)生超高壓,還可以使用不同的超高壓液壓介質(zhì)。超高壓液壓系統(tǒng)中的各類閥多采用錐閥和球閥結(jié)構(gòu),以降低加工難度并減少泄漏量。

但是,隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,超高壓在許多重型工業(yè)場(chǎng)合體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。主要是因?yàn)?,隨著系統(tǒng)壓力的提高,主機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,重量大幅度降低,單位重量出力比提高,制造成本降低,制造中耗能減少,工業(yè)排放污染減少,容易實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。隨著巨型模鍛液壓機(jī)、橡皮囊液壓成型機(jī)、人造金剛石合成壓機(jī)、深海油氣開(kāi)發(fā)設(shè)備等重要國(guó)防工業(yè)設(shè)備需求的增長(zhǎng),UPLFHE需求越來(lái)越多。因此,目前超高壓技術(shù)正在由超高壓小流量向著超高壓大流量方向轉(zhuǎn)變,同時(shí)也從開(kāi)關(guān)式元件向高性能比例式元件轉(zhuǎn)變。

在國(guó)內(nèi),比較成熟的超高壓液壓系統(tǒng)主要集中在液壓工具、液壓支架以及液壓測(cè)試行業(yè)中。超高壓液壓工具自身體積小、重量輕、攜帶方便,但輸入力或者力矩可以很大,而且液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單,研發(fā)成本低,同時(shí)超高壓液壓工具銷量又大,因此國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家都愿意生產(chǎn)。劉光新等于2016年設(shè)計(jì)用于液壓支架液壓件試驗(yàn)檢測(cè)的超高壓大流量檢測(cè)系統(tǒng),其液壓系統(tǒng)采用雙作用增壓器作為升壓元件,可以產(chǎn)生1000bar,0.62L/次和750bar,1.57L/次的超高壓液壓源,同時(shí)使用了乳化液和63號(hào)抗磨液壓油作為液壓介質(zhì)。再通過(guò)外接大流量乳化液源,可以滿足大多數(shù)液壓支架用液壓件的測(cè)試工作。燕山大學(xué)的胡洋在2014年對(duì)一液壓缸試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改造,將試驗(yàn)壓力成功提升到520bar用于液壓支架的液壓缸測(cè)試。其也是使用液壓增壓器獲得超高壓液壓源。趙德春等使用大增壓比的增壓器,設(shè)計(jì)壓力達(dá)到2000bar的超高壓液壓系統(tǒng),用于飛機(jī)液壓附件和導(dǎo)管的爆破試驗(yàn)。張新武也通過(guò)仿真論證了液壓增壓器用于產(chǎn)生超高壓進(jìn)行壓力容器的爆破試驗(yàn),并驗(yàn)證了超高壓液壓系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)的可行性。山東大學(xué)羅梅偉于2005年設(shè)計(jì)一個(gè)用于測(cè)試超高壓液壓元件的試驗(yàn)臺(tái),測(cè)試壓力可以達(dá)到700bar,可以完成泵性能試驗(yàn)、缸性能試驗(yàn)、溢流閥和換向閥部分性能試驗(yàn)。但是其文章中對(duì)于超高壓液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和介紹較少,偏重于試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),不過(guò)可以看出其系統(tǒng)中使用的超高壓比例溢流閥是HAWE公司的PMVPS系列,系統(tǒng)流量不會(huì)太大。

在超高壓油液與密封方面,尚建國(guó)對(duì)超高壓靜密封和動(dòng)密封件做了詳細(xì)的介紹。超高壓靜密封多采用金屬密封,邵爾硬度大的O形密封圈也可以使用。動(dòng)密封可以采用間隙密封、橡膠密封圈以及特殊的自緊式密封方式。大連交通大學(xué)的田小靜等對(duì)超高壓螺栓拉伸機(jī)的超高壓液壓缸活塞間隙密封進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明在需要低速穩(wěn)定運(yùn)行的超高壓液壓缸中采用間隙密封是一種非常好的策略,但是密封間隙的寬度并不是越小越好,應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合理的間隙值。西安交通大學(xué)的朱仁宗對(duì)液壓油粘度在超高壓系統(tǒng)中的影響做了一定的分析,這對(duì)超高壓液壓系統(tǒng)液壓油型號(hào)的選擇有一些實(shí)際意義。

國(guó)外的液壓工業(yè)發(fā)展較早,特別是歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家,液壓技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。壓力在315bar的液壓元件技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用,另有局部采用超高壓技術(shù),壓力可以達(dá)到420bar,這方面技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟。隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展,國(guó)外液壓技術(shù)也在不斷發(fā)展,加之以前積累的液壓技術(shù)開(kāi)發(fā)、研制實(shí)力,又有各類液壓專用仿真計(jì)算軟件,為超高壓元件的研發(fā)提供了有力的保障。伴隨著全球巨型模鍛液壓機(jī)的需求增長(zhǎng),歐美一些液壓制造廠商專門為其研制配套的液壓超高壓技術(shù)。各類超高壓液壓元件,壓力等級(jí)從小到大,流量規(guī)格從小到大,都已經(jīng)有了相當(dāng)全面的超高壓系列。可以說(shuō)國(guó)外的超高壓液壓技術(shù)已日趨成熟,但是主要被少數(shù)廠商壟斷。正因?yàn)槿绱?,?guó)外學(xué)者對(duì)于超高壓液壓元器件研究較少,應(yīng)該多數(shù)為企業(yè)自主研發(fā),技術(shù)保密。在已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)論文中,只有少數(shù)對(duì)超高壓液壓油相關(guān)特性的基礎(chǔ)研究。Karjalainen等在2006年開(kāi)始就對(duì)各類型液壓油性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。他們?cè)O(shè)計(jì)了靜態(tài)壓力可以達(dá)到1500bar的測(cè)試臺(tái),并進(jìn)行了不同壓力和溫度下的聲速、密度、楊氏模量等值。結(jié)果表明壓力達(dá)到500bar時(shí),油液粘度增大超過(guò)一倍,楊氏模量也大大增加。在2009年其又通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了油液特性與壓力的關(guān)系,密度、楊氏模量、聲速等都可以用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合估計(jì),并對(duì)絕熱過(guò)程和等溫過(guò)程的楊氏模量公式進(jìn)行了修正,還給出了密度、運(yùn)動(dòng)粘度關(guān)于壓力、溫度的公式。


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