關于超高壓液壓技術的3個特點及相關應用介紹

2017-07-21 0

工程應用中的液壓技術通常采用的壓力為35MPa以內。因為這個壓力下的液壓元件和液壓系統具有較高的技術經濟性。但在某些場合,諸如液壓機具、壓力容器、金屬擠壓等方面采用的壓力常在100MPa左右,有的甚至高達600MPa以上,當液壓系統壓力超過32MPa時,通常稱為超高壓液壓壓力。在這一壓力域中,有著許多一般液壓技術所未考慮的特殊性。這些特殊性形成了獨特的超高壓液壓技術。

一、超高壓液壓技術的特點

1、超高壓小流量

超高壓液壓技術主要發揮超高壓液壓壓力的優勢,當超高壓液壓機械或系統以一定的功率工作時,由于使用的壓力很高,所以流量就很小,其流量一般在1L/min左右。以極高的壓力在很小的流量下工作是超高壓技術的一大特征。

2、采用柱塞副結構

超高壓壓力是對液體介質實施強大的作用力產生的,無論在超高壓泵和增壓器中,升壓元件幾乎都采用柱塞副結構。柱塞副對超高壓力下的密封也具備良好的適應性。

3、要求專用的液壓介質

一般的液壓油在超高壓力下流動性銳減,體積壓縮量不可忽視,后者在極大程度上影響著系統的容積效率。所以一般壓力油在超高壓力下難以正常工作,應該選用在超高壓力下具有良好流動性和最小體積壓縮量的特殊專用介質。

二、超高壓液壓技術的應用——液壓源及液壓裝置

1、超高壓泵

當壓力為35MPa時,一般的齒輪泵、葉片泵和柱塞泵就難以保證良好的工作性能,因此,這些泵不能作為超高壓泵使用。只有特殊設計的柱塞泵才能產生和保證70MPa以上的超高壓力。一般70MPa左右的液壓壓力可用閥配流式軸向或徑向柱塞泵產生,也可用單柱塞的手動泵建立,但手動超高壓泵的排量很小。每次手動僅能獲得數毫升的油液輸出。通常超高壓力為70MPa左右的閥配流式軸向或徑向柱塞泵以電機為動力,也有采用小型內燃機為動力的。液壓壓力超過100MPa的超高壓泵多采用曲柄連桿式軸向柱塞泵,但也有用徑向柱塞泵的。

2、增壓器

圖1為一種超高壓增壓器的結構圖。當壓力超過2000MPa時液體的可壓縮性可達30﹪左右。因此增壓器的活塞行程應考慮液體壓縮量的補償,增壓器缸體應按超高壓容器設計和處理。增壓器的密封主要取決于超高壓柱塞端的結構,該處多采用填料盒式密封,這對加工裝配、調整、維修較為有利。增壓器尚無定型產品,一般都是作為系統或裝置中的專用部件單獨設計和制造的。超高壓增壓器的輸出總是超高壓液體介質,但超高壓增壓器的低壓源部分可以是液體介質,也可以是壓縮空氣。當低壓液壓源為壓縮空氣時即為氣液泵,其最高壓力可達528MPa。

102.jpg

(圖1 超高壓增壓器的結構圖)

3、超高壓力下的密封

超高壓液壓技術對密封要求極為嚴格,一方面由于間隙相同時超高壓力下的泄漏比常用壓力下大幾倍甚至幾十倍;另一方面由于超高壓液壓裝置流量較小,一般僅為1L/min左右,因而即便是微量的泄漏也會產生很大的影響,特別是對液壓系統的升壓和保壓性能的影響尤為突出。超高壓密封雖然有它的獨特要求,但它與一般的液壓密封還是大同小異,因此傳統的密封方式是可以參考的。需要特別指出的是,由于超高壓液壓技術常用于尖端科學技術研究、試驗和生產中,如水射流加工、金剛石合成、高溫條件下三軸儀等,其密封型式有很強的針對性和局限性,所以密封常常是特殊設計的,可供選擇的超高壓密封元件很少。對于大多數超高壓液壓系統來說,參考已有的傳統的密封型式,結合超高壓液壓系統的獨特要求,進行專用密封型式的設計和制造是解決超高壓密封的主要途徑和方法。

3.1、密封材料

在超高壓力下的密封材質受到強烈的擠壓,易于產生塑性流變。升壓過程中液體介質會發熱,由于超高壓升壓壓差大,瞬時溫升高,促使塑性流變加劇,造成密封材料變形量大甚至擊穿。而超高壓力下的密封材質的彈性喪失也將使密封性能急劇下降。所以一般的密封材質是難以承受苛刻的超高壓條件的。當壓力在100MPa以下時,塑性材料如橡膠、皮革、氟塑料尚可使用。當壓力高于100MPa時則需采用具有一定韌性的硬質材料如鋁、紫銅、鉛鈹青銅等。

3.2、密封結構

圖2為超高壓靜密封的幾種常見形式,借助于螺紋力強制密封件與被密封件之間產生一定的接觸應力而達到密封的結構形式。通過螺紋可調節接觸壓力,對密封進行調節和補償。常用于100MPa以下的壓力、要求不高的場合。

103.jpg

(圖2 超高壓靜密封的幾種常見形式)

圖3為幾種自緊或半自緊超高壓靜密封的結構形式。圖a為最簡單的O型圈密封結構,由于O型圈多由橡膠制成,一般用于70MPa以下的系統。選用時應慎重考慮O型圈的硬和變形率。另外帶擋圈的O型圈可耐壓200MPa左右的壓力。金屬O型圈密封可承受350MPa,甚至700MPa的壓力。圖b的結構在組裝時即施加了預緊力,較適于頻繁壓力升降和壓力變化大的場合。圖c的結構中,密封件在軸向可移動,依靠液體的壓力對密封件施加擠壓力而實現密封,液體壓力越大,密封越好,密封壓力可達500MPa左右。

104.jpg

(圖3 幾種自緊或半自緊超高壓靜密封的結構形式)

超高壓動密封主要指往復式動密封,主要依靠間隙密封和填充材料來實現。間隙密封多采用彈性圓筒襯套結構。圖4為混合采用自緊間隙密封和強制填料密封的結構形式。V形密封填料在螺紋力的作用下受壓強制密封,當填料采用鈹青銅等制作時,可達到1000MPa左右的超高壓動密封效果。

105.jpg

(圖4 填料及彈性圓筒襯套復合超高壓動密封)

4、超高壓液壓介質

超高壓力下液體介質稠化與否取決于它的超高壓黏度特性;超高壓力下液體介質的壓縮量和彈性則取決于它的體積彈性模量。體積彈性模量越高則介質體積壓縮量和彈性越小。大多數礦物油在高于400MPa壓力下呈稠脂狀。但60%的煤油和40%的變壓器油混合,在1000MPa壓力時也能很好地工作。丙三醇(即甘油)是一種良好的超高壓液壓介質。它在1400MPa壓力下也能保持良好的流動性,并且還具有很高的體積彈性模量。通常它以水—甘醇混合液的形式實際應用。水雖然具有很高的體積彈性模量,但由于水會銹蝕金屬,又不易密封,故主要用于耐壓試驗。能用于超高壓系統的介質還有蓖麻油、凡士林油等?;旌轄櫓實撓τ媚芑竦媒俠硐氳男Ч?。如蓖麻油—酒精、蓖麻油—礦物油混合液在700~1125MPa壓力下仍能保持良好的流動性。

三、結語

很多工業生產部門和科學實驗領域采用了超高壓液壓技術。超高壓液壓技術的不斷發展也為科研和生產提供了新的技術、工藝和試驗手段。作為一項新技術,超高壓液壓技術雖不十分完善與成熟,但在科研生產中已經發揮了重要作用。